水泥混凝土施工技術(shù)的實(shí)踐與展望

韓榮金

摘要：近幾年來，高速公路的橋梁結(jié)構(gòu)越來越多，工藝越來越復(fù)雜，水泥混凝土作為橋涵結(jié)構(gòu)的必不可少的組成部分一直受到建設(shè)單位和施工單位的高度重視?，F(xiàn)在的混凝土材料有了巨大發(fā)展，不再是僅僅是由水泥、集料和水構(gòu)成的混合物，還可以是特殊水泥、化學(xué)外加劑、礦物混合料、特殊集料和纖維的組合，滿足工程中的各種需要，尤其是化學(xué)外加劑、鋼纖維混凝土、特殊礦物混合料已用于混凝土當(dāng)中，新型水泥的問世，提高了混凝土的品質(zhì)，強(qiáng)度增長更快，耐久性更好。

關(guān)鍵詞:水泥混凝土 施工技術(shù) 實(shí)踐與展望

1 水泥混凝土的材料

1.1 水泥 水泥是使用最廣泛的混凝土膠凝材料。水泥的化學(xué)成分和物理成分對(duì)混凝土的性質(zhì)有極大影響，起決定作用，包括施工的和易性、強(qiáng)度、收縮、抗?jié)B性能、耐久性、與鋼筋的粘接和對(duì)鋼筋銹蝕等方面?，F(xiàn)在雖然可以通過測試水泥的成分，控制水泥的生產(chǎn)，但水泥與混凝土性質(zhì)之間至今仍無法定量分析，對(duì)于摻外加劑的情況尤其如此。

水泥的主要成分有硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣。水泥的早期強(qiáng)度主要由硅酸三鈣的數(shù)量和活性控制，并通過水泥中的磨細(xì)硫酸鹽（石膏等）數(shù)量控制，硅酸三鈣含量高的水泥具有較快的水化速度，較高的早期強(qiáng)度，但形成的水化物會(huì)顯著抑制后期水化，從而導(dǎo)致某些情況下后期強(qiáng)度偏低。硅酸二鈣含量高的水泥水化速度慢，早期強(qiáng)度低，后期強(qiáng)度高，從而使混凝土更密實(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的最終強(qiáng)度起決定作用。鋁酸三鈣對(duì)水泥的早期強(qiáng)度起一定的作用，但耐化學(xué)侵蝕差，干縮性大。鐵鋁酸四鈣主要對(duì)水泥的抗折強(qiáng)度起主要作用，常用于道路硅酸鹽水泥的生產(chǎn)。

影響水泥的質(zhì)量主要由水泥的細(xì)度、凝結(jié)時(shí)間、安定性和強(qiáng)度決定。凡氧化鎂，三氧化硫、初凝時(shí)間和安定性中任何一項(xiàng)不合格均為廢品，凡細(xì)度、終凝時(shí)間、不溶物和燒失量中任何一項(xiàng)不合格均為不合格品，廢品在工程中嚴(yán)禁使用。

1.2 集料 集料通常占混凝土體積的70%-80%，所以集料的質(zhì)量直接影響混凝土的質(zhì)量。集料主要有粗集料和細(xì)集料之分。集料的級(jí)配、含泥量、強(qiáng)度、堅(jiān)固性、堿活性和有害物質(zhì)含量對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量起非常重要的作用，而級(jí)配的影響極其重要。水泥混凝土采用連續(xù)級(jí)配的集料可以使混凝土更加密實(shí)，和易性更好，不易離析，但比間斷級(jí)配需用的水泥消耗量較多。集料的粒徑越大，所需的水泥漿越少，水灰比也越小，強(qiáng)度則可以提高，但在水泥漿含量大的混凝土中，隨著集料粒徑的增大，水泥漿和集料顆粒之間的膠結(jié)面變小，強(qiáng)度反而會(huì)降低，所以在高強(qiáng)混凝土中，粗集料的最大粒徑一般不大于20mm，細(xì)集料一般以中粗砂為主。目前，質(zhì)量好的集料日益短缺，主要是控制污染、環(huán)保問題等原因限制生產(chǎn)，運(yùn)輸費(fèi)用的上漲等原因造成材料進(jìn)場困難。解決方法主要有采用仍能達(dá)到所需性能要求的邊次集料生產(chǎn)低標(biāo)號(hào)的混凝土，對(duì)質(zhì)量差的集料進(jìn)行篩選，利用和回收再生集料，如

