澆筑密實(shí)度和均勻度對結(jié)構(gòu)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(yùn)輸部公路科學(xué)研究院 橋梁結(jié)構(gòu)安全技術(shù)國家工程實(shí)驗室，北京 100088；2.浙江省交通建設(shè)集團(tuán)，浙江 杭州 310051）

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混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造和材料性能有關(guān)，還極大程度上取決于施工建設(shè)質(zhì)量［1－2］，因此要求建立施工期結(jié)構(gòu)混凝土耐久性質(zhì)量控制方法，用于控制結(jié)構(gòu)混凝土性能的離散性，以銜接混凝土耐久性設(shè)計與施工，確?；炷聊途眯栽O(shè)計性能在施工過程中有效實(shí)施.澆筑是混凝土施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為實(shí)現(xiàn)澆筑期結(jié)構(gòu)混凝土耐久性質(zhì)量控制，量化混凝土澆筑質(zhì)量對結(jié)構(gòu)混凝土耐久性影響是亟待解決的技術(shù)問題.

混凝土澆筑質(zhì)量可用澆筑密實(shí)度和澆筑均勻度評價，前者表征混凝土澆筑殘留氣泡的數(shù)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(jì)初期開始，國內(nèi)外重點(diǎn)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(zhì)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(shí)度與澆筑均勻度的量化指標(biāo)和測試評價方法，現(xiàn)有研究未能量化結(jié)構(gòu)混凝土耐久性與澆筑密實(shí)度和澆筑均勻度之間的關(guān)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(shí)度和澆筑均勻度的影響，量化結(jié)構(gòu)混凝土耐久性與澆筑密實(shí)度和澆筑均勻度之間的關(guān)系，建立混凝土澆筑密實(shí)度和澆筑均勻度的量化控制方法，為進(jìn)一步建立澆筑期結(jié)構(gòu)混凝土耐久性質(zhì)量控制方法提供理論依據(jù).

1 試驗

1.1 原材料與混凝土配合比

水泥：基準(zhǔn)水泥；粉煤灰：陡河Ⅰ級粉煤灰；粗骨料（CA）：5～20mm 連續(xù)級配碎石；細(xì)骨料：連續(xù)級配河沙，細(xì)度模數(shù)2.3；減水劑：復(fù)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(diào)節(jié)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(tài)混凝土（C30）.各混凝土含氣量（體積分?jǐn)?shù)）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(zhì)量試驗方法

澆筑混凝土指經(jīng)過振搗澆筑成型的未凝結(jié)混凝土.以澆筑混凝土電阻率（EA）作為混凝土澆筑密實(shí)度指標(biāo).EA映射了混凝土內(nèi)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(biāo).Gm反映了粗骨料的空間分布均勻狀況.

采用專用測試設(shè)備——振動分層筒（見圖1）測試混凝土澆筑密實(shí)度和澆筑均勻度［7］.振動分層筒由上、中、下3 層單筒構(gòu)成，下層有底.主要測試步驟：（1）設(shè)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(nèi)完成，粗骨料篩取在10 min 內(nèi)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(shù)，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(zhì)量，g；m3為下層粗骨料質(zhì)量，g.

1.3 硬化混凝土性能試驗方法

依據(jù)混凝土坍落度和振搗時間的設(shè)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(yǎng)護(hù)至28d齡期.圓柱體試件用于混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)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(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)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(qiáng)度測試，試驗參照GB／T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)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(jié)構(gòu).

2 理論模型分析

新拌混凝土屬于多相復(fù)合材料，實(shí)質(zhì)是以剛性骨料為分散相，黏性水泥漿為液相構(gòu)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(yīng)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(yùn)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(yīng)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?jié)仓軐?shí)度和澆筑均勻度向相互矛盾方向發(fā)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(jié)果決定了氣泡上浮運(yùn)動特征.根據(jù)式（5），在氣泡上浮初始階段，黏滯阻力低，氣泡加速上浮.當(dāng)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(jù)阿基米德原理，建立澆筑混凝土氣泡運(yùn)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(guān)系.因此，振搗使混凝土氣泡持續(xù)排出，初始階段以粗氣泡快速排出為主，后轉(zhuǎn)入細(xì)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(dǎo)致骨料持續(xù)沉降，漿體持續(xù)上浮.

