內(nèi)蒙古干燥大溫差條件下混凝土質(zhì)量超前評估與控制技術(shù)

王 驍，馬天麗，傅燕峰

(1.長安大學;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)交通運輸廳;3.赤峰市公路管理處;4.內(nèi)蒙古自治區(qū)公路局)

內(nèi)蒙古干燥大溫差條件下混凝土質(zhì)量超前評估與控制技術(shù)

王 驍1，2，馬天麗3，傅燕峰4

(1.長安大學;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)交通運輸廳;3.赤峰市公路管理處;4.內(nèi)蒙古自治區(qū)公路局)

針對內(nèi)蒙古地區(qū)的氣候特點，采用國內(nèi)外先進的檢測試驗技術(shù)，對混凝土材料和結(jié)構(gòu)的質(zhì)量加以控制。快速檢測和超前預測混凝土性能，及時反饋并采取相應措施。深入研究干燥大溫差氣候下，混凝土結(jié)構(gòu)劣化的機理。以耐久性為目標優(yōu)化混凝土材料的設計，有效地保證混凝土材料與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

混凝土;超前;評估;技術(shù)

內(nèi)蒙古自治區(qū)省際通道支線赤峰至通遼至魯北公路全長515.09 km，其中高速公路 351.92 km，一級公路163.17 km，連接線全長125.923 km。由于公路沿線多軟基、低洼地以及河流，所以整條公路依靠數(shù)十座混凝土結(jié)構(gòu)橋梁連接。據(jù)粗略統(tǒng)計，長度在60 m以上的橋梁總長達到8 750 m以上。如果考慮小型橋涵和互通立交橋，那么混凝土結(jié)構(gòu)在整個道路工程中占有相當大的比例。

此外，內(nèi)蒙古省際通道支線赤峰至通遼高速公路和通遼至魯北一級公路沿線地處北溫帶大陸性半干旱季風氣候區(qū)，四季分明。春季干旱多風，夏季炎熱多雨，秋季少雨涼爽，冬季干冷漫長。沿線氣候特點是干燥、寒冷、大溫差和大風沙，這種氣候給混凝土材料的質(zhì)量和混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性帶來了嚴峻的考驗。

由于內(nèi)蒙古氣候多變，給路橋結(jié)構(gòu)的設計、建設和養(yǎng)護帶來一系列問題，其中主要影響之一表現(xiàn)在混凝土結(jié)構(gòu)在復雜氣候環(huán)境下發(fā)生開裂，在侵蝕性介質(zhì)作用下發(fā)生剝落和破損。由于溫度和濕度變化頻繁，日溫差大，給混凝土結(jié)構(gòu)造成嚴重危害?；炷两Y(jié)構(gòu)裂縫、剝落、鋼筋銹蝕等病害已經(jīng)成為影響內(nèi)蒙古公路橋梁工程質(zhì)量和使用壽命以及影響行車安全的重要因素。

綜合以上種種因素，由于混凝土結(jié)構(gòu)在整個建設工程中所占比例較大、混凝土結(jié)構(gòu)處于惡劣的具有破壞性的環(huán)境條件，因此，混凝土材料的質(zhì)量不僅關(guān)系到道路、橋梁建設的順利進行，也關(guān)系到沿線混凝土結(jié)構(gòu)的長期安全運行，所以，搞好混凝土質(zhì)量控制是十分必要的，具有重要的意義。

研究擬針對內(nèi)蒙古地區(qū)的氣候特點，采用國內(nèi)外先進的檢測試驗技術(shù)，對混凝土材料和結(jié)構(gòu)的質(zhì)量加以控制?？焖贆z測和超前預測混凝土性能，及時反饋并采取相應措施。深入研究干燥大溫差氣候下，混凝土結(jié)構(gòu)劣化的機理。以耐久性為目標優(yōu)化混凝土材料的設計，有效地保證混凝土材料與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