礦渣、工業(yè)尾材等。

1.3 混凝土拌和用水 水是混凝土主要組成材料之一，拌和用水不符合要求會(huì)產(chǎn)生多種病害。水中的氯鹽和硫酸鹽會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)中的鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生銹蝕，從而影響結(jié)構(gòu)物的耐久性和使用壽命。一般符合標(biāo)準(zhǔn)的飲用水可用于混凝土拌制，不需再進(jìn)行檢驗(yàn)，可疑水源的使用前須進(jìn)行檢驗(yàn)和適應(yīng)性驗(yàn)證，合格后方可施工。

1.4 混凝土外加劑 現(xiàn)在混凝土施工中外加劑應(yīng)用越來越廣泛，外加劑可以加快和延緩混凝土的凝結(jié)時(shí)間，減少拌和用水，提高混凝土強(qiáng)度，增加坍落度，節(jié)約水泥用量。外加劑還可以提高混凝土的抗凍性，抗?jié)B性，增加混凝土內(nèi)鋼筋的抗銹蝕能力，減少大體積混凝土的水化熱，抑制混凝土堿骨料反應(yīng)，改善混凝土的各種性能，提高混凝土的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益均有非常大的作用。

外加劑的主要成分有木質(zhì)磺酸素、氯鹽、萘系和萘系磺酸鹽等，根據(jù)不同的作用可分為減水劑、早強(qiáng)劑、緩凝劑、引氣劑、增塑劑、抗凍劑等。

1.5 混凝土摻用礦物混合料 礦物混合料是混凝土的第五組成部分，主要的礦物混合料有磨細(xì)的粉煤灰、高爐礦渣、石英煙塵（如硅粉）等，摻混合料主要考慮經(jīng)濟(jì)方面的原因外，還能改善混凝土的和易性，減少泌水和水化熱，增強(qiáng)混凝土的抗?jié)B性和長期強(qiáng)度。粉煤灰是煤粉爐排出的煙氣中收集到的顆粒粉末，其主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3，含量超過70%。在摻入粉煤灰的混凝土凝結(jié)硬化過程中，水泥熟料礦物的水化反應(yīng)在先，粉煤灰的二次水化反應(yīng)在后，這兩類水化反應(yīng)交替進(jìn)行，生成水化產(chǎn)物，起到致密和益化作用。因此混凝土中摻入粉煤灰可以顯著改善和易性，減少泌水離析，增加密實(shí)性、耐磨性，提高強(qiáng)度，降低施工成本，在泵送混凝土中被普遍采用。同時(shí)，粉煤灰具有緩解性，能降低砼水化熱的釋放，減少砼因表面收縮而引起的網(wǎng)裂、開裂的發(fā)生。高爐礦渣主要用于高強(qiáng)混凝土中。石英粉塵主要用于強(qiáng)度極高的混凝土。

2 混凝土配合比設(shè)計(jì)步驟

2.1 材料選用

2.1.1 根據(jù)水泥混凝土的強(qiáng)度等級(jí)確定材料的質(zhì)量級(jí)別。

2.1.2 對(duì)料源進(jìn)行調(diào)查，符合質(zhì)量要求的材料方可進(jìn)場使用。

2.2 確定試配強(qiáng)度，如現(xiàn)場施工情況與試驗(yàn)室條件差異較大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高試配強(qiáng)度。

2.3 確定水灰比和每立方米的用水量。

2.4 確定砂率和每立方米的材料用量。

2.5 試驗(yàn)室試配調(diào)整配合比，并最終確定施工配合比。

3 混凝土的拌制、運(yùn)輸和澆注和養(yǎng)護(hù)

混凝土的拌和一般采用中心拌和站拌和，當(dāng)工地現(xiàn)場距拌和站較遠(yuǎn)和供料要求不間斷時(shí)必須在工地設(shè)置拌和站。拌和以強(qiáng)制式拌和機(jī)為佳，當(dāng)條件限制也可采用自落式拌和機(jī)和汽車式拌和運(yùn)輸車進(jìn)行。拌和方法采用二次投料能夠明顯改善混凝土的強(qiáng)度，提高混凝土的均勻性。

混凝土的運(yùn)輸近距離可采用泵送法，距離較遠(yuǎn)的采用運(yùn)輸車運(yùn)輸，運(yùn)輸時(shí)間極為關(guān)鍵?？梢圆捎孟雀砂瑁\(yùn)輸至工地再拌和等方法提高混凝土的可運(yùn)輸性能。無論拌和、運(yùn)輸采用何種方法，水灰比不變是關(guān)鍵，這是決定混凝土強(qiáng)度和耐久性的主要因素。