式中：ρc 為水泥漿密度，kg／m3；ρa(bǔ) 為氣泡密度，kg／m3；τv為振搗下水泥漿的屈服應(yīng)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(yōu)化混凝土澆筑密實(shí)度和澆筑均勻度是控制混凝土澆筑質(zhì)量的根本.實(shí)現(xiàn)混凝土澆筑密實(shí)度和澆筑均勻度平衡發(fā)展，可形成密實(shí)的堆聚結(jié)構(gòu)體，提高混凝土澆筑質(zhì)量.

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 澆筑密實(shí)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(guī)律.由圖2可以看出，隨振搗時間延長，澆筑混凝土電阻率經(jīng)歷下降、穩(wěn)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(xì)小氣泡的緩慢排出為主，混凝土電阻率基本穩(wěn)定不變；混凝土繼續(xù)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(jīng)不同振搗作用，其澆筑密實(shí)度不同.

混凝土澆筑密實(shí)指振搗作用下混凝土粗氣泡基本排出，開始進(jìn)入以細(xì)小氣泡緩慢排出為主時的密實(shí)狀況.混凝土電阻率－振搗時間曲線穩(wěn)定段對應(yīng)其澆筑密實(shí)，本文將之命名為電阻率穩(wěn)定區(qū)間（stable region of electrical resistivity，SRER）.通過計算混凝土電阻率擬合曲線函數(shù)（E（t））對振搗時間（t）一階導(dǎo)數(shù)等于0（計算結(jié)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(shí)狀態(tài).當(dāng)EA值處在SRER 時，表明振搗充分，混凝土澆筑密實(shí)；當(dāng)EA值小于SRER 時，表明振搗不足，混凝土未澆筑密實(shí).

圖3給出了粗骨料分層度隨振搗時間延長的演變規(guī)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(jīng)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?jié)仓軐?shí)度和澆筑均勻度向矛盾方向發(fā)展問題，筆者將SRER 起點(diǎn)作為澆筑密實(shí)度和澆筑均勻度綜合最優(yōu)狀態(tài)的判別點(diǎn)，并將這種判別方法命名為電阻率穩(wěn)定區(qū)間法.該方法實(shí)質(zhì)是確保混凝土在澆筑密實(shí)條件下，不降低混凝土澆筑均勻度.由電阻率穩(wěn)定區(qū)間法可知，當(dāng)坍落度由（80±10）mm 提高至（140±10）mm 和（200±10）mm時，最優(yōu)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(shí)性.

綜上，混凝土澆筑密實(shí)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(jù)混凝土流動性難以確定其澆筑密實(shí)度和澆筑均勻度.需要針對混凝土澆筑密實(shí)度和澆筑均勻度，建立混凝土澆筑質(zhì)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(yōu)振搗時間時，混凝土滲透性基本達(dá)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(yōu)化混凝土抗?jié)B透性能；在最優(yōu)振搗時間下，當(dāng)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(jié)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(shí)質(zhì)在于混凝土滲透性與其澆筑密實(shí)度、澆筑均勻度相關(guān).圖7～9給出了混凝土滲透性與電阻率的關(guān)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(wěn)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(yīng)關(guān)系，原因是在SRER 內(nèi)混凝土電阻率保持最低值，而在SRER 起點(diǎn)至終點(diǎn)間混凝土Gm逐步增大，可以導(dǎo)致其滲透性增大，因此需要進(jìn)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(guān)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(tài)和大流態(tài)混凝土SRER 起點(diǎn)Gm值22%，18%和25%（見圖3）均對應(yīng)低滲透性；如果混凝土Gm繼續(xù)增大，混凝土滲透性總體呈增長趨勢.因此以SRER 起點(diǎn)為判別點(diǎn)可以避免SRER 內(nèi)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(guān)系Fig.7 Water permeability vs electrical resistivity

圖8 透氣性與電阻率的關(guān)系Fig.8 Air permeability vs electrical resistivity

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

綜上，電阻率穩(wěn)定區(qū)間起點(diǎn)映射混凝土低滲透性，驗證了電阻率穩(wěn)定區(qū)間法量化控制混凝土澆筑密實(shí)度和澆筑均勻度的有效性.對于3種流態(tài)混凝土，依據(jù)混凝土滲透性－振搗時間曲線（見圖4～6），在設(shè)計振搗時間范圍內(nèi)（見表2），相比于電阻率穩(wěn)定區(qū)間外部最高值，即澆筑密實(shí)度和澆筑均勻度綜合最差狀態(tài)，由電阻率穩(wěn)定區(qū)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(qiáng)度

