振動(dòng)分層法控制混凝土澆筑質(zhì)量的工程應(yīng)用＊

張守祺，傅宇方，王棟民

（1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院橋梁安全技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100088；2 .中國礦業(yè)大學(xué)（北京）混凝土與環(huán)境材料研究所，北京 100083）

0 前言

混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)維護(hù)費(fèi)用增長，而且嚴(yán)重影響正常使用功能，甚至危及安全性。結(jié)構(gòu)混凝土耐久性不同于混凝土材料耐久性，結(jié)構(gòu)混凝土耐久性不僅與結(jié)構(gòu)構(gòu)造和材料性能有關(guān)，還取決于施工建設(shè)質(zhì)量[1-2]。澆筑是混凝土施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，澆筑質(zhì)量決定于新拌混凝土流變性和振搗的共同作用。在國內(nèi)外混凝土結(jié)構(gòu)施工技術(shù)規(guī)范中，結(jié)構(gòu)混凝土澆筑質(zhì)量主要由材料稠度（坍落度等）和均勻性指標(biāo)，結(jié)合布料工藝和經(jīng)驗(yàn)性振搗工藝控制，缺乏以耐久性為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)混凝土澆筑質(zhì)量控制方法。導(dǎo)致混凝土施工與混凝土耐久性設(shè)計(jì)銜接不足，施工離散性和變異性控制水平難以達(dá)到耐久性要求，不足以保證耐久性設(shè)計(jì)性能在施工過程中有效實(shí)施。

針對上述問題，本文在現(xiàn)行混凝土澆筑質(zhì)量控制方法的基礎(chǔ)上，引入以耐久性為核心的結(jié)構(gòu)混凝土澆筑質(zhì)量控制方法——振動(dòng)分層法[3]，構(gòu)建耐久混凝土澆筑質(zhì)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(zhì)量對結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的影響，分析振動(dòng)分層法控制結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的有效性，為進(jìn)一步豐富和完善混凝土結(jié)構(gòu)施工技術(shù)規(guī)范和耐久性技術(shù)體系提供依據(jù)。

1 材料與試驗(yàn)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(xiàn)場試驗(yàn)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(yàn)梁設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)矩形試驗(yàn)梁 2 根，命名為試驗(yàn)梁 I 和試驗(yàn)梁 II，除振搗工藝外，2 根試驗(yàn)梁的構(gòu)造、混凝土材料、施工人員和養(yǎng)護(hù)條件相同。試驗(yàn)梁的設(shè)計(jì)跨度為 4.0m，截面高度為 0.7m，設(shè)計(jì)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(yàn)方法

利用振動(dòng)分層方法，現(xiàn)場檢驗(yàn)混凝土澆筑特性，確定混凝土最優(yōu)振搗工藝，以澆筑試驗(yàn)梁 I；利用傳統(tǒng)澆筑工藝，澆筑試驗(yàn)梁 II。通過對比試驗(yàn)梁 I 與試驗(yàn)梁 II 表層滲透性，研究澆筑質(zhì)量對混凝土耐久性的影響，分析振動(dòng)分層法控制混凝土澆筑質(zhì)量的作用成效。試驗(yàn)梁 I 和試驗(yàn)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(huán)節(jié)相同。表 2 給出了試驗(yàn)梁 I 和試驗(yàn)梁 II 的澆筑質(zhì)量控制方法構(gòu)成。

表2 試驗(yàn)梁 I 和試驗(yàn)梁 II 的澆筑質(zhì)量控制方法構(gòu)成

混凝土澆筑質(zhì)量的振動(dòng)分層控制指標(biāo)體系由密實(shí)度和均勻度指標(biāo)構(gòu)成，密實(shí)度指標(biāo)為電阻率，均勻度指標(biāo)為電阻率分層度。澆筑密實(shí)度和均勻度采用振動(dòng)分層筒即時(shí)、同步測試[4]?；炷翝仓|(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用澆筑混凝土電阻率穩(wěn)定區(qū)間法（ k 值穩(wěn)定法），用以確定混凝土最優(yōu)振搗工藝。表 3給出了振動(dòng)分層法控制混凝土澆筑質(zhì)量的技術(shù)體系構(gòu)成。