混凝土的澆注過程中的振搗十分重要，如控制不好會(huì)影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，外觀出現(xiàn)蜂窩和麻面、混凝土分層、色差等缺陷，所以要特別注意振搗器的作用范圍，控制振搗時(shí)間，以防過振和漏振。

混凝土澆注完成后，混凝土的養(yǎng)生極為關(guān)鍵。由于硬化是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)過程，必須保持7天以上的較高濕度和適當(dāng)溫度養(yǎng)生，值得注意的是高溫有助于加速硬化，但適當(dāng)?shù)臏囟雀欣陂L期的強(qiáng)度增長。

4 混凝土新技術(shù)和新工藝

4.1 高強(qiáng)混凝土和高性能混凝土 采用硅酸鹽水泥、高效減水劑、集料和一定數(shù)量的混合材料，針對(duì)結(jié)構(gòu)所要求的耐久性與力學(xué)性能來設(shè)計(jì)混凝土，科學(xué)地選擇組成材料與配合比，再通過良好地拌制、澆搗和養(yǎng)護(hù)質(zhì)量控制，獲得所要求的高強(qiáng)度、高性能混凝土。

高強(qiáng)度高性能混凝土不同于普通的混凝土，一般C55及C55以上的混凝土屬于高強(qiáng)混凝土。由于高強(qiáng)度構(gòu)件的斷面狹小，鋼筋密集，要求混凝土必須要有很好的施工和易性、工作性和實(shí)用性，符合高性能混凝土的質(zhì)量要求，即high performance concrete,簡稱HPC。它是滿足特殊性能且均勻致密的高質(zhì)量混凝土，具有以下性能：HPC的拌合物能夠在自重的作用下無需震搗可自動(dòng)填充模板的各個(gè)角落并形成密實(shí)的混凝土，在凝結(jié)硬化的初期混凝土內(nèi)部不存在或者存在極少因水化反應(yīng)和干燥引起的微裂縫，混凝土硬化后要有足夠的強(qiáng)度和耐久性，能抵抗各種腐蝕有害氣體、某些鹽類溶液的侵蝕。高性能混凝土是一種新型高技術(shù)混凝土，是在大幅度提高普通混凝土的性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的混凝土，是以耐久性和工作性作為設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)，針對(duì)不同的用途要求，對(duì)下列性能有重點(diǎn)的予以保證：即耐久性、施工性、適用性、強(qiáng)度、彈性模量、體積安定性和經(jīng)濟(jì)性，以較低的水泥用量，較多的礦物摻合料用量，強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足要求的混凝土。以較低的水膠比，充分利用工業(yè)廢料，減少環(huán)境污染的通同時(shí)提高混凝土的密實(shí)性、抗裂性、抗化學(xué)腐蝕性和工作性，從而為某些工程100年以上使用壽命的特殊要求提供可能。

配合比設(shè)計(jì)是HPC制備技術(shù)的關(guān)鍵。HPC配合比設(shè)計(jì)不同于普通混凝土配合比設(shè)計(jì)，不是簡單的以抗壓強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)指標(biāo)的混凝土，也不是只要有配合比就能生產(chǎn)的，而是包括原材料的選擇與控制，拌合物生產(chǎn)制備和整個(gè)施工過程中良好的質(zhì)量控制來實(shí)現(xiàn)的。其配合比設(shè)計(jì)應(yīng)以安全、經(jīng)濟(jì)、合理為原則，以耐久性、工作性、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)等綜合考慮和分析影響HPC性能與配合比參數(shù)的因數(shù)來確定其配合比。混凝土原材料性能對(duì)混凝土的各項(xiàng)性能包括工作性、施工性能、力學(xué)性能、耐久性均有很大影響。如混凝土的拌合物流動(dòng)性主要與集料最大粒徑、表面狀況，砂率、粗細(xì)集料的級(jí)配情況以及摻配比例、用水量、減水劑及礦料摻合料的種類和用量有關(guān)。拌合物的離析主要和集料的最大粒徑、砂率、集料的級(jí)配情況以及水泥的種類有關(guān)?；炷恋膹?qiáng)度與水泥的強(qiáng)度、水泥的用量、水灰比、砂漿余量、減水劑用量有關(guān)。有研究表明：原材料的加料順序、拌合時(shí)間等制備方法對(duì)HPC的工作性能甚至力學(xué)性能都有一定的影響。當(dāng)首先攪拌均勻膠凝材料和部分減水劑和水，然后再加入粗細(xì)集料和剩余的減水劑和水得到的HPC的性能最優(yōu)。為保證混凝土的耐久性，必須摻加一定數(shù)量的優(yōu)質(zhì)活性摻合料和外加劑。高效減水劑和優(yōu)質(zhì)活性摻合料已經(jīng)成為HPC必不可少的組成部分。如對(duì)混凝土的性能還有其它的特殊要求，就必須針對(duì)其特殊性能添加其它的活性摻合料。因此，HPC制備的特點(diǎn)是低水膠比，選用優(yōu)質(zhì)的原材料，同時(shí)必須摻一定數(shù)量的礦物摻合料和高效減水劑才能滿足要求。

