澆筑密實度和均勻度對結構混凝土耐久性的影響

張守祺，傅宇方，趙尚傳，張勁泉，姜錫東

（1.交通運輸部公路科學研究院 橋梁結構安全技術國家工程實驗室，北京 100088；2.浙江省交通建設集團，浙江 杭州 310051）

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混凝土結構構造和材料性能有關，還極大程度上取決于施工建設質量［1－2］，因此要求建立施工期結構混凝土耐久性質量控制方法，用于控制結構混凝土性能的離散性，以銜接混凝土耐久性設計與施工，確保混凝土耐久性設計性能在施工過程中有效實施.澆筑是混凝土施工的關鍵環節，為實現澆筑期結構混凝土耐久性質量控制，量化混凝土澆筑質量對結構混凝土耐久性影響是亟待解決的技術問題.

混凝土澆筑質量可用澆筑密實度和澆筑均勻度評價，前者表征混凝土澆筑殘留氣泡的數量及分布特征，后者表征混凝土組分的空間分布均勻性［3］.自20世紀初期開始，國內外重點針對振搗條件、新拌混凝土流變性、透水性模板等方面，開展了混凝土澆筑質量對其耐久性影響研究［4－6］.然而，對于振搗成型混凝土，由于缺乏澆筑密實度與澆筑均勻度的量化指標和測試評價方法，現有研究未能量化結構混凝土耐久性與澆筑密實度和澆筑均勻度之間的關系.

針對上述問題，本文采用振動分層法［7］，分析混凝土流動性和振搗時間對其澆筑密實度和澆筑均勻度的影響，量化結構混凝土耐久性與澆筑密實度和澆筑均勻度之間的關系，建立混凝土澆筑密實度和澆筑均勻度的量化控制方法，為進一步建立澆筑期結構混凝土耐久性質量控制方法提供理論依據.

1 試驗

1.1 原材料與混凝土配合比

水泥：基準水泥；粉煤灰：陡河Ⅰ級粉煤灰；粗骨料（CA）：5～20mm 連續級配碎石；細骨料：連續級配河沙，細度模數2.3；減水劑：復合型聚羧酸高效減水劑；拌和水：自來水.

恒定混凝土水膠比，通過調節減水劑摻量，控制混凝土坍落度分別為（80±10）mm，（140±10）mm，（200±10）mm，得到塑性、流體和大流態混凝土（C30）.各混凝土含氣量（體積分數）均保持為4%～5%.混凝土配合比見表1.

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix proportions

1.2 混凝土澆筑質量試驗方法

澆筑混凝土指經過振搗澆筑成型的未凝結混凝土.以澆筑混凝土電阻率（EA）作為混凝土澆筑密實度指標.EA映射了混凝土內部殘余氣泡與電解液體積比.以粗骨料分層度（Gm）作為混凝土澆筑均勻度指標.Gm反映了粗骨料的空間分布均勻狀況.

采用專用測試設備——振動分層筒（見圖1）測試混凝土澆筑密實度和澆筑均勻度［7］.振動分層筒由上、中、下3 層單筒構成，下層有底.主要測試步驟：（1）設置系列振搗時間（見表2），利用振搗臺將混凝土澆筑于振動分層筒中；（2）采用50V，1kHz方波交流電，測試上、中、下層混凝土電阻（R1，R2，R3），按式（1）和式（2）計算EA；（3）依次拆分振動分層筒，沖洗單層混凝土并保留粒徑大于5mm 骨料，干燥至恒重后稱重，按式（3）計算Gm.試驗中要求電阻測試在3 min 內完成，粗骨料篩取在10 min 內完成.

式中：Ei（i＝1，2，3）為 第i層混凝土電阻率，kΩ·cm；Ri為第i 層混凝土電阻，kΩ；Ji為第i 層混凝土電極常數，cm－1.

圖1 振動分層筒測試示意圖Fig.1 Schematic diagram for testing of separation－vibrated cylinder

表2 混凝土振搗時間Table 2 Vibrating time of concrete

式（3）中：m1為上層粗骨料質量，g；m3為下層粗骨料質量，g.

1.3 硬化混凝土性能試驗方法

依據混凝土坍落度和振搗時間的設計值，成型φ100×200 mm 混凝土圓柱體試件、450 mm×450mm×100mm 混凝土板和150mm×150mm×150mm 混凝土立方體試件，同條件養護至28d齡期.圓柱體試件用于混凝土氯離子擴散系數測試，試驗參照GB／T 50082—2009《混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行.混凝土板用于混凝土透氣性和透水性測試，測試方法采用Autoclam 法［8］.立方體試件用于混凝土抗壓強度測試，試驗參照GB／T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行.取抗壓試驗后的立方體試件碎塊，參照GB／T 21650—2008《壓汞法和氣體吸附法測定固體材料孔徑分布和孔隙度》測試混凝土孔結構.

