某橋梁下部結(jié)構(gòu)混凝土強度不足原因分析與解決

尚 濤 張華獻(xiàn)

(江蘇蘇博特新材料股份有限公司/浙江交工股份有限公司)

1 工程概況與存在問題

某市政快速路橋梁工程下部結(jié)構(gòu)承臺、墩柱和系梁混凝土設(shè)計強度等級為C35，采用現(xiàn)澆施工。施工方采購商品混凝土，配合比如表1所示。橋梁下部結(jié)構(gòu)澆筑前，施工單位試驗室及第三方試驗室按表1所示配合比配制混凝土，其強度檢測結(jié)果均在45MPa以上，滿足設(shè)計要求。但是在實施施工工程中，按相關(guān)規(guī)范與設(shè)計要求澆筑混凝土并養(yǎng)護(hù)28d齡期后，發(fā)現(xiàn)實體結(jié)構(gòu)混凝土強度嚴(yán)重偏低。如表2所示的回彈與取芯試驗結(jié)果均表明，混凝土達(dá)到28d評定齡期時，其抗壓強度普遍低于30MPa，部分甚至不足25MPa，給工程建設(shè)質(zhì)量與安全帶來嚴(yán)重隱患。

表1 橋梁下部結(jié)構(gòu)C35混凝土配合比(kg/m3)

表2 橋梁下部結(jié)構(gòu)C35混凝土強度試驗結(jié)果(MPa)

為探明本工程橋梁下部結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆混凝土強度偏低的原因，從而可以采取針對性的整治措施對該問題加以解決，在承臺、墩柱和系梁的典型部位分別進(jìn)行了鉆芯取樣，對芯樣進(jìn)行了試驗分析與評估。

2 混凝土強度不足原因分析

將從該橋梁下部結(jié)構(gòu)取出的芯樣破型，對斷面處進(jìn)行觀察，如圖1所示，可見硬化水泥漿體中散布較多粒徑5～20mm的淡黃色大顆粒，可能為砂中的砂頭，強度很低，硬物按壓極易破碎，粒徑小于5mm的淡黃色脆弱顆粒則更多，初步判斷該混凝土中使用了大量風(fēng)化砂，可能是其力學(xué)強度不足的關(guān)鍵原因。進(jìn)一步通過XRD與SEM法測試水泥漿體礦物相與微觀形貌、升溫灼燒法測試水泥漿體失水率以及壓汞法測試水泥漿體孔結(jié)構(gòu)，試驗研究混凝土強度不足的原因。

圖1 混凝土芯樣中的薄弱骨料顆粒

2.1 水泥漿體礦物相與微觀形貌

將從該橋梁下部結(jié)構(gòu)取出的芯樣破碎，制備尺寸符合要求的去除了粗骨料的水泥漿體試樣，采用XRD(X射線粉末衍射，X-Ray Powder Diffraction)方法對試樣進(jìn)行了測試與分析[1]，其礦物相組成如表3所示。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用SEM(掃描電子顯微鏡，Scanning Electron Microscope)方法對試樣斷面進(jìn)行顯微分析[2]。

由表3可見，從水化產(chǎn)物組成來看，該混凝土試樣中水泥水化較為充分，去除砂影響后，殘余的未水化水泥礦物占比不超過15%，未見顯著異常；無定形物(Amorphs)成分主要為水泥水化產(chǎn)物C-S-H凝膠，含量較高，占比超過70%，可能是砂中SiO2衍射峰較強導(dǎo)致水化產(chǎn)物衍射峰被弱化，晶相含量偏低，折算出的無定形物含量偏高。由圖2可見，試樣微觀形貌同樣與正常C35混凝土差別不大，水泥等膠凝材料水化產(chǎn)物形貌特征顯著，判斷水泥及礦物摻和料用量在正常范圍內(nèi)。

表3 水泥漿體試樣礦物組成

2.2 水泥漿體失水率

將從該橋梁下部結(jié)構(gòu)取出的芯樣破碎，制備尺寸符合要求的去除了粗骨料的水泥漿體試樣。采用普通升溫法測試水泥漿體失水率，首先稱量試樣質(zhì)量，記為m1，然后直接升溫至105℃，除去試樣中的非化學(xué)結(jié)合水，再灼燒至1050℃，在此溫度下將試樣燒至恒重，記錄其質(zhì)量，記為m2，將(m1-m2)×100%/m1稱為水泥漿體失水率。每個芯樣制備3個試樣，取測試結(jié)果的平均值，如表4所示。

表4 水泥漿體失水率/%

由表4可見，承臺、墩柱和系梁水泥漿體試樣的失水率分別為14.65%、14.37%和14.46%，均顯著大于根據(jù)表1所示的配合比計算得到的理論值，可見實際澆筑的混凝土用水量大大超出了配合比要求，可能已經(jīng)接近200kg/m3，對混凝土力學(xué)強度存在顯著負(fù)面影響。

2.3 水泥漿體孔結(jié)構(gòu)