1 超前評估與控制的基本流程

新拌混凝土性能的快速評估系統(tǒng)是以無損檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，在現(xiàn)場控制新拌混凝土的質(zhì)量，并監(jiān)控混凝土的硬化過程，預測混凝土的后期性能，是一種以預控為主的混凝土質(zhì)量控制系統(tǒng)。圖1為新拌混凝土性能的快速評估系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示意圖。

2 評估系統(tǒng)組成與要求

在本項目中，新拌混凝土性能的快速評估系統(tǒng)要求通過采取一定的技術(shù)手段獲得新拌混凝土的水灰比、單位水泥用量、坍落度、等效齡期等若干初始性能指標，利用這些初始性能與長期性能(如強度等)之間的相關(guān)性，準確預測混凝土材料或結(jié)構(gòu)在某一特定時間的行為。綜合分析相關(guān)指標后，對預測的結(jié)果及時進行反饋，適時了解并調(diào)整混凝土材料的組成和工藝措施，以便使混凝土材料和結(jié)構(gòu)的性能在規(guī)定的齡期達到設計要求。

圖1 新拌混凝土性能快速評估系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示意圖

因此，根據(jù)項目研究的需要，購入了一批國際先進的檢測儀器，并綜合考慮各種儀器具有的不同功能，從功能互補的角度出發(fā)，建立了一套新拌混凝土性能的快速評估系統(tǒng)，為實現(xiàn)快速、準確的混凝土材料質(zhì)量超前控制提供了技術(shù)保障。

這系統(tǒng)包括的儀器設備主要有新拌混凝土成份分析儀(W-Checker)，MIC-138-1-02，日本圓井工業(yè)株式會社;新拌混凝土快速測定儀(Fresh Concrete Tester)，F(xiàn)CT101-SL，英國Colebrang公司;混凝土成熟度測定儀(Maturity Meter)，M-3056，美國James公司;探地雷達系統(tǒng)，SIR-3000型，美國GSSI公司生產(chǎn);其它常用的混凝土材料試驗儀器設備。

3 現(xiàn)場測試方法

3.1 W-Checker操作流程

在水泥混凝土攪拌現(xiàn)場取樣，用新拌混凝土成份分析儀(W-Checker)可在幾分鐘內(nèi)測定出該批混凝土的含氣量、單位容積的質(zhì)量，進而可算出該批混凝土單位含水量、單位水泥量、水灰比共5項指標，用于對施工混凝土配合比的現(xiàn)場復核。此外，該儀器還可用于粗、細骨料密度的測定，測定結(jié)果可以直接顯示在電腦上。

在現(xiàn)場，按測定新拌混凝土含氣量的方法將試料裝入計量缽，測定出含氣量及單位容積重量，算出單位水量、單位水泥量及水灰比。測定結(jié)果由超短波無線電傳送至數(shù)據(jù)接收器自動記錄并進行數(shù)據(jù)處理，連接電腦顯示測定結(jié)果。數(shù)據(jù)接收器可將測定結(jié)果以紅外線傳送方式至打印機打印。儀器測試流程如圖2。

圖2 W-Checker測試流程圖

3.2 FCT操作流程

(1)FCTM值的測量。

每種混凝土按配合比攪拌均勻后，先將FCT101-SL的主機探頭空轉(zhuǎn)進行校正，然后將探頭插入新拌混凝土中約8 cm左右的深度，啟動開關(guān)后，探頭在混凝土中旋轉(zhuǎn)8 s后停止。因為探頭受到混凝土的阻力作用，會得到一個相應的FCT值，同一批混凝土只要測試10個點得出一個FCT平均值即可(用FCTM表示)。

(2)調(diào)出標定號，獲得測試值。

在確定了該批混凝土的標定號后，對于同批次的同種混凝土，便可以直接從儀器中調(diào)出標定號，從而獲得該批混凝土的一系列有關(guān)性能參數(shù)，如坍落度，水灰比，28 d抗壓強度。