2 理論模型分析

新拌混凝土屬于多相復合材料，實質是以剛性骨料為分散相，黏性水泥漿為液相構成的懸浮液［9］.新拌混凝土流變性通常符合Bingham 塑流體流變模型（見式（4）），需以屈服應力τ0（Pa）和塑性黏度η（Pa·s）共同表征［10］.牛頓流體Stokes方程用于計算慣性力可以忽略的情況下，剛性球體通過黏滯流體所受的黏滯阻力Fv（N）.利用Bingham 塑流體流變模型修正Stokes方程，可以建立Bingham 塑流體Stokes方程（見式（5）），用于計算剛性球體通過Bingham 塑流體所受的黏滯阻力.在振搗過程中，混凝土氣泡上浮和骨料沉降屬粒子在黏滯流體中低速運動，在假定氣泡和骨料為剛性球體條件下，滿足Bingham 塑流體Stokes方程適用條件.

式中：τ為剪應力，Pa；˙γ 為剪切速率，s－1.

式中：r 為剛性球體半徑，m；V 為剛性球體上浮速度，m／s.

振搗使澆筑密實度和澆筑均勻度向相互矛盾方向發展.在黏性流體中，氣泡受到向上浮力和向下黏滯阻力作用，兩者共同作用結果決定了氣泡上浮運動特征.根據式（5），在氣泡上浮初始階段，黏滯阻力低，氣泡加速上浮.當氣泡上浮速度增加時，其受到的黏滯阻力與浮力相等，氣泡勻速上浮，此時可根據阿基米德原理，建立澆筑混凝土氣泡運動方程，見式（6）.式（6）表明，氣泡勻速上浮速度Va（m／s）與氣泡半徑ra（m）成二次拋物線關系.因此，振搗使混凝土氣泡持續排出，初始階段以粗氣泡快速排出為主，后轉入細小氣泡緩慢排出階段.同時，骨料重力大于所受浮力和黏滯阻力，導致骨料持續沉降，漿體持續上浮.

式中：ρc 為水泥漿密度，kg／m3；ρa 為氣泡密度，kg／m3；τv為振搗下水泥漿的屈服應力，Pa；ηv 為振搗下水泥漿的黏度，Pa·s；g 為重力加速度，m／s2.

綜上可知，優化混凝土澆筑密實度和澆筑均勻度是控制混凝土澆筑質量的根本.實現混凝土澆筑密實度和澆筑均勻度平衡發展，可形成密實的堆聚結構體，提高混凝土澆筑質量.

3 試驗結果與分析

3.1 澆筑密實度和澆筑均勻度

圖2給出了澆筑混凝土電阻率隨振搗時間（t）延長的演變規律.由圖2可以看出，隨振搗時間延長，澆筑混凝土電阻率經歷下降、穩定和上升3個階段.

圖2 振搗時間對電阻率的影響Fig.2 Effect of vibrating time on electrical resistivity

混凝土開始振搗時，粗大氣泡快速排出，電阻率不斷下降；混凝土振搗到一定時間，粗氣泡基本排盡，排氣過程以細小氣泡的緩慢排出為主，混凝土電阻率基本穩定不變；混凝土繼續振搗，其澆筑均勻度大幅度降低，電阻率逐步增大.相同流動性混凝土經不同振搗作用，其澆筑密實度不同.

混凝土澆筑密實指振搗作用下混凝土粗氣泡基本排出，開始進入以細小氣泡緩慢排出為主時的密實狀況.混凝土電阻率－振搗時間曲線穩定段對應其澆筑密實，本文將之命名為電阻率穩定區間（stable region of electrical resistivity，SRER）.通過計算混凝土電阻率擬合曲線函數（E（t））對振搗時間（t）一階導數等于0（計算結果精確至千分位），可以量化判定SRER，用于評價混凝土澆筑密實狀態.當EA值處在SRER 時，表明振搗充分，混凝土澆筑密實；當EA值小于SRER 時，表明振搗不足，混凝土未澆筑密實.

圖3給出了粗骨料分層度隨振搗時間延長的演變規律.由圖3可以看出，隨振搗時間延長，粗骨料分層度增大.振搗加劇粗骨料沉降，相同流動性混凝土經不同振搗作用，澆筑均勻度不同.

圖3 振搗時間對粗骨料分層度的影響Fig.3 Effect of vibrating time on separation degree of CA

為了解決振搗使澆筑密實度和澆筑均勻度向矛盾方向發展問題，筆者將SRER 起點作為澆筑密實度和澆筑均勻度綜合最優狀態的判別點，并將這種判別方法命名為電阻率穩定區間法.該方法實質是確保混凝土在澆筑密實條件下，不降低混凝土澆筑均勻度.由電阻率穩定區間法可知，當坍落度由（80±10）mm 提高至（140±10）mm 和（200±10）mm時，最優振搗時間由70s分別降低至60s和40s，這表明提高混凝土坍落度有益于提升其易密實性.

