振動分層法控制混凝土澆筑質量的工程應用＊

張守祺，傅宇方，王棟民

（1.交通運輸部公路科學研究院橋梁安全技術國家工程實驗室，北京 100088；2 .中國礦業大學（北京）混凝土與環境材料研究所，北京 100083）

0 前言

混凝土結構耐久性不足已成為國際上面臨的重要工程問題。耐久性問題不僅造成結構維護費用增長，而且嚴重影響正常使用功能，甚至危及安全性。結構混凝土耐久性不同于混凝土材料耐久性，結構混凝土耐久性不僅與結構構造和材料性能有關，還取決于施工建設質量[1-2]。澆筑是混凝土施工的關鍵環節，澆筑質量決定于新拌混凝土流變性和振搗的共同作用。在國內外混凝土結構施工技術規范中，結構混凝土澆筑質量主要由材料稠度（坍落度等）和均勻性指標，結合布料工藝和經驗性振搗工藝控制，缺乏以耐久性為目標的結構混凝土澆筑質量控制方法。導致混凝土施工與混凝土耐久性設計銜接不足，施工離散性和變異性控制水平難以達到耐久性要求，不足以保證耐久性設計性能在施工過程中有效實施。

針對上述問題，本文在現行混凝土澆筑質量控制方法的基礎上，引入以耐久性為核心的結構混凝土澆筑質量控制方法——振動分層法[3]，構建耐久混凝土澆筑質量控制方法。本文依托馬鞍山長江公路大橋工程，研究澆筑質量對結構混凝土耐久性的影響，分析振動分層法控制結構混凝土耐久性的有效性，為進一步豐富和完善混凝土結構施工技術規范和耐久性技術體系提供依據。

1 材料與試驗方法

1.1 混凝土配合比

依托馬鞍山長江公路大橋右汊三塔拱形塔斜拉橋工程，采用橋梁輔助墩和過渡墩墩身采用 C40 泵送混凝土，開展現場試驗研究，混凝土配合比見表 1。

表1 混凝土配合比 kg/m3

1.2 試驗梁設計

設計矩形試驗梁 2 根，命名為試驗梁 I 和試驗梁 II，除振搗工藝外，2 根試驗梁的構造、混凝土材料、施工人員和養護條件相同。試驗梁的設計跨度為 4.0m，截面高度為 0.7m，設計尺寸見圖 1 和圖 2。

圖1 混凝土矩形梁立面圖（cm）

圖2 混凝土矩形梁橫截面圖（cm）

1.3 試驗方法

利用振動分層方法，現場檢驗混凝土澆筑特性，確定混凝土最優振搗工藝，以澆筑試驗梁 I；利用傳統澆筑工藝，澆筑試驗梁 II。通過對比試驗梁 I 與試驗梁 II 表層滲透性，研究澆筑質量對混凝土耐久性的影響，分析振動分層法控制混凝土澆筑質量的作用成效。試驗梁 I 和試驗梁 II 采用同車C40 泵送混凝土澆筑，除振搗工藝外，布料、澆筑高度和振搗間距等施工環節相同。表 2 給出了試驗梁 I 和試驗梁 II 的澆筑質量控制方法構成。

表2 試驗梁 I 和試驗梁 II 的澆筑質量控制方法構成

混凝土澆筑質量的振動分層控制指標體系由密實度和均勻度指標構成，密實度指標為電阻率，均勻度指標為電阻率分層度。澆筑密實度和均勻度采用振動分層筒即時、同步測試[4]。混凝土澆筑質量評價標準采用澆筑混凝土電阻率穩定區間法（ k 值穩定法），用以確定混凝土最優振搗工藝。表 3給出了振動分層法控制混凝土澆筑質量的技術體系構成。