4 結(jié)果分析與評價

4.1 W-Checker測試結(jié)果分析

從測試結(jié)果中分別選取單位水泥量、水灰比、單位水量、單位容積質(zhì)量這幾個數(shù)據(jù)指標進行處理和分析。首先將儀器測定值與原配合比設計值分別進行對比，計算相對誤差(相對誤差=(實測值-設計值)/設計值×100)，以相對誤差作為主要考察指標，通過對比，分析新拌混凝土組分的波動情況并將處理結(jié)果通過圖表的形式直觀的表現(xiàn)出來。對照圖表，我們可以對混凝土的質(zhì)量作出相應的評估。結(jié)果如下。

(1)單位水泥量的分析。

圖3為單位水泥量相對誤差分析圖。由圖3可見，與設計配合比相比較，實際測得單位水泥量的相對誤差大多處在±5%的范圍內(nèi)，極少數(shù)相對誤差超過10%。這一結(jié)果表明，新拌混凝土中水泥組分的量總體比較穩(wěn)定，與設計的配合比符合較好。

圖3 單位水泥量相對誤差分析

(2)單位水量與水灰比分析。

由于新拌混凝土單位水泥量組分穩(wěn)定，因此，影響新拌混凝土水灰比的主要因素即為單位水量的大小，所以兩者可以做比較分析。圖4和圖5分別為單位水量和水灰比相對誤差分析圖。圖5顯示，實際新拌混凝土的單位水量相對誤差呈散布狀分布，只有部分集中在±10%的范圍內(nèi)，有相當一部分在±20%的范圍以外，個別相對誤差甚至達到30%以上。單位水量相對誤差值表明新拌混凝土水量組分已經(jīng)比較嚴重的偏離設計配合比的值。誤差點呈散布狀分布表明單位水量存在不穩(wěn)定異動。由此導致的直接后果就是新拌混凝土水灰比的異常變動。如圖5所示。水灰比相對誤差點亦呈散布狀分布，且部分已經(jīng)較嚴重偏離設計水灰比值，這與單位水量的異變情況一致。表明實際所配的新拌混凝土中，存在水灰比普遍偏高的現(xiàn)象。因此可以說，對新拌混凝土中單位水量的適當調(diào)控是穩(wěn)定水灰比的關(guān)鍵所在。

圖4 單位水量相對誤差圖

圖5 水灰比相對誤差分析圖

(3)單位容積質(zhì)量的分析。

單位容積質(zhì)量反映了單位體積內(nèi)新拌混凝土各組分的總重量，質(zhì)量合格的混凝土其容重應該符合設計配合比，并能保持相對穩(wěn)定。圖6顯示實際新拌混凝土單位容積質(zhì)量的相對誤差情況。圖中顯示，相對誤差點大多集中在±5%的范圍內(nèi)，說明實際新拌混凝土容重基本符合設計配合比，質(zhì)量穩(wěn)定。

圖6 容重相對誤差分析圖

(4)新拌混凝土含氣量測定氣體含量是反映新拌混凝土組分的一個重要指標。合理的含氣量，對于形成良好的硬化混凝土的微觀結(jié)構(gòu)、提高混凝土的耐久性能有著重要作用。圖7是含氣量的測試結(jié)果。由圖所示，含氣量基本穩(wěn)定在1%以內(nèi)。

通過以上對單位水泥量、水灰比、單位水量、單位容積質(zhì)量幾個指標的相對誤差分析，可以對實際新拌混凝土的質(zhì)量作出評估，并結(jié)合現(xiàn)場的實際情況，對原因做深入分析。

①從圖8的分析可知，實測新拌混凝土中水泥組分的量比較穩(wěn)定，與設計配合比的量比較吻合。這說明實際施工中，施工方為了保證混凝土的強度和質(zhì)量，對單位水泥量控制得比較好。