綜上，混凝土澆筑密實度和澆筑均勻度均由材料流動性和振搗時間共同決定，也就是說，僅依據混凝土流動性難以確定其澆筑密實度和澆筑均勻度.需要針對混凝土澆筑密實度和澆筑均勻度，建立混凝土澆筑質量控制方法.

3.2 滲透性

圖4～6給出了振搗時間對混凝土滲透性（透水性、透氣性和氯離子滲透性）的影響.由圖4～6可以看出：（1）對于相同流動性混凝土，延長振搗時間，混凝土滲透性總體先降低后增大，在最優振搗時間時，混凝土滲透性基本達到最低水平.（2）提高混凝土坍落度，并振搗適宜的時間，可以優化混凝土抗滲透性能；在最優振搗時間下，當混凝土坍落度由（80±10）mm提高至（200±10）mm，其透水性、透氣性和氯離子滲透性分別降低12%，52%和18%.上述結果表明，混凝土流動性和振搗時間均影響其滲透性.

圖4 振搗時間對透水性的影響Fig.4 Effect of vibrating time on water permeability

圖5 振搗時間對透氣性的影響Fig.5 Effect of vibrating time on air permeability

圖6 振搗時間對氯離子滲透性的影響Fig.6 Effect of vibrating time on chloride ion permeability

混凝土流動性和振搗時間影響混凝土滲透性，其實質在于混凝土滲透性與其澆筑密實度、澆筑均勻度相關.圖7～9給出了混凝土滲透性與電阻率的關系.由圖7～9可以看出：對于相同流動性混凝土，隨混凝土電阻率減小，其透水性、透氣性和氯離子滲透性逐步降低或逐步降低后趨于穩定.混凝土電阻率低映射其滲透性低，但是電阻率最低值與滲透性最低值并非呈對應關系，原因是在SRER 內混凝土電阻率保持最低值，而在SRER 起點至終點間混凝土Gm逐步增大，可以導致其滲透性增大，因此需要進一步劃分SRER.圖10～12給出了混凝土滲透性與粗骨料分層度的關系.由圖10～12可知，隨混凝土粗骨料分層度增大，其透水性、透氣性和氯離子滲透性總體呈先降低后增高趨勢，塑性、流態和大流態混凝土SRER 起點Gm值22%，18%和25%（見圖3）均對應低滲透性；如果混凝土Gm繼續增大，混凝土滲透性總體呈增長趨勢.因此以SRER 起點為判別點可以避免SRER 內混凝土Gm增加致使其滲透性增加的不利影響.

圖7 透水性與電阻率的關系Fig.7 Water permeability vs electrical resistivity

圖8 透氣性與電阻率的關系Fig.8 Air permeability vs electrical resistivity

圖9 氯離子滲透性與電阻率的關系Fig.9 Chloride ion permeability vs electrical resistivity

綜上，電阻率穩定區間起點映射混凝土低滲透性，驗證了電阻率穩定區間法量化控制混凝土澆筑密實度和澆筑均勻度的有效性.對于3種流態混凝土，依據混凝土滲透性－振搗時間曲線（見圖4～6），在設計振搗時間范圍內（見表2），相比于電阻率穩定區間外部最高值，即澆筑密實度和澆筑均勻度綜合最差狀態，由電阻率穩定區間法得到的混凝土透水性、透氣性和氯離子滲透性分別降低27%～48%，29%～64%和8%～13%.

3.3 抗壓強度

圖10 透水性與粗骨料分層度的關系Fig.10 Water permeability vs separation degree of CA

圖11 透氣性與粗骨料分層度的關系Fig.11 Air permeability vs separation degree of CA

圖12 氯離子滲透性與粗骨料分層度的關系Fig.12 Chloride ion permeability vs separation degree of CA

圖13給出了振搗時間對混凝土抗壓強度的影響.由圖13可知：隨振搗時間延長，混凝土抗壓強度持續增大或持續增大至穩定，振搗時間對混凝土抗壓強度影響曲線無拐點，表明混凝土抗壓強度對過度振搗的敏感性不及混凝土滲透性.圖14，15給出了混凝土抗壓強度與其電阻率、粗骨料分層度的關系.由圖14可以看出，隨混凝土電阻率減小，其抗壓強度逐步增大，電阻率最低值對應抗壓強度最高值.由圖15可見，隨混凝土粗骨料分層度增大，其抗壓強度緩慢增長.對于3種流態混凝土，依據振搗時間對混凝土抗壓強度影響曲線（見圖13），相比于電阻率穩定區間外部最低值（對應最小振搗時間），即澆筑密實度和澆筑均勻度綜合最差狀態，由電阻率穩定區間法得到的塑性、流態和大流態混凝土抗壓強度分別增大12%，9%和6%.由此可見，混凝土滲透性對澆筑密實度和澆筑均勻度變化的敏感性高于抗壓強度，加強澆筑質量控制對結構混凝土耐久性更為重要.

