鐵路客運專線高性能混凝土外觀質量控制

李洪斌

（中鐵三局武廣項目經理部第五總隊，湖南 耒陽 421800）

1 前言

隨著科學技術的發展，高性能混凝土以其優異的耐久性、良好的工作性和體積穩定性被應用到鐵路客運專線工程施工當中，但高性能混凝土正式應用到國內鐵路工程施工的時間較短，施工單位對其各項性能的認知還處于摸索階段，尤其是對高性能混凝土耐久性、工作性、強度、混凝土外觀質量之間的聯系尚處于模糊狀態，這對改善高性能混凝土外觀質量是很不利的。

2 高性能混凝土各項性能

2.1 耐久性

以水泥為主要膠結材料的混凝土其耐久性是指在使用過程中抵抗各種破壞因素而能保持其使用功能的能力。耐久性涉及兩個方面：一是引起破壞的作用力；二是材料對破壞作用的抵抗力，也就是一個外部因素，一個內部因素。而要達到高的耐久性則需要優質穩定的水泥與骨料、合理的配合比、能夠保證混凝土均勻密實的施工方法、足夠的強度、優質的外加劑和活性細摻料、充分的養護及必要的表面保護等。

2.2 工作性

工作性包括流動性、填充性、黏聚性、可泵性等含義，是混凝土拌和、運輸、澆搗、抹面等主要操作工序能夠順利并完滿進行的保證，又稱和易性。要使混凝土具有良好的工作性，合理的配合比是前提，骨料的級配要合理，外加劑、活性摻和料的性能要優良，所需的流動性要合理。

2.3 強度

強度是指混凝土抵抗外力破壞的能力。決定強度的主要因素是優質的水泥、活性細摻料、堅潔的骨料、高效減水劑、合理的配合比、正確的振搗方法、充分的養護等。

2.4 外觀質量

具有良好外觀質量的混凝土其表面必須平整光滑、棱角分明、色澤均勻、無碰損和污染，要達到拆模后無需裝修或輕度裝修便可達到良好的視覺感觀效果。常見的外觀缺陷有氣泡、麻面、水線、砂溜、分層、花斑水印等。形成外觀缺陷的主要原因是：混凝土工作性差產生泌水形成水線、分層、花斑水印；過振產生砂溜、水線、分層、花斑水印；欠振導致氣泡逸出形成麻面。另外，模板的光潔度較差會導致混凝土表面無光澤。

2.5 各項性能之間的相互聯系

由上述各項性能及其影響因素來看，導致混凝土外觀產生缺陷的原因是多方面的，這其中既有原材料和配合比設計的問題，也有施工工藝的問題，還有模板工裝的問題。但在原材料質量相對穩定的前提下，混凝土配合比設計顯得至關重要。混凝土配比設計中，膠凝材料的用量、礦物摻合料的比例、水膠比、砂率、外加劑的摻量直接決定了混凝土耐久性、工作性、強度、外觀質量等各項性能是否最終滿足設計及施工要求。在高性能混凝土中，強度不再是首要指標，而把耐久性放到了第一位，其次是工作性，然后是強度，最后是外觀質量，這四者必須兼顧，這樣的混凝土才能被稱之為“高性能混凝土”。