表3 振動(dòng)分層法的技術(shù)體系構(gòu)成

設(shè)計(jì)兩種試驗(yàn)梁養(yǎng)護(hù)方式，試驗(yàn)梁 I 和試驗(yàn)梁 II 左幅均采用澆水覆蓋養(yǎng)護(hù)（養(yǎng)護(hù)方式 A），右幅均采用澆筑無覆蓋養(yǎng)護(hù)（養(yǎng)護(hù)方式 B）。試驗(yàn)梁耐久性測試指標(biāo)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(biāo)測試齡期為 3d 和28d。

2 試驗(yàn)結(jié)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?？梢钥闯觯赫駬v 0～20s 時(shí)，混凝土內(nèi)部粗氣泡持續(xù)排出，電阻率逐漸降低；振搗 20～40s 時(shí)，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(wěn)定，混凝土達(dá)到振搗密實(shí)。

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(shí)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(shí)時(shí)間 20～40s，應(yīng)選擇下限值（20s）作為混凝土最優(yōu)振搗時(shí)間，使混凝土澆筑密實(shí)度和均勻度達(dá)到綜合最優(yōu)狀態(tài)，電阻率分層度控制上限值為 24%。

依據(jù)混凝土澆筑特性測試結(jié)果，制定澆筑質(zhì)量控制方案用來澆筑試驗(yàn)梁 。澆筑質(zhì)量控制方案見表 5。

表5 混凝土澆筑質(zhì)量控制指標(biāo)及限值

2.2 表觀質(zhì)量

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

圖5 試驗(yàn)梁 I 的表觀質(zhì)量

圖6 試驗(yàn)梁 II 的表觀質(zhì)量

2.3 透水性

表6 給出養(yǎng)護(hù)方式 A 和 B 條件下，試驗(yàn)梁 I 和試驗(yàn)梁 II透水性測試結(jié)果?？梢钥闯觯B(yǎng)護(hù)方式 A 條件下，振動(dòng)分層法使結(jié)構(gòu)混凝土 3d 和 28d 透水性系數(shù)降低 64.6% 和 58.6%；養(yǎng)護(hù)方式 B 條件下，3d 和 28d 透水性系數(shù)降低 64% 和53%。提升澆筑質(zhì)量顯著提高結(jié)構(gòu)混凝土抗水滲透性，在兩種養(yǎng)護(hù)方式下，振動(dòng)分層法作用程度相近。

表6 結(jié)構(gòu)混凝土透水性

依據(jù)透水性等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)見表 7，試驗(yàn)梁 I 的 3d 透水性系數(shù)均小于 2.6×10-7m3/min1/2，抗水滲透性“良”；28d透水性系數(shù)均小于 1.3×10-7m3/min1/2，抗?jié)B性“優(yōu)”。試驗(yàn)梁 II（養(yǎng)護(hù)A）的 3d 透水性系數(shù)位于 2.6×10-7～3.4×10-7m3/min1/2，試驗(yàn)梁 II（養(yǎng)護(hù) B）大于 3.4×10-7m3/min1/2，抗透水性能等級(jí)分別為“中”和“差”，試驗(yàn)梁 II（養(yǎng)護(hù) A）28d透水性系數(shù)位于 1.3×10-7～2.6×10-7m3/min1/2，試驗(yàn)梁 II（養(yǎng)護(hù)B）位于 2.6×10-7～3.4×10-7m3/min1/2，抗透水性能等級(jí)分別為“良”和“中”。對比試驗(yàn)梁 I，試驗(yàn)梁 II 抗水滲透性約降低一至二個(gè)等級(jí)。表明混凝土澆筑質(zhì)量顯著影響結(jié)構(gòu)混凝土透水性，作用程度因養(yǎng)護(hù)條件差異不同。

表7 Autoclam 透水性評(píng)定等級(jí)