圖13 振搗時間對抗壓強度的影響Fig.13 Effect of vibrating time on compressive strength

3.4 孔結構

振搗時間對混凝土孔結構的影響見表3.由表3可以看出，隨振搗時間延長，混凝土孔隙率（體積分數）、閾值孔徑、宏觀孔（＞500?）體積分數和多害孔（＞2 000?）體積分數均發生變化，表明振搗時間延長，混凝土孔結構發生變化.例如，振搗時間由20s延長至40s，大流態混凝土孔隙率、閾值孔徑和宏觀孔體積分數分別降低6%，20%和12%；振搗時間由40s延長至70s，大流態混凝土多害孔（＞2 000?）增加22%.

圖14 抗壓強度與電阻率的關系Fig.14 Compressive strength vs electrical resistivity

圖15 抗壓強度與粗骨料分層度的關系Fig.15 Compressive strength vs separation degree of CA

表3 混凝土孔結構Table 3 Pore structures of concretes

由于振搗改變了混凝土孔結構，致使混凝土澆筑密實度和澆筑均勻度會影響結構混凝土耐久性.

4 結論

（1）混凝土澆筑密實度和澆筑均勻度均決定于材料流動性和振搗時間，僅依據混凝土流動性難以確定其澆筑密實度和澆筑均勻度，不足以在澆筑期控制結構混凝土耐久性質量.

（2）振搗使澆筑密實度和澆筑均勻度向矛盾方向發展，電阻率穩定區間法可以量化判定混凝土澆筑密實度和澆筑均勻度綜合最優狀態.

（3）混凝土流動性和振搗時間影響其結構耐久性，實質在于混凝土澆筑密實度、澆筑均勻度對其滲透性有一定影響作用.電阻率穩定區間起點映射混凝土低滲透性，可用于控制結構混凝土澆筑質量以提升結構混凝土耐久性.在所設計的混凝土坍落度和振搗時間范圍內，相比于澆筑密實度和澆筑均勻度綜合最差狀態，由電阻率穩定區間法得到的混凝土透水性、透氣性和氯離子滲透性分別降低27%～48%，29%～64%和8%～13%.

（4）相比混凝土抗壓強度，混凝土滲透性對澆筑密實度和澆筑均勻度的變化更為敏感，加強澆筑質量控制對結構混凝土耐久性更為重要.

（5）延長振搗時間，可以改變混凝土孔結構.在澆筑密實后，繼續延長振搗時間對大流態混凝土孔隙率無影響，但是增加了多害孔數量.

［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.CHEN Zhaoyuan.Improving specification towards performance－based concrete［J］.Concrete，2008（2）：1－8.（in Chinese）

［3］吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土［M］.北京：中國鐵道出版社，1999：22－32.WU Zhongwei，LIAN Huizhen.High performance concrete［J］.Beijing：China Railway Publishing House，1999：22－32.（in Chinese）

［4］GONEN T，YAZICIOGLU S.The influence of compaction pores on sorptivity and carbonation of concrete［J］.Construction and Building Materials，2007，21（5）：1040－1045.

［5］CHIDIAC S E，MAADANI O，RAZAQPUR A G，et al.Correlation of rheological properties to durability and strength of hardened concrete［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2003，15（4）：391－399.

［6］田正宏，鄭小偉，宋健大，等.透水模板改善混凝土性能試驗［J］.建筑材料學報，2008，11（2）：172－178.TIAN Zhenghong，ZHENG Xiaowei，SONG Jianda，et al.Performance tests of concrete poured with controlled permeability formwork［J］.Journal of Building Materials，2008，11（2）：172－178.（in Chinese）

［7］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：中國，ZL 2011 1 0119850.X［P］.2012－10－31.Research Institute of Highway，MOT.A test system to measure the consolidation and uniformity of vibrated freshly－casting concrete：China，ZL 2011 1 0119850.X［P］.2012－10－31.（in Chinese）

［8］BASHEER P A M.‘Clam’permeability tests for assessing the durability of concrete［D］.UK：The Queen's University，1991.

［9］FERRARIS C F.Measurement of the rheological properties of high performance concrete：State of the art report［J］.Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology，1999，104（5）：461－477.

［10］WALLEVIK O H，WALLEVIK J E.Rheology as a tool in concrete science：The use of rheographs and workability boxes［J］.Cement and Concrete Research，2011，41（12）：1279－1288.