4.2 高分子聚合物混凝土 高分子聚合物混凝土是在水泥漿中加入大量的水溶性的高分子聚合物，采用高剪力攪拌，產(chǎn)生水泥團(tuán)，然后經(jīng)兩個(gè)壓輥壓擠出空氣，形成密實(shí)的薄板，這種薄板可以制成任何形狀，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)200Mpa以上，抗折強(qiáng)度可達(dá)100Mpa以上，如果近一步精加工，可以使其強(qiáng)度提高一倍，目前尚未正式使用。如加入不同種類的纖維，可擴(kuò)大其用途，甚至可以替代鋼橋中的鋼材。

4.3 均勻排列超細(xì)顆?；炷?均勻排列超細(xì)顆?；炷林饕煞质枪杷猁}水泥，摻入大量微粒硅石，以及高效超塑化劑，保證硅酸鹽水泥和微粒硅石之間不產(chǎn)生散凝作用，這種產(chǎn)品加入纖維和填料，可制C80以上強(qiáng)度極高的混凝土。

4.4 噴射混凝土 噴射混凝土要求噴射出的混凝土快速凝固，一般用調(diào)凝水泥拌制。調(diào)凝水泥是適當(dāng)比例的氟鋁酸鹽熟料與普通硅酸鹽水泥熟料和石膏一起混合，成品水泥中有20%-25%的硫酸鈣，摻入緩凝劑，這種水泥的凝結(jié)時(shí)間可在2min-30min調(diào)節(jié)。用調(diào)凝水泥摻入緩凝劑可控制混凝土的凝結(jié)時(shí)間，提高混凝土的早期強(qiáng)度。

4.5 鋼纖維混凝土 鋼纖維混凝土能夠增強(qiáng)混凝土的抗彎拉性能，提高抗裂性和強(qiáng)度，增強(qiáng)抗剪性能，提高混凝土的延度、抗沖擊，延長混凝土的使用壽命。

4.6 輕質(zhì)混凝土 橋梁上部結(jié)構(gòu)混凝土除高耐久性與高強(qiáng)度要求外，又增加了輕質(zhì)的要求，因?yàn)闃蛄荷喜拷Y(jié)構(gòu)使用輕質(zhì)混凝土，橋梁自重減輕了，可以降低橋梁下部結(jié)構(gòu)的成本，輕質(zhì)高強(qiáng)混凝土在已經(jīng)一些工程中得到應(yīng)用。

5 再生混凝土技術(shù)與環(huán)境保護(hù)

隨著混凝土應(yīng)用越來越多，混凝土工程與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾也越來越突出。除了采用散裝水泥外，工程的副產(chǎn)品和構(gòu)造物拆除廢棄的混凝土再生也成為一個(gè)重要的研究課題?；炷猎偕夹g(shù)不僅解決了環(huán)保問題，還解決集料短缺等問題，節(jié)約材料運(yùn)輸費(fèi)用和工程成本。目前國外已經(jīng)開始運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)對(duì)廢棄混凝土進(jìn)行處理。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，再生混凝土也會(huì)越來越多地運(yùn)用到工程中去。

6 結(jié)語

目前，混凝土的新材料、新工藝研究一直在深入發(fā)展，各種新型水泥、外加劑、聚合物、礦質(zhì)混合料和預(yù)應(yīng)力技術(shù)的研發(fā)，對(duì)提高混凝土的各項(xiàng)性能，節(jié)約工程成本起了非常重要的作用，混凝土的應(yīng)用也更加廣泛。