《客運專線高性能混凝土暫行技術條件》第6.3.2條中規定，“C30及以下混凝土的膠凝材料總量不宜高于400 kg/m3，C35～C40混凝土不宜高于450 kg/m3，C50及以上混凝土不宜高于500 kg/m3。”受這一條件的限制，很多混凝土工作者在進行C30及以下混凝土配合比設計時，400 kg/m3膠凝材料便成了一條不可逾越的“鴻溝”。在滿足電通量和混凝土的可泵性、強度要求的前提下，又考慮降低成本，便將膠凝材料用量壓得較低。但這樣的混凝土在拌制過程中和易性貌似良好，但由于膠凝材料偏少，混凝土的保水能力很差，所以在實體澆注時，在振搗器的高頻激振下，確顯得弱不禁風，加上橫縱向鋼筋的阻擋，很容易使混凝土離析并順筋少量泌水，嚴重時出現大量泌水，泌水在上升過程中，在混凝土表面形成水線；輕度過振時，便出現水印花斑；重度過振時，泌水較多，沖涮并帶走水泥漿體，留下砂子，形成了砂溜；如果欠振再加上模板的光潔度不好，氣泡不能很好地排出，便形成了蜂窩、麻面等缺陷。但當膠凝材料用量達到一定的數量時，混凝土的黏聚性、保水性能大幅度提高，在高頻激振作用下，抵抗離析的能力增強，混凝土的泌水極少或沒有泌水，混凝土的外觀質量得到根本的改善。其次，這樣的混凝土為混凝土工程提供了較大的操作空間，混凝土更容易密實，對混凝土的耐久性有利。另外，膠凝材料的增多，漿體變稠使得混凝土與泵管的潤滑層增厚，混凝土的可泵性得以提高，使得泵送更加順暢。

3 高性能混凝土配合比設計

以武廣客運專線最常用的C30高性能混凝土進行兩種方案的配合比設計。

3.1 試驗用原材料

（1）水泥。湖南省郴州市東江水泥廠生產的PO32.5。

（2）粉煤灰。湖南湘潭電力有限公司生產的II級粉煤灰。

（3）細骨料。湖南耒陽耒河中砂。細度模數在2.7～2.9之間，屬二區中砂。各項指標符合標準要求。

（4）粗骨料。采用湖南耒陽市小水采石場生產的5～16 mm碎石40%、16～31.5 mm碎石60%進行二級復配，結果符合JGJ53—92中5～31.5 mm連續級配要求。

（5）外加劑。中鐵三局建安公司工程試驗中心外加劑廠生產的JH-5聚羧酸系高性能復合外加劑，摻量1.5%，減水率28%，含固量20%。

（6）水。耒陽市自來水公司，符合飲用水標準。

3.2 配合比設計方案一（本方案由中心試驗室提供）

按照《普通混凝土配合比計規程》JGJ55—2000、《客運專線高性能混凝土暫行技術條件》，粉煤灰采用等量取代法進行配合比設計。本工程要求混凝土配制強度大于38.2 MPa，工作性要求坍落度為140～180 mm，30 min后坍落度不得低于130 mm，混凝土黏聚性和保水性較好。56 d電通量小于1 500 C。

3.2.1 試配強度的計算

3.2.2 水灰比的計算

根據耐久性要求，水膠比不宜大于0.40，故水膠比取0.37。

3.2.3 用水量的選取

根據經驗和摻加復合型外加劑的減水效果，用水量選定為136 kg/m3。

3.2.4 膠凝材料及外加劑用量

粉煤灰摻量為29%，采用等量取代法mf=368×29%=107；

水泥用量mc=368×71%=261；

外加劑用量mj=368×1.5%=5.52。

3.2.5 確定砂石用量

假定容重為2 300 kg/m3，砂率取37%，

則：Ms=（2 300-368-136）×37%=665；

Mg=（2 300-368-136）-665=1 131。

3.2.6 配合比的試配結果

該配合比經試驗混凝土的和易性、強度、電通量、抗裂性均能滿足施工要求。由于實測容重為2 215，求得校正系數為0.96。

最終確定配比見表1。

表1 配合比的試配結果

3.3 配合比設計方案二（本方案由本總隊試驗室提供）

按照吳中偉教授確定高性能混凝土配合比的簡易方法和《客運專線高性能混凝土暫行技術條件》，粉煤灰采用等量取代法進行配合比設計。

該設計法的基本原則是要求砂石有最小的混合空隙率，按絕對體積法原理計算。具體步驟和計算過程以C30高性能混凝土為例進行以下計算：

3.3.1 求砂石混合空隙率α，選擇最小值

考慮到泵送混凝土對砂率的要求，本次試驗選定砂率為38%～40%，按不同比例混合裝入7 L容量筒內，在振動臺上振動至試樣不再下沉為止，刮平表面后稱量，求出砂石的緊密度；測出砂石混合料的表觀密度，計算出空隙率。試驗結果見表2。