將從該橋梁下部結(jié)構(gòu)取出的芯樣破碎，制備尺寸符合要求的去除了粗骨料的水泥漿體試樣。采用MIP(壓汞法，Mercury intrusion method)法測試了試樣的孔徑分布。由圖可見，試樣的總孔隙率及大孔所占比例較普通C35混凝土明顯偏高，表明試樣混凝土中含有較多的水分，在其凝結(jié)硬化過程中，這些水被膠凝材料水化消耗或逸散到空氣中，留下了較多的孔隙。這一結(jié)果與水泥漿體失水率試驗結(jié)果基本一致，判斷該混凝土在生產(chǎn)制備過程中加入了明顯過量的拌合水。

綜合上述試驗結(jié)果來看，所取芯樣中水泥水化產(chǎn)物組成及比例與普通混凝土基本一致，可見芯樣混凝土中水泥水化充分，水泥與礦物摻合料用量在正常范圍內(nèi)，但是芯樣水泥漿體失水率顯著高于理論值，且漿體總孔隙率及其中100納米以上大孔所占比例同樣顯著高于基準(zhǔn)樣，可判斷混凝土生產(chǎn)時的實際用水量超標(biāo)，這可能是造成實體結(jié)構(gòu)混凝土強度偏低的關(guān)鍵原因。

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合上述試驗研究結(jié)果，進(jìn)一步對工程所在地混凝土原材料情況進(jìn)行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)因環(huán)保趨嚴(yán)，商品混凝土原材料供應(yīng)緊張，尤其是地材，導(dǎo)致大量風(fēng)化砂流入市場，該砂疏松多孔，拌合過程中嚴(yán)重吸附減水劑與自由水，造成混凝土流動性顯著下降，實際用水量極易大大超出配合比理論值，從而導(dǎo)致混凝土力學(xué)強度明顯下降，引發(fā)工程質(zhì)量問題。這一調(diào)研結(jié)果與試驗研究結(jié)果相互印證，為下一步整治措施的制訂提供了依據(jù)。

3 整治措施與效果

基于上述對本工程橋梁下部結(jié)構(gòu)混凝土力學(xué)強度不足原因的試驗研究與分析，與本工程建設(shè)、設(shè)計及監(jiān)理等參建單位會商后，提出了整治與改進(jìn)措施。一方面，對于已澆筑的全部數(shù)量的承臺、墩柱、系梁混凝土抗壓強度進(jìn)行回彈與取芯測試，28d齡期時，二者均在80%以上的暫時予以保留，至60d時再次測試，如達(dá)到設(shè)計強度則判定合格，無法達(dá)到則予以拆除重建；28d齡期時，混凝土回彈與取芯強度不能同時滿足80%設(shè)計強度要求的情況下，則該結(jié)構(gòu)立即予以拆除重建，以保障工程質(zhì)量。

另一方面，對于拆除重建及尚未澆筑的結(jié)構(gòu)，采取了嚴(yán)格措施控制混凝土質(zhì)量。施工與監(jiān)理單位派專人進(jìn)駐商品混凝土公司，對原材料尤其是砂的品質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控，確保使用符合設(shè)計與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求的砂制備混凝土，嚴(yán)禁使用風(fēng)化砂、山砂等吸附減水劑與拌合水嚴(yán)重的砂種；同時，在生產(chǎn)過程中，實時測試砂含水率，嚴(yán)格要求拌合站據(jù)此折算后按報驗配合比進(jìn)行混凝土的拌合制備，并在拌合站與工程現(xiàn)場分別取樣留置3d、7d、14d、28d與60d抗壓強度試件以備測試與強度評判。

上述整治措施實施后，混凝土拌合生產(chǎn)過程中基本杜絕了隨意加水、人為提高單方用水量的現(xiàn)象，重新澆筑的本工程橋梁下部結(jié)構(gòu)留置的混凝土試件強度、實體回彈強度及取芯強度均滿足工程設(shè)計與驗收要求，整治措施取得明顯效果。

4 結(jié) 語

本文調(diào)研了某橋梁工程承臺、墩柱、系梁等下部結(jié)構(gòu)混凝土回彈與取芯強度，結(jié)果表明，試配合格的情況下，實體結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強度較設(shè)計值偏低2～3個等級，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量；

通過對實體結(jié)構(gòu)取樣，試驗研究了該工程橋梁下部結(jié)構(gòu)混凝土水泥漿體礦物相組成、微觀形貌、水泥漿體失水率以及水泥漿體孔結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，用水量嚴(yán)重超出配合比理論值是實體結(jié)構(gòu)混凝土強度顯著偏低的關(guān)鍵原因，而風(fēng)化砂的使用則是導(dǎo)致用水量超標(biāo)的主要因素；

在對本工程橋梁下部結(jié)構(gòu)混凝土強度不足原因分析的基礎(chǔ)上，以控制混凝土原材料中砂的質(zhì)量為核心，提出了針對性的整改措施，在工程后續(xù)施工中取得了顯著效果，有效杜絕了此類問題的再次發(fā)生。