表3 振動分層法的技術體系構成

設計兩種試驗梁養護方式，試驗梁 I 和試驗梁 II 左幅均采用澆水覆蓋養護（養護方式 A），右幅均采用澆筑無覆蓋養護（養護方式 B）。試驗梁耐久性測試指標包括透氣性、透水性和氯離子滲透性。透氣性和透水性測試采用 Autoclam法，氯離子滲透性采用 Permit 法，指標測試齡期為 3d 和28d。

2 試驗結果與分析

2.1 澆筑特性分析與振搗工藝

澆筑混凝土在振搗棒（頻率為 180Hz、振幅 1.5mm 和激振半徑 250mm）振搗 0～60s 過程中的電阻率變化，如圖 3所示。表 4 為澆筑混凝土電阻率曲線變化斜率。可以看出：振搗 0～20s 時，混凝土內部粗氣泡持續排出，電阻率逐漸降低；振搗 20～40s 時，粗氣泡基本排出，主要是微小氣泡的緩慢排出過程，電阻率斜率為 0，電阻率穩定，混凝土達到振搗密實。

圖3 澆筑混凝土電阻率

表4 澆筑混凝土電阻率曲線斜率

圖4 澆筑混凝土電阻率分層度

圖4 為澆筑混凝土振搗 0～60s 的電阻率分層度變化，可知：隨振搗時間延長，澆筑混凝土電阻率分層度逐步增大。為避免過度振搗降低均勻度，針對振搗密實時間 20～40s，應選擇下限值（20s）作為混凝土最優振搗時間，使混凝土澆筑密實度和均勻度達到綜合最優狀態，電阻率分層度控制上限值為 24%。

依據混凝土澆筑特性測試結果，制定澆筑質量控制方案用來澆筑試驗梁 。澆筑質量控制方案見表 5。

表5 混凝土澆筑質量控制指標及限值

2.2 表觀質量

圖 5 和圖 6 分別給出了試驗梁 I 和試驗梁 II 表觀質量，可以看出：試驗梁 I 表面孔洞數量少于試驗梁 II，試驗梁 I 表面光滑程度略高于試驗梁 II。同時，試驗梁 II 表面存在由浮漿薄層遮蓋的孔洞，試驗梁 I 無該類孔洞。因此，試驗梁 I 表觀質量優于試驗梁 II，振搗分層法有助于提升混凝土構件表觀質量。

圖5 試驗梁 I 的表觀質量

圖6 試驗梁 II 的表觀質量

2.3 透水性

表6 給出養護方式 A 和 B 條件下，試驗梁 I 和試驗梁 II透水性測試結果。可以看出，養護方式 A 條件下，振動分層法使結構混凝土 3d 和 28d 透水性系數降低 64.6% 和 58.6%；養護方式 B 條件下，3d 和 28d 透水性系數降低 64% 和53%。提升澆筑質量顯著提高結構混凝土抗水滲透性，在兩種養護方式下，振動分層法作用程度相近。

表6 結構混凝土透水性

依據透水性等級評定標準見表 7，試驗梁 I 的 3d 透水性系數均小于 2.6×10-7m3/min1/2，抗水滲透性“良”；28d透水性系數均小于 1.3×10-7m3/min1/2，抗滲性“優”。試驗梁 II（養護A）的 3d 透水性系數位于 2.6×10-7～3.4×10-7m3/min1/2，試驗梁 II（養護 B）大于 3.4×10-7m3/min1/2，抗透水性能等級分別為“中”和“差”，試驗梁 II（養護 A）28d透水性系數位于 1.3×10-7～2.6×10-7m3/min1/2，試驗梁 II（養護B）位于 2.6×10-7～3.4×10-7m3/min1/2，抗透水性能等級分別為“良”和“中”。對比試驗梁 I，試驗梁 II 抗水滲透性約降低一至二個等級。表明混凝土澆筑質量顯著影響結構混凝土透水性，作用程度因養護條件差異不同。

