22-引气抗冻混凝土施工技术与质量控制(葛永)

引气抗冻混凝土施工技术与质量控制哈尔滨工业大学交通学院葛勇[e-mail]13351785265一、混凝土为什么要引气（一）混凝土过早破坏板底冻融剥蚀板底冻融剥蚀盖梁剥蚀露筋伸缩缝盐蚀起皮防撞墙盐蚀剥落护栏带盐蚀剥落我国过去的混凝土质量控制体系仅对混凝土的强度和表面质量进行检验、评定，忽略了耐久性。吴中伟院士生前一再说“高强未必耐久，低强未必不耐久”。有人批评当今高强混凝土工程时说过一句值得深思的话：用没有必要的高强换来了更多的开裂。强度越高，抗拉与抗压强度比越小，构件延性比小；水灰比低，自收缩大；水泥用量大，温升大；早期弹性模量大，松弛应力能力差，收缩应力大；因此开裂倾向大。错误观念：混凝土强度和耐久性具有直接关系。许多人认为“混凝土强度愈高，它在严酷环境下就愈耐久”。其重要的前提是混凝土的体积稳定性好，无裂纹。混凝土的强度等级（28天龄期）与耐久性之间并不一定存在相关性，例如掺入粉煤灰后的早期强度往往有所降低（现代的掺粉煤灰技术也可以做到不降低），而抗氯盐侵入的耐久性却能成倍增加。混凝土引气后的强度也会受到影响，但抗冻融等多种耐久性能可有极大改善。过度追求工程进度造成混凝土追求高早强，而高早强的混凝土更易于开裂，同时势必导致混凝土得不到充分养护，在侵蚀性环境中劣化更迅速。实验表明混凝土24小时抗压强度不超过10MPa左右，或28天抗压强度不超过50MPa可以大大降低开裂的风险。（二）混凝土的冻融破坏机理1.水冻水结冰膨胀9%，低温下的渗透压（微小孔隙中未结冰水向大孔中迁移）。理论上孔隙中的充水程度低于0.91时，不会产生冻害，即无膨胀力。2.盐冻氯盐的存在大幅度提高了孔隙中水的饱和程度、干燥时的盐结晶、融雪时因吸热带来的底层进一步受冻及温度应力、化学腐蚀等。（三）混凝土中引气的作用混凝土中引气有别于振捣不实而带来的气孔，两者的尺寸差异极大。引气气孔：球形，直径10~300μm，分布均匀。振捣不实的气孔：非球形，直径0.5~10mm，甚至更大，分布不均匀。混凝土是天生的含缺陷材料，其中含有众多的联通的毛细孔隙（开口孔隙）、裂纹等。材料内孔隙示意图1－固体物质2－开口孔隙3－闭口孔隙气孔毛细孔弯液面亲水性，θ≤90°与毛细现象憎水性，θ＞90°与毛细现象θθ1.切断作用引入的球形气孔可将连通的毛细孔隙“切断”，将表面的开口孔隙（即连通孔隙），转变为封闭孔隙，从而实现抗渗、防水。气孔毛细孔弯液面引入的球形气孔的“切断”作用，使得球形气孔未充水而是空的。2.泄压作用水结冰时，体积膨胀9%，其产生的压力将使毛细孔隙中的水被挤向未充水的球形气孔，而使毛细孔隙中的压力被减小，即引入的球形气孔起到泄压作用。气孔毛细孔弯液面气孔如果气泡间的距离足够近，则可有效泄压，提高抗冻性。故要求气泡间距系数小于一定值。影响气泡间距系数的因素：（1）含气量：含气量高，则气泡间距系数小。（2）气泡尺寸大小：气泡尺寸小，则气泡间距系数小。由于切断作用和泄压作用，使得混凝土的抗渗性提高1~2倍，抗冻性、抗盐冻性提高5~10倍。同时使混凝土的抗盐类化学腐蚀、抗盐结晶腐蚀性大幅度提高，对钢筋的保护作用也明显提高。二、引气剂质量是引气混凝土抗冻性好坏的关键引气剂质量直接影响混凝土拌合物的含气量、气泡的稳定性、气泡尺寸大小，保证气泡间距系数。故必须使用优质引气剂，如三萜皂甙（SJ-2等）。三、引气混凝土施工技术（一）引气混凝土的搅拌掺加引气剂后，混凝土的搅拌时间一般应适当延长10~20s，具体时间以含气量较大或达到稳定即可。搅拌时间太短，则含气量达不到要求。引气剂与其他外加剂配制溶液时，如产生沉淀与絮状物则应分别加入搅拌机内。卸料前应进行快速搅拌。搅拌后的混凝土应尽快成型。（二）浇筑当夏季天气炎热时，混凝土拌合物入模温度不应高于35℃，宜选择晚间或夜间浇筑混凝土；现场温度高于35℃时，应对金属模板进行浇水降温。浇筑时应拖动布料管（料斗）布料，严禁借助振捣器振捣布料。