關(guān)于特大橋混凝土質(zhì)量系統(tǒng)控制的思考

王俊如，王瑞燕

(1重慶城建控股(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶 400013；2重慶交通大學(xué) 土木學(xué)院，重慶 400074)

引言

重慶既是山城，也是江城，橋梁對(duì)跨越山水起著重要作用。主城嘉陵江和長(zhǎng)江上已建、在建和擬建特大橋數(shù)十座，重慶也因此成為中國(guó)的橋都。然而近年來(lái)特大橋施工過(guò)程中屢屢出現(xiàn)的裂縫問(wèn)題引起了建設(shè)各方對(duì)混凝土及其性能與橋梁結(jié)構(gòu)匹配性的高度關(guān)注。從系統(tǒng)的角度控制混凝土質(zhì)量，保證混凝土品質(zhì)與特大橋結(jié)構(gòu)的匹配性，降低混凝土開(kāi)裂敏感性，對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性、安全性具有重要意義[1]。

1 特大橋?qū)炷列阅艿囊?/h2>

隨著特大橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承載力提高，設(shè)計(jì)跨度增加，加之橋梁景觀(guān)設(shè)計(jì)的要求也越來(lái)越高，橋梁的結(jié)構(gòu)形式及內(nèi)部應(yīng)力體系日趨復(fù)雜，結(jié)構(gòu)斷面尺寸更多地表現(xiàn)出大體積特征?；炷恋脑缙谒艧帷?qiáng)度發(fā)展過(guò)程、變形等對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的早期開(kāi)裂、耐久性等都將產(chǎn)生重要的影響；同時(shí)，環(huán)境條件的惡化也對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生不利的影響，這就對(duì)用于橋梁結(jié)構(gòu)的混凝土材料的技術(shù)性能提出了更高的要求。用于特大橋的混凝土，應(yīng)根據(jù)不同結(jié)構(gòu)部位及施工工藝等，對(duì)混凝土拌和物工作性能、力學(xué)性能（特別是長(zhǎng)期強(qiáng)度）、耐久性、體積穩(wěn)定性、開(kāi)裂敏感性等有重點(diǎn)地予以設(shè)計(jì)和保證。

2 混凝土在特大橋結(jié)構(gòu)應(yīng)用中存在的主要問(wèn)題

近年來(lái)，特大橋混凝土結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)裂的現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮，如何從系統(tǒng)的角度提高混凝土與橋梁結(jié)構(gòu)的匹配性，需要設(shè)計(jì)、施工、混凝土生產(chǎn)企業(yè)乃至水泥及外加劑等生產(chǎn)企業(yè)各環(huán)節(jié)共同關(guān)注。就混凝土材料而言，在特大型橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中存在的問(wèn)題主要有以下幾方面。

2.1 水泥品質(zhì)與特大橋結(jié)構(gòu)混凝土品質(zhì)及施工要求匹配性不佳

作為混凝土的重要組成材料，水泥的品質(zhì)與混凝土綜合技術(shù)性能有著密切的關(guān)聯(lián)性。我國(guó)建國(guó)以來(lái)對(duì)水泥標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了4次修訂，修訂的過(guò)程也反映了水泥品質(zhì)的變化過(guò)程。水泥品質(zhì)變化的趨勢(shì)是:水泥熟料中早強(qiáng)成分C3S、C3A增多，水泥細(xì)度進(jìn)一步增大。

圖1 水泥細(xì)度對(duì)水泥與減水劑相容性的影響[2]

圖2 水泥細(xì)度對(duì)水泥開(kāi)裂敏感性的影響[2]

圖3 水泥細(xì)度及礦物組成對(duì)混凝土長(zhǎng)期發(fā)展的影響[2]

圖1結(jié)果表明，水泥的細(xì)度增大，水泥與減水劑的相容性降低；圖2結(jié)果表明，水泥細(xì)度增大，水泥開(kāi)裂敏感性隨之增大；圖3結(jié)果表明，水泥細(xì)度增大，水泥中早強(qiáng)成分增加，混凝土早期強(qiáng)度高，但后期強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，甚至出現(xiàn)后期強(qiáng)度衰退。