3.3.2 計算膠凝材料漿量

膠凝材料漿量等于砂石混合空隙體積加富余量。膠凝材料漿體富余量取決于工作性要求和外加劑性質和摻量，按坍落度140～180 mm估計為8%～10%，由試拌決定。假設為8%，α為23.8%，則漿體體積為α+8%=31.8%,即318 L/m3。

表2 試驗結果

3.3.3 計算各組分用量

設選用水膠比為0.4，摻入粉煤灰為30%，水泥密度為3.15kg/m3，粉煤灰密度為 2.1 kg/m3，則：膠凝材料用量 /漿體積 =1/［（0.7/3.15）+（0.3/2.1）+0.4］=1.31，即 1 L 漿體用膠凝材料 1.31 kg，膠凝材料總用量=318×1.31=417 kg/m3。

因標準規定C30及以下混凝土的膠凝材料總量不宜高于400 kg/m3，故膠凝材料總量取400 kg/m3。

水泥用量=400×0.7=280 kg/m3；

粉煤灰用量=400×0.3=120 kg/m3；

水用量 =400×0.4=160 kg/m3；

外加劑用量=400×1.5%=6.0 kg/m3；

集料總量 =（1 000-318）×2.674=1 824 kg/m3；

砂用量 =1 824×0.4=730 kg/m3；

石用量=1 824-730=1 094 kg。

經試拌最終確定配合比為：

水泥用量280 kg/m3；粉煤灰用量120 kg/m3；

水用量150 kg/m3；外加劑用量6.0 kg/m3；

砂用量 738 kg/m3；碎石用量 1 106 kg/m3。

3.3.4 配合比的試配結果

經試驗驗證混凝土的和易性、強度、電通量、抗裂性均能滿足施工要求。

4 混凝土生產控制

4.1 原材料的管理

保證原材料的質量穩定是保證混凝土質量的重要條件。對于原材料的采購不僅要設專人，而且還要設專人管理，并有固定堆放地點。購進的原材料都必須抽取有代表性的試樣，進行嚴格的復檢，不合格的材料應堅定不移地予以清除出場。對于砂石料，只有使用部門嚴格按標準購買砂石，生產者才會重視砂石的質量，才能形成一個良性循環。

砂石含水量的測試尤其重要，如果不是雨天，含水率的測試應每班測定兩次，并根據含水率及時調整施工配合比。其次在測試含水量時，以砂石的表面含水率作為調整配合比的依據，即含水率扣除飽和面干含水率，也稱含濕率。通常以砂石烘干至半干狀態，翻拌降溫后表面干燥為宜，這樣就不會因砂石烘的過于干燥而吸水率提高，使得拌和用水相對減少，導致混凝土坍落度損失過快。另外，砂石的儲存至少要有兩個以上的料倉，一是可以區分出已檢合格待用倉和進料待檢倉；二是堆料時間較長的倉內砂石料的含濕量相對穩定，有利于質量控制。

4.2 攪拌和運輸

混凝土的攪拌是質量控制的重要一環。高性能混凝土的水灰比較小且所用的外加劑都具有較高的減水率，故對用水量非常敏感，因此，開盤前校準計量系統顯得尤為重要。但這項工作被多數單位在生產中簡化了，所以在混凝土拌和物質量發生突然變化時，不能及時準確地判斷其原因。

為了提高高效減水劑的減水效率并減少坍落度損失，工作人員采用國外常用的高效減水劑后摻法，這樣可減少粉狀膠凝材料對外加劑的吸附，能更好地發揮外加劑的作用。

由于高性能混凝土水灰比較小且又有細粉狀的礦物摻合料加入，混凝土的黏度較普通混凝土大，所以在攪拌時間的控制上，要求不宜少于2 min，不得少于90 s，這樣混凝土拌和物就會均勻，色澤一致，不但對混凝土的強度有利，而且使得混凝土工作性能較為穩定。