表8 給出養(yǎng)護(hù)方式 A 和 B 條件下，試驗(yàn)梁 I 和試驗(yàn)梁 II透氣性測試結(jié)果?？芍陴B(yǎng)護(hù)方式 A條件下，相比試驗(yàn)梁II，試驗(yàn)梁 I 的 3d 和 28d 透氣性分別降低 47.1% 和 32.4%；在養(yǎng)護(hù)方式 B 條件下，試驗(yàn)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(zhì)量，可以提高結(jié)構(gòu)混凝土抗氣體滲透性，在養(yǎng)護(hù)條件不良時(shí)，作用程度更加明顯。

表8 結(jié)構(gòu)混凝土透氣性

根據(jù)透氣性等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，見表 9，可知養(yǎng)護(hù)方式 A 和B 條件下，試驗(yàn)梁 I 和試驗(yàn)梁 II 的 3d 和 28d 表面透氣性系數(shù)均小于 0.1 Ln(mbar)/min，結(jié)構(gòu)混凝土抗氣體滲透性“優(yōu)”。表明混凝土材料抗氣體滲透性優(yōu)良，澆筑質(zhì)量影響結(jié)構(gòu)混凝土表面透氣性，但是未降低透氣性等級(jí)。

表9 Autoclam 透氣性評(píng)定等級(jí)

2.4 氯離子滲透性

表10 給出在養(yǎng)護(hù)方式 A 和 B 條件下，試驗(yàn)梁 I 和試驗(yàn)梁 II 氯離子擴(kuò)散系數(shù)測試值?？芍?，采用養(yǎng)護(hù)方式 A，提升澆筑質(zhì)量使結(jié)構(gòu)混凝土 3d 和 28d 氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別降低51.9% 和 33.3%；采用養(yǎng)護(hù)方式 B，3d 和 28d 氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低 42.1% 和 23.6%。

表10 結(jié)構(gòu)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)

參照 Permit 氯離子滲透性等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[4]，見表 11 ，在養(yǎng)護(hù)方式 A 和 B 條件下，試驗(yàn)梁 I 的 3d 和 28d 氯離子滲透性等級(jí)為 IV 級(jí)，具有低氯離子滲透性。在養(yǎng)護(hù)方式 A 和 B 條件下，試驗(yàn)梁 II 的 3d 氯離子滲透性等級(jí)為 III 級(jí)，具有中等氯離子滲透性，28d 滲透性等級(jí) IV 級(jí)，具有低滲透性。綜上，混凝土澆筑質(zhì)量影響硬化后混凝土抗氯離子滲透性能，振動(dòng)分層法有益于提升結(jié)構(gòu)混凝土抗氯離子滲透性能。

表11 Permit 氯離子滲透性評(píng)定等級(jí)

3 結(jié)論

（1）混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不同于混凝土材料耐久性，結(jié)構(gòu)耐久性不僅與結(jié)構(gòu)構(gòu)造和混凝土材料性能有關(guān)，還取決于施工建設(shè)品質(zhì)，需要建立施工期混凝土耐久性質(zhì)量控制與檢驗(yàn)方法，以確保耐久性設(shè)計(jì)性能在施工過程中實(shí)施；

（2）澆筑質(zhì)量影響結(jié)構(gòu)混凝土耐久性，振動(dòng)分層法可量化控制混凝土澆筑質(zhì)量，提升硬化后結(jié)構(gòu)混凝土耐久性。相對于傳統(tǒng)澆筑施工技術(shù)，振動(dòng)分層法使結(jié)構(gòu)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(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與施工規(guī)范之間銜接不足，不易保證耐久性設(shè)計(jì)性能在施工過程中有效實(shí)施，使混凝土結(jié)構(gòu)耐久性質(zhì)量存在先天不足，成為導(dǎo)致混凝土工程耐久性問題嚴(yán)峻的重要原因之一。針對澆筑施工期混凝土耐久性質(zhì)量問題，振動(dòng)分層法為補(bǔ)充修訂現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)施工規(guī)范和耐久性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、為提升工程施工建設(shè)品質(zhì)，提供了重要技術(shù)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)，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(jié)構(gòu)混凝土耐久性影響的試驗(yàn)研究[R]．北京，2012．

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

[5]清華大學(xué)．Permit試驗(yàn)方法研究報(bào)告[R]．北京，2007.