在目前的市場(chǎng)條件下，混凝土生產(chǎn)及橋梁施工各方對(duì)水泥的選擇是被動(dòng)的，甚至建設(shè)各方常常忽略水泥品質(zhì)對(duì)混凝土性能的影響，在施工過(guò)程中一旦出現(xiàn)開(kāi)裂等問(wèn)題，都習(xí)慣性地從外加劑、混凝土配合比、攪拌站、施工方等找原因。事實(shí)上，水泥品質(zhì)與混凝土生產(chǎn)、施工的適應(yīng)性對(duì)特大橋結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的影響非常大。我國(guó)現(xiàn)行通用硅酸鹽水泥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水泥細(xì)度、早期強(qiáng)度等指標(biāo)只有下限要求，但無(wú)上限控制，導(dǎo)致普通型和早強(qiáng)型水泥在性能上基本沒(méi)有實(shí)質(zhì)區(qū)別，市場(chǎng)供應(yīng)的水泥以早強(qiáng)型水泥為主。水泥品質(zhì)的變化趨勢(shì)，導(dǎo)致水泥品質(zhì)與特大橋混凝土的高性能匹配性不佳，這在很大程度上影響了混凝土品質(zhì)與特大橋工程結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，這也是造成目前特大橋結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中開(kāi)裂的重要原因之一。國(guó)內(nèi)外大量研究結(jié)果表明，近年來(lái)結(jié)構(gòu)不斷增多的早期開(kāi)裂和過(guò)早劣化現(xiàn)象與水泥品質(zhì)變化趨勢(shì)有關(guān)。

2.2 活性摻和料的影響

特大橋結(jié)構(gòu)普遍采用高性能混凝土，泵送施工。以目前的技術(shù)條件，實(shí)現(xiàn)混凝土高性能的技術(shù)措施是雙摻技術(shù)，即大摻量的活性摻和料（或復(fù)合摻和料）和高效外加劑。通過(guò)高效外加劑改變混凝土拌和物的流變性能，降低水膠比；通過(guò)摻入大摻量礦物摻和料改變水化產(chǎn)物組成以提高耐久性。雙摻技術(shù)在對(duì)混凝土性能有益改善的同時(shí)，也帶來(lái)一些負(fù)面的問(wèn)題:（a）組分多，摻和料本身的質(zhì)量波動(dòng)，增加了施工過(guò)程控制難度；（b）若混凝土攪拌時(shí)間不夠，存在拌和物勻質(zhì)性問(wèn)題；（c）大摻量礦物摻和料使膠凝材料中SO3不足而引起凝結(jié)過(guò)程變化、體積不穩(wěn)定等的問(wèn)題。

圖4 SO3含量對(duì)砂漿體積穩(wěn)定性的影響

圖4表明，在砂漿/混凝土中摻入大摻量活性摻和料（圖4膠凝材料中礦渣和粉煤灰總摻量為40%），應(yīng)對(duì)膠凝材料體系中的SO3進(jìn)行優(yōu)化以提高體積穩(wěn)定性。

2.3 集料質(zhì)量對(duì)混凝土性能的影響

混凝土中用量最多的原材料是集料，集料在混凝土中的重要作用是穩(wěn)定體積。由于國(guó)內(nèi)大多數(shù)砂石生產(chǎn)企業(yè)不執(zhí)行砂石標(biāo)準(zhǔn)，也無(wú)人監(jiān)管砂石質(zhì)量，相關(guān)工程技術(shù)人員對(duì)砂石材料在混凝土中的重要作用認(rèn)識(shí)不夠，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)的集料普遍粒形差、級(jí)配不良、空隙率高、含泥含粉量較大。集料質(zhì)量的這種差異導(dǎo)致我國(guó)混凝土中的水泥用量和拌和水用量比發(fā)達(dá)國(guó)家至少多用20%以上[3]，集漿比減小也使混凝土體積穩(wěn)定性變差，開(kāi)裂敏感性高；這也是導(dǎo)致特大橋混凝土施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的重要原因。

圖5 集料體積含量對(duì)混凝土收縮的影響

從圖5可以看出，混凝土中集料體積含量增大，混凝土收縮值減小，體積穩(wěn)定性提高。

圖6 砂率對(duì)混凝土斷裂能的影響

圖7 砂率對(duì)混凝土斷裂韌度的影響

圖6、圖7表明，提高混凝土中粗集料的體積含量，由于粗集料的橋鎖作用，有利于提高混凝土的斷裂能和斷裂韌度，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中裂縫的發(fā)展具有阻裂作用。

因此，對(duì)用于特大橋混凝土中的集料，應(yīng)保證其具有良好的粒形和級(jí)配，從而降低混凝土中膠凝料用量，降低漿集比，降低混凝土開(kāi)裂傾向，提高混凝土抗裂性能。

2.4 商品混凝土交付驗(yàn)收問(wèn)題

特大橋梁結(jié)構(gòu)中普遍使用商品混凝土，這就將混凝土的生產(chǎn)和施工人為地分成了兩個(gè)控制節(jié)段。商品混凝土一般以拌和物工作性和28d強(qiáng)度為交付和驗(yàn)收指標(biāo)，而僅這兩方面的技術(shù)要求，滿(mǎn)足不了現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)混凝土在橋梁結(jié)構(gòu)中的行為控制。一但結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫等問(wèn)題，誰(shuí)更應(yīng)該為工程質(zhì)量負(fù)責(zé)成為一個(gè)無(wú)法進(jìn)行責(zé)任劃分的難題。