武廣客專混凝土生產多采用大型的集中攪拌站，采用運輸車運輸混凝土，要做到開機的前幾盤混凝土均進行工作性測試有一定的難度，所以要求混凝土試驗員必須密切注意觀察每盤混凝土從攪拌機出料口流入運輸車喂料口的性狀來調整混凝土的和易性，以首車混凝土的工作性檢測來印證施工配合比的正確性。為了利于泵送，通常在混凝土泵送前先泵送砂漿潤滑管道，砂漿的制備可采用同混凝土相同的水灰比的砂漿，要求砂漿不得離析泌水，否則會影響后續混凝土的質量。混凝土運輸到澆筑地點后，至少要快速旋轉攪拌1 min后卸料。

5 施工質量控制

5.1 模板要求

模板應拼裝嚴密、內表面應平整光潔。模板內表面應使用脫模劑或使用潔凈機油兌一定比例的柴油進行涂刷，但不宜過厚。

5.2 混凝土的澆筑、振搗

運輸至澆筑地點的混凝土必須進行工作性測試，當坍落度損失較大時，可向攪拌車中補摻少量高效減水劑，不得任意加水。

墩身混凝土的澆筑應采用從邊緣向中心的布料方法。

高性能混凝土自身的工作性能良好，具有良好的填充性和易密性，因而不需強力振搗。只需低頻振搗器振搗，且可加大振點的間距，縮短振搗時間。當采用高頻插入式振搗器進行振搗時，應采用快插、快拔的操作方法，防止混凝土離析，影響混凝土外觀質量。混凝土澆筑完畢后應進行二次抹面，并盡快覆蓋表面防止失水出現塑性開裂。

5.3 混凝土的拆模和養護

高性能混凝土因水膠比較低，早期強度并不比同強度普通混凝土的低。但由于高性能混凝土對坍落度損失的要求，凝結時間較普通混凝土延長，但也必須在終凝后盡早拆模并采用塑料薄膜裹覆保濕養護防止出現干縮裂紋。

6 工程實體外觀質量

為使高性能混凝土能夠在武廣客運專線正常發揮效用，本局經理組織在第六工程總隊嚴格按照中心試驗室下發的C30高性能混凝土配合比進行墩身混凝土澆筑，其主要的目的是對混凝土配合比進行驗證，并在拆模后觀察混凝土的外觀質量，試驗結果并不理想，墩身表面出現有氣泡、花斑水印、水線、砂溜等外觀缺陷。分析原因時，大家認為主要是混凝土的保水性能差，并將導致這一結果的主要原因“歸功”于外加劑，要求廠家改進外加劑產品質量。后在先期施工的橋梁工程中，混凝土的表面也不同程度地出現外觀質量缺陷。

針對前期其他總隊墩臺身混凝土外觀質量問題，進行認真分析原因和總結經驗，得出造成混凝土外觀質量差的主要原因是，原有配合比設計中膠凝材料用量偏少而造成漿體體積偏少；砂率偏小造成混凝土保水性、黏聚性較差，最終導致混凝土在高頻激振作用下抗離析能力弱，故在該總隊黃沙灘大橋8號墩施工中啟用第二方案設計的配合比。在施工中嚴格按新的施工配合比進行混凝土攪拌并控制混凝土出機坍落度為160～180 mm，運至工地后坍落度大體在140～160 mm之間，混凝土拌合物性能良好，泵送暢通；混凝土的振搗按規定操作，拆模后混凝土表面光潔無蜂窩、花斑水印、水線、砂溜等外觀缺陷，達到了預期的效果，在后續的墩臺身施工和質量檢查中獲得業主和本局經理部一致認可。

7 體會

兩種不同混凝土配合比設計方案在工程中應用的結果表明：在施工工藝基本相同的條件下，混凝土配合比的合理設計對混凝土外觀質量起著決定性的作用。高性能混凝土配合比設計對混凝土從業技術人員的專業水平提出更高的要求，從業人員必須充分認識大摻量礦物摻合料的高性能混凝土的各項特征、聚羧酸外加劑的特點、骨料等原材料變化造成的混凝土性能波動，并綜合考慮實際機械、設備能力和施工控制水平、施工難易程度來進行配合比設計，施工操作人員應根據新型混凝土的各項特性摸索和總結施工經驗，才能更有利于高性能混凝土施工質量的保證。