表7 Autoclam 透水性評定等級

表8 給出養護方式 A 和 B 條件下，試驗梁 I 和試驗梁 II透氣性測試結果。可知，在養護方式 A條件下，相比試驗梁II，試驗梁 I 的 3d 和 28d 透氣性分別降低 47.1% 和 32.4%；在養護方式 B 條件下，試驗梁 I 3d 和 28d 的透氣性分別降低52.9% 和 53.2%。說明振搗分層控制混凝土澆筑質量，可以提高結構混凝土抗氣體滲透性，在養護條件不良時，作用程度更加明顯。

表8 結構混凝土透氣性

根據透氣性等級評定標準，見表 9，可知養護方式 A 和B 條件下，試驗梁 I 和試驗梁 II 的 3d 和 28d 表面透氣性系數均小于 0.1 Ln(mbar)/min，結構混凝土抗氣體滲透性“優”。表明混凝土材料抗氣體滲透性優良，澆筑質量影響結構混凝土表面透氣性，但是未降低透氣性等級。

表9 Autoclam 透氣性評定等級

2.4 氯離子滲透性

表10 給出在養護方式 A 和 B 條件下，試驗梁 I 和試驗梁 II 氯離子擴散系數測試值。可知，采用養護方式 A，提升澆筑質量使結構混凝土 3d 和 28d 氯離子擴散系數分別降低51.9% 和 33.3%；采用養護方式 B，3d 和 28d 氯離子擴散系數降低 42.1% 和 23.6%。

表10 結構混凝土氯離子擴散系數

參照 Permit 氯離子滲透性等級評定標準[4]，見表 11 ，在養護方式 A 和 B 條件下，試驗梁 I 的 3d 和 28d 氯離子滲透性等級為 IV 級，具有低氯離子滲透性。在養護方式 A 和 B 條件下，試驗梁 II 的 3d 氯離子滲透性等級為 III 級，具有中等氯離子滲透性，28d 滲透性等級 IV 級，具有低滲透性。綜上，混凝土澆筑質量影響硬化后混凝土抗氯離子滲透性能，振動分層法有益于提升結構混凝土抗氯離子滲透性能。

表11 Permit 氯離子滲透性評定等級

3 結論

（1）混凝土結構耐久性不同于混凝土材料耐久性，結構耐久性不僅與結構構造和混凝土材料性能有關，還取決于施工建設品質，需要建立施工期混凝土耐久性質量控制與檢驗方法，以確保耐久性設計性能在施工過程中實施；

（2）澆筑質量影響結構混凝土耐久性，振動分層法可量化控制混凝土澆筑質量，提升硬化后結構混凝土耐久性。相對于傳統澆筑施工技術，振動分層法使結構混凝土透氣性、透水性和氯離子滲透性分別降低 30%～50%、50%～60% 和20%～50%；

（3）現行混凝土結構耐久性設計標準與施工規范之間銜接不足，不易保證耐久性設計性能在施工過程中有效實施，使混凝土結構耐久性質量存在先天不足，成為導致混凝土工程耐久性問題嚴峻的重要原因之一。針對澆筑施工期混凝土耐久性質量問題，振動分層法為補充修訂現行混凝土結構施工規范和耐久性技術標準、為提升工程施工建設品質，提供了重要技術支撐。

[1]Gj?rv. Durability of concrete structures [J]．Arabian Journal for Science and Engineering, 2011, 36(2): 151-172．

[2]陳肇元．完善技術標準，提供性能切合工程需求的混凝土[J]．混凝土，2008,(2):1-8．

[3]傅宇方，張守祺，張勁泉，等．混凝土早期特性對結構混凝土耐久性影響的試驗研究[R]．北京，2012．

[4]交通運輸部公路科學研究所．一種混凝土澆筑均勻性和密實性測試裝置和方法[P]．中國發明專利：ZL 2011 1 0119850.X，2012,10,31.

[5]清華大學．Permit試驗方法研究報告[R]．北京，2007.