圖7 含氣量測定值

②水灰比是衡量新拌混凝土質(zhì)量的一個重要指標。從分析的結(jié)果來看，實際新拌混凝土普遍存在水灰比偏低的現(xiàn)象，也有部分新拌混凝土水灰比偏高，而且，從圖8和9的分析可知，在單位水泥量相對穩(wěn)定的情況下，水灰比的偏低或者偏高很大程度上是由單位水量的偏低或者偏高引起的。這些現(xiàn)象與現(xiàn)場的環(huán)境條件和施工情況緊密相連。一方面，施工現(xiàn)場氣溫高，相對濕度小，新拌混凝土水分散失快，剛拌制好的混凝土從攪拌機中出來，水分便開始蒸發(fā)，這樣直接導致測試過程中，新拌混凝土的實際水量變小，測得的單位水量和水灰比變小。另一方面，水灰比的偏大也正是由于水分蒸發(fā)較快的原因，某些施工方為了保證或者提高新拌混凝土的工作性，人為加大用水量，這樣直接導致測得的結(jié)果偏大，而且額外的用水量會大大降低混凝土的性能，對質(zhì)量造成較大影響。再則，部分施工單位為了提高模板周轉(zhuǎn)周期，縮短工期，大量使用早強水泥，早強水泥在細度上更細，早期水化速度更快，因而早期水泥水化的用水量增大，導致自由水量較小，坍落度損失增大，加之混凝土攪拌站距離部分施工現(xiàn)場距離較遠，施工方也出于此原因，人為加大了用水量來維持坍落度。

③從測得的數(shù)據(jù)來看，單位容積質(zhì)量大多能夠符合設計值的。相對誤差能夠控制在合理的范圍內(nèi)。但是，還要進一步提高計量的準確性，使單位容積質(zhì)量能保持穩(wěn)定，避免不正常變動。新拌混凝土含氣量的控制效果也比較好，大都能控制在1%以內(nèi)。

④綜合上述結(jié)果可以看出：對新拌混凝土的監(jiān)測結(jié)果中問題最大，偏差最大的當屬單位用水量和水灰比，且兩者聯(lián)系密切。其原因主要有兩方面，a客觀因素，即干燥大溫差氣候條件。b主觀因素，即人為加大用水量。因而可以認為，混凝土質(zhì)量的超前控制在內(nèi)蒙古地區(qū)的特定氣候條件下顯得非常重要，不僅在監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)了不少可能對質(zhì)量造成影響的問題，而且對后期針對問題采取的措施具有非常重要的指導意義。

4.2 FCT測試結(jié)果分析

使用FCT對新拌混凝土的性能進行預測，可以及早對新拌混凝土的質(zhì)量開展預控。通過測試，實測值和設計值之間存在一定的關(guān)系，利用數(shù)學手段尋求兩者之間的關(guān)系，建立初步的預測模型。在本研究中，選取一部分實測值和設計值，通過相關(guān)軟件繪出數(shù)學關(guān)系圖，并找到與之對應的數(shù)學方程。如圖8，9，10所示分別為坍落度、水灰比、28 d強度的數(shù)學模擬方程。

由以上三圖的分析，建立了初步的預測方程。其中，方程反映了實測值和預測值之間的關(guān)系，而R2則反映了兩者之間的擬合程度。對比R2可知，坍落度、水灰比以及28 d強度預測方程擬合度均未達到0.9以上，說明干燥大溫差條件下新拌混凝土的性能預測存在偏差，其中水灰比的擬合度最小，只有0.6139，其原因可能有以下兩方面：(1)干燥條件下，水分蒸發(fā)較快，測試過程中因水量的蒸發(fā)造成水灰比減小，測試過程中促使水灰比變小小，而這種情況也占了現(xiàn)場監(jiān)測的大部分。(2)由于水分蒸發(fā)會造成新拌混凝土工作性變差，而施工方為了保持混凝土的工作性，人為加大用水量，造成水灰比變大。

圖8 坍落度預測數(shù)學方程

圖9 水灰比預測數(shù)學方程

圖10 28 d強度預測數(shù)學方程

5 結(jié)論

在調(diào)整配合比的基礎(chǔ)上，將預測數(shù)學方程由一元線性方程修改為二元多項式方程進行預測，大大提高了預測的準確性，相關(guān)系數(shù)均提高為0.9804、0.9785、0.966，均在0.96之上，可以認為在適當調(diào)整配合比，改變數(shù)學方程建立模型以后，基本滿足內(nèi)蒙古特定干燥大溫差條件混凝土質(zhì)量超前控制的要求。

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1008-3383(2012)11-0055-03

2012-06-12