浇筑时，每层浇筑厚度应控制在300mm以内。对于不利于排气的斜面部位（马蹄口等），建议浇筑厚度控制在150mm。过厚不利于排气，脱模后表面易产生大气泡。（三）振捣应在混凝土浇筑过程中及时将入模的混凝土均匀振捣密实，不得随意加密振点或漏振，每点的振捣时间以表面泛浆或不冒大气泡为准，插入式振捣棒一般不宜超过20s，最多不超过30s避免过振。采用振捣棒时，宜采用垂直点振方式振捣。若需变换振捣棒在混凝土拌和物中的水平位置，应首先竖向缓慢将振捣棒拔出，然后再将振捣棒移至新的位置。不得将振捣棒放在拌和物内平拖，也不得用插入式振捣棒平拖驱赶下料口处堆积的混凝土拌和物。振捣棒插入间距不应大于振捣棒作用半径的1.5倍，连续多层浇筑时，振捣棒应插入下层拌合物约50～100mm，并距侧模50～100mm进行振捣。附着式振捣器间距应合适，且不应始终振捣。宜在初凝前进行二次抹面。对于伸缩缝混凝土不宜进行过多的抹面。（四）养护成型后的混凝土应立即进行覆盖养护，初凝后即洒水养护（混凝土表面与水的温差应小于15℃）。潮湿养护的期限应不少于7d，宜不少于14d。对于大体积混凝土，养护过程应进行温度控制，混凝土内部和表面温差不宜超过25℃，表面与外界温差不宜大于20℃（已采用内降外保）。当必须采用蒸汽养护时，应根据含气量、凝结时间延长静停时间，并严格控制蒸养温度和升温速度。拆模应注意混凝土强度与环境气温和风速。四、施工过程主要控制项目（一）原材料原材料质量原材料质量相对稳定、配合比准确（体积法，计量精准）。混凝土组成材料的外观及配料、拌制，每一工作班应不少于2次，必要时应随时抽样试验；和易性、坍落度及扩展度等工作性能，每工作班应检验不少于2次；砂、石材料的含水率，每日开工前应检测1次，天气有大变化时应随时检测；外加剂使用效果。（二）浇筑、振捣、养护质量直接决定了混凝土的质量养护方法（如何保湿？浇水与保水的关系）混凝土强度、拆模时间。混凝土的外露面质量（开裂、起皮、外观缺陷）结构外形尺寸、位置、裂缝、变形和沉降等。五、引气混凝土质量检验引气混凝土耐久性（抗冻性、盐冻、腐蚀、钢筋锈蚀）的好坏主要在于引气混凝土的含气量高低、气泡尺寸大小（气泡间距系数）。由于气泡间距系数在现场无法测定，故现场的控制指标就是引气混凝土的含气量。对于气泡尺寸，主要通过原材料的优选来实现，过程中抽检引气剂质量、气泡间距系数。（一）含气量检验应在浇筑现场取即将入模的试样（卸料量在1/4~3/4间的料）进行测定，取样的频率通常与混凝土坍落度的测定频率相同。对经受氯盐作用的混凝土，可适当加强检验批次，混凝土含气量应100m3作为一个检验批次。应检测出机口混凝土拌合物的含气量，确定与入模处的含气量差，以便于控制含气量。混凝土抗冻耐久性控制关键指标建议3003.5±0.53800.35C502504.5±0.53400.40C402205.0±0.53000.5080C30直接接触盐3603800.32C553503.0±0.53600.35C503003200.40C402504.0~5.52800.5060C30非直接接触盐、直接或间接接触雨水（雪）气泡间距系数≤,(μm)含气量(%)最小胶凝材料用量(kg/m3)最大水胶比抗冻耐久性指数DF（%）混凝土强度等级环境条件注：1.表中给出混凝土拌合物含气指入模前含气量；2.表中含气量对应于粗集料最大粒径为19～26.5mm时的数值。当粗集料最大粒径为9.5～16mm时，含气量应较表中数值增加0.5%；当粗集料的最大粒径为31.5mm时，含气量可较表中数值减少0.5%。影响混凝土拌合物含气量的因素:A.粉煤灰质量：粉煤灰含碳量高，则不易引气，需加大引气剂掺量。注意烧失量。B.外加剂质量：劣质引气剂引入的气泡尺寸大、含气量不稳定。聚羧酸盐减水剂本身含气，需消泡。C.胶凝材料细度：过细不易引气。D.砂子粗细：砂粗，则含气量稳定性较差，一般0.3mm以下应占15%，但过细则需增加引气剂掺量。E.坍落度：坍落度大，大气泡多且不稳定。