3 特大橋混凝土質(zhì)量的系統(tǒng)控制

混凝土的性能是混凝土在具體工程中表現(xiàn)出的行為，對(duì)工程特點(diǎn)和服役環(huán)境具有很強(qiáng)的針對(duì)性。混凝土的高性能不是只要有配合比就能生產(chǎn)出來(lái)的，而是由包括原材料控制、拌和物生產(chǎn)制備、設(shè)計(jì)、施工全過(guò)程控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，需要從設(shè)計(jì)、施工、混凝土攪拌站及各原材料生產(chǎn)等整個(gè)工程所有環(huán)節(jié)系統(tǒng)控制才能保證。就混凝土材料而言，為保證混凝土具有與特大橋結(jié)構(gòu)相匹配的技術(shù)性能，應(yīng)從嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量出發(fā)，確保混凝土配合比參數(shù)滿(mǎn)足高性能混凝土設(shè)計(jì)參數(shù)要求，從而實(shí)現(xiàn)特大橋混凝土質(zhì)量的系統(tǒng)控制。

（1）用于特大橋的水泥，在滿(mǎn)足現(xiàn)行《通用硅酸鹽水泥》GB175-2007國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)前提下，建議細(xì)度不大于350m2/kg，熟料中C3S含量不大于55%、C3A含量不大于8%。配制特大橋C50、C60混凝土?xí)r，優(yōu)先選擇P.O42.5等級(jí)水泥。必要的時(shí)候應(yīng)對(duì)用于特大橋水泥的早期強(qiáng)度上限、水化熱等提出明確的要求[4]。

（2）水泥中的堿含量控制不僅是為了預(yù)防混凝土堿-集料反應(yīng)，同時(shí)堿含量會(huì)影響混凝土開(kāi)裂敏感性，低堿含量的水泥其開(kāi)裂敏感性小。用于特大橋的水泥，堿含量（以Na2O計(jì)）不大于0.6%。

（3）用于特大橋的水泥，在現(xiàn)行水泥國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，應(yīng)對(duì)其與外加劑相容性、開(kāi)裂敏感性等進(jìn)行檢驗(yàn)和控制。

（4）摻入較大摻量活性摻和料配制特大橋高性能混凝土?xí)r，應(yīng)同時(shí)考慮摻和料的大量摻入對(duì)膠凝材料體系中SO3的稀釋作用及由此產(chǎn)生的對(duì)混凝土拌和物凝時(shí)間、體積穩(wěn)定性的影響。膠凝材料體系中的SO3含量應(yīng)與C3A含量、堿含量相匹配。

（5）集料作為混凝土的重要組成材料，對(duì)混凝土的體積穩(wěn)定性有重要作用，同時(shí)集料的橋鎖作用對(duì)提高混凝土的斷裂韌度、阻止微裂縫的發(fā)展有重要作用。用于特大橋混凝土的集料應(yīng)選用級(jí)配、粒形良好的堅(jiān)潔集料。在滿(mǎn)足砂石材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，用于特大橋的粗集料，松裝空隙率不宜大于42%，以保證特大橋混凝土中漿集比不大于35:65，砂率不大于45%，從而保證特大橋高性能混凝土的體積穩(wěn)定性等與結(jié)構(gòu)相匹配的綜合技術(shù)性能。

（6）對(duì)商品混凝土的驗(yàn)收，僅按混凝土拌和物工作性和28d強(qiáng)度驗(yàn)收難以滿(mǎn)足特大橋混凝土施工對(duì)混凝土品質(zhì)的要求，應(yīng)將單方混凝土用水量、漿集比、砂率等指標(biāo)列入商品混凝土驗(yàn)收要求。

[1]閻培渝，廉慧珍.用整體論方法分析混凝土的早期開(kāi)裂及其對(duì)策[J].建筑技術(shù)，2003(1):15-18.

[2]廉慧珍，韓素芳.現(xiàn)代混凝土需要什么樣的水泥[J].水泥，2006(9):13-18.

[3]廉慧珍.砂石質(zhì)量是影響混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵[J].混凝土世界，2012(8):28-32.

[4]王俊如，王瑞燕，劉強(qiáng).石板坡長(zhǎng)江大橋復(fù)線(xiàn)橋高性能混凝土質(zhì)量控制[J].重慶建筑，2008（4）:7-10.