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

圖11 透氣性與粗骨料分層度的關(guān)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(guān)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(qiáng)度的影響.由圖13可知：隨振搗時間延長，混凝土抗壓強(qiáng)度持續(xù)增大或持續(xù)增大至穩(wěn)定，振搗時間對混凝土抗壓強(qiáng)度影響曲線無拐點(diǎn)，表明混凝土抗壓強(qiáng)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(qiáng)度與其電阻率、粗骨料分層度的關(guān)系.由圖14可以看出，隨混凝土電阻率減小，其抗壓強(qiáng)度逐步增大，電阻率最低值對應(yīng)抗壓強(qiáng)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(qiáng)度緩慢增長.對于3種流態(tài)混凝土，依據(jù)振搗時間對混凝土抗壓強(qiáng)度影響曲線（見圖13），相比于電阻率穩(wěn)定區(qū)間外部最低值（對應(yīng)最小振搗時間），即澆筑密實(shí)度和澆筑均勻度綜合最差狀態(tài)，由電阻率穩(wěn)定區(qū)間法得到的塑性、流態(tài)和大流態(tài)混凝土抗壓強(qiáng)度分別增大12%，9%和6%.由此可見，混凝土滲透性對澆筑密實(shí)度和澆筑均勻度變化的敏感性高于抗壓強(qiáng)度，加強(qiáng)澆筑質(zhì)量控制對結(jié)構(gòu)混凝土耐久性更為重要.

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

3.4 孔結(jié)構(gòu)

振搗時間對混凝土孔結(jié)構(gòu)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?jǐn)?shù)）、閾值孔徑、宏觀孔（＞500?）體積分?jǐn)?shù)和多害孔（＞2 000?）體積分?jǐn)?shù)均發(fā)生變化，表明振搗時間延長，混凝土孔結(jié)構(gòu)發(fā)生變化.例如，振搗時間由20s延長至40s，大流態(tài)混凝土孔隙率、閾值孔徑和宏觀孔體積分?jǐn)?shù)分別降低6%，20%和12%；振搗時間由40s延長至70s，大流態(tài)混凝土多害孔（＞2 000?）增加22%.

圖14 抗壓強(qiáng)度與電阻率的關(guān)系Fig.14 Compressive strength vs electrical resistivity

圖15 抗壓強(qiáng)度與粗骨料分層度的關(guān)系Fig.15 Compressive strength vs separation degree of CA

表3 混凝土孔結(jié)構(gòu)Table 3 Pore structures of concretes

由于振搗改變了混凝土孔結(jié)構(gòu)，致使混凝土澆筑密實(shí)度和澆筑均勻度會影響結(jié)構(gòu)混凝土耐久性.

4 結(jié)論

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

（2）振搗使?jié)仓軐?shí)度和澆筑均勻度向矛盾方向發(fā)展，電阻率穩(wěn)定區(qū)間法可以量化判定混凝土澆筑密實(shí)度和澆筑均勻度綜合最優(yōu)狀態(tài).

（3）混凝土流動性和振搗時間影響其結(jié)構(gòu)耐久性，實(shí)質(zhì)在于混凝土澆筑密實(shí)度、澆筑均勻度對其滲透性有一定影響作用.電阻率穩(wěn)定區(qū)間起點(diǎn)映射混凝土低滲透性，可用于控制結(jié)構(gòu)混凝土澆筑質(zhì)量以提升結(jié)構(gòu)混凝土耐久性.在所設(shè)計的混凝土坍落度和振搗時間范圍內(nèi)，相比于澆筑密實(shí)度和澆筑均勻度綜合最差狀態(tài)，由電阻率穩(wěn)定區(qū)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(qiáng)度，混凝土滲透性對澆筑密實(shí)度和澆筑均勻度的變化更為敏感，加強(qiáng)澆筑質(zhì)量控制對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu).在澆筑密實(shí)后，繼續(xù)延長振搗時間對大流態(tài)混凝土孔隙率無影響，但是增加了多害孔數(shù)量.

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