应特别关注砂石含水率ωw变化。对已硬化混凝土，可利用显微测孔技术（导线法）测定其含气量、气泡间距系数。（二）抗冻性按标准进行快冻试验（水冻）。试验时，放置温度传感器（热电偶）的橡胶筒（或不锈钢筒）应为水，不得采用防冻液。取样频率按相关规范进行(高铁5000m3)。所用混凝土含气量应于现场浇筑时的含气量相同（其他用途试件也应相同）。也可进行单面盐冻试验。（三）抗渗性进行电通量试验，取样频率按相关规范进行（500m3，CCPA；高铁5000m3）。（四）关于表面质量引气后混凝土表面气泡会明显增多，＜1.5mm。《公路桥涵施工技术规范》JTG/TF50-2011中，提及应检验外露面质量，但未给出检验项目与指标。《公路桥涵施工技术规范》JTJ041-2000中，要求检验混凝土外露面的质量，并给出质量标准：（1）密实、平整；（2）如有蜂窝、麻面，其面积不超过结构同侧面积的0.5%。引气引入的的气孔为球形气孔，且绝大多数小于1.5mm，其不属于蜂窝、麻面，后者是由于振捣不实或漏浆所致。引气混凝土外观-正常引气混凝土外观-正常引气混凝土外观-正常引气混凝土外观-正常引气混凝土外观-正常（仅指气孔）引气混凝土外观-基本正常-个别气泡尺寸大（球状）引气混凝土外观-略泌水-气泡过大（非球状）引气混凝土外观-泌水-气泡过大（非球状）引气混凝土外观-气泡过大（非球状）（一）工作性不良（配合比、原材料、计量除外）1.搅拌车罐内载货前未将清洗水倒尽，致使混凝土泵送时坍落度异常大。2.混凝土在泵送过程中加水，致使水灰比增大，工作性也变大，使混凝土易离析及强度降低。3.混凝土等候过久，致坍损过大，造成工作性不良。4.为防止混凝土产生龟裂，使用低坍落度的混凝土，致使致浇筑效果不佳。5.出厂时一切正常，但天气太热或混凝土温度超过32℃，坍落度损失太大，无法泵送。六、工程其他常见问题与处置（二）拌合物发生离析（配合比准确、材料质量波动除外）1.施工时，布料管出口至浇筑面落差太大，产生离隙。2.用长滑槽施工，卸料口处未以木板挡住使骨料分离。3.以振捣棒推料致混凝土析离。4.梁、高墩及其角落处等常产生离隙。5.钢筋混凝土结构浇筑混凝土时，墩柱及梁腹、梁底易产生蜂窝，有些地方有中空现象产生。七、混凝土的表面缺陷的预防（一）表面气泡A.原材料的影响：砂石含泥量过大，砂过细导致混凝土过度粘稠，阻碍混凝土拌和物中的空气排出。B.模板与脱模剂的影响：采用油系列的脱模剂，如果粘度较大，在振捣过程中，脱模剂与水亲和形成油水混合物，这种油水混合物增加空气排出的难度。模板周转次数过多，表面粗糙、变形，增加水珠游离上升阻力；模板缝隙较大，操作人员害怕漏浆，不敢振捣，造成振捣不到位，形成气孔。C.混凝土浇筑层厚度的影响：当浇筑厚度达到50cm以上时，下层混凝土中的空气很难排出。D.振捣作业影响：一般的插入式振捣器的有效半径为45~75mm，漏振或捣固时间不足都会使拌合物的排气效果变差。另外振捣顺序有很大影响，从中间向四周振捣，若将水分赶至模板边缘，振动时间应适当延长。E.坍落度影响：坍落度过大，小气泡易积聚成大气泡，增加大气泡数量。F.砂率影响：砂率过大的混凝土，粘聚性和保水性过大，增加细小气泡数量。（二）泛砂A.原材料的影响：集料级配不良，粒径过大，砂过粗都会影响混凝土粘聚性和保水性，加剧混凝土的离析和泌水，使混凝土表面出现泛砂现象；水泥品种不同，拌合物保水性不同；Ⅲ级灰会产严重的泌水，对混凝土表观质量有不利影响，Ⅰ级灰可有效地改善混凝土的和易性。B.水灰（胶）比和坍落度的影响：水灰（胶）比过大，混凝土粘聚性差，拌合物容易离析泌水。坍落度过大也容易造成混凝土的分层、离析和泌水。水或稀水泥浆分层、离析结束局部放大分层、泌水示意图分层开始石子砂子水泥浆↓－石子趋势↑－水趋势C.砂率的影响：最佳砂率可以使混凝土拌合物获得良好的粘聚性和保水性，反之砂率控制不好，会使混凝土产生离析和泌水。砂率稍高或掺加引气剂有利于提高混凝土的光洁度，减少泛砂现象。D.振捣