戈壁沙漠環境下高性能混凝土開裂的預防措施

劉勇

Prevention Measures for Cracking of High Performance Concrete in Gobi Desert Environment

摘要： 戈壁沙漠環境下，為減少和預防施工階段混凝土表面裂紋的出現和后續運營階段的發展，從調整優化配合比著手，嚴格控制水膠比和水泥用量，盡量降低用水量、坍落度、砂率，得到理論配合比。通過理論配合比在施工現場使用一段時間的情況下，檢測混凝土強度富余量來進一步對理論配合比的優化。并結合工程實踐，提出了預防戈壁沙漠地區高性能混凝土開裂的措施，并在實踐中驗證了其優良性，該研究結果對其它地區也有預防開裂的指導意義。

Abstract： In Gobi desert environment， in order to reduce and prevent the emergence of concrete surface cracks during the construction phase and its development of follow-up operation stages， the proportion of water and cement and the amount of cement shall be strictly controlled from the point of adjusting and optimizing the mix ratio， so as to minimize the water consumption， slump and sand rate and get the theoretical mix. By using the theoretical mix ratio for a period of time at the construction site， the concrete strength allowance is examined to further optimize the theoretical mix ratio. Combining with engineering practice， measures to prevent cracking of high performance concrete in the Gobi desert area are proposed and its excellence is verified in practice. The results of this study also have guiding significance for prevention of cracking in other areas.

關鍵詞： 戈壁；高性能混凝土；防開裂；配合比優化

Key words： gobi；high performance concrete；anti-cracking；optimization of mix ratio

中圖分類號：U214.1+8 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）15-0117-04

0 引言

蘭新客運專線沿線氣候環境差異較大，線路多處于夏季高溫、冬季嚴寒、溫差大、風沙大、日照強、干旱缺水等惡劣自然氣候條件下，主要不利因素是極度干旱缺水，大風、大溫差、大蒸發量。

大量資料表明，高性能混凝土在國內外得到了廣泛的應用[1]。國內外相關科研機構在眾多的工程中進行了相關的研究，并制定了相應的技術規程，但混凝土結構耐久性需要結合具體工程、具體環境，研究相應的技術措施，其中，混凝土開裂對耐久性的影響尤其重要。隨著我國西北戈壁沙漠地區鐵路建設的快速發展，各類大中型工程對混凝土耐久性要求的提高，針對西北戈壁沙漠地區特殊的自然環境下，如何提高混凝土的耐久性是擺在大量工程建設者面前的一個難題。

工程實踐表明，混凝土耐久性往往與其開裂行為密切相關[2]，所以預防和減少開裂對耐久性的提高有很大意義。文章[3]從配合比方面考慮了水泥品種、水灰比、砂率、粉煤灰摻量以及含氣量等對混凝土開裂的影響，提出了混凝土配合比優化的理論指導，本次試驗主要基于該文章的試驗結論，從嚴格控制水膠比和水泥用量、盡量降低用水量、坍落度、砂率等方面，進行了理論配合比設計并進行了拌合物性能、力學性能及耐久性能試驗，在理論基礎上提出了實際工程中使用的優化配合比。望能對同類極端氣候下的工程施工具有借鑒意義。

1 混凝土理論配合比設計

依據[3]相關參數分別設計以下3種理論配合比：墩（臺）身混凝土、箱梁預制混凝土、道床板混凝土，具體配合比參數如下：

1.1 C40墩（臺）身高性能混凝土配合比

配合比具體參數：水膠比選用0.36<0.40， 膠凝材料用量430kg/m3>340kg/m3，砂率42%，5～31.5mm連續級配碎石（采用兩級配，5～16mm、16～31.5mm，碎石按5：5 摻配），粉煤灰摻量20%，礦渣粉摻量10%，外加劑1.1%，引氣劑0.1%。

坍落度控制在160～200mm，含氣量4～6%。配合比見表1，試驗結果見表2。

1.2 C50箱梁預制高性能混凝土配合比

配合比具體參數：水膠比選用0.31<0.35， 膠凝材料用量500kg/m3，介于360～500kg/m3，砂率40%，5～20mm連續級配碎石（采用兩級配，5～10mm、10～20mm，碎石按4：6摻配），粉煤灰摻量15%，礦渣粉摻量10%，外加劑1.4%，引氣劑0.1%。

坍落度控制在160～200mm，含氣量2～4%。配合比見表3，試驗結果見表4。

1.3 C40道床板高性能混凝土配合比

配合比具體參數：水膠比選用0.33<0.50， 膠凝材料用量420kg/m3>300kg/m3，砂率42%，5～20mm連續級配碎石（采用兩級配，5～10mm、10～20mm，碎石按4：6摻配），粉煤灰摻量30%，外加劑1.2%，引氣劑0.1%。

坍落度控制在160～180mm，含氣量4～6%。配合比見表5，試驗結果見表6。

2 混凝土配合比優化

混凝土配合比優化是通過理論配合比在施工現場使用一段時間的情況下，檢測混凝土強度富余量來進一步對理論配合比的優化。在既滿足混凝土力學性能、耐久性指標要求的前提下，通過調整混凝土設計標準差、減少混凝土配置當中各組成原材料摻量和摻量匹配性，特別是在評判混凝土和易性和保坍性品質來優化配合比，同時在性能和品質提高的前提下節約成本。

對上述3種理論配合比結合施工現場情況，提出了進一步優化配合比思路，獲得的配合比具體如下：

2.1 C40墩（臺）身高性能混凝土配合比

優化過程：水膠比、膠凝材料用量不變的情況下，減少水泥用量，增加礦渣粉摻量，由原來的摻量10%提高到摻量15%；砂率由原來的42%降低到40%。

坍落度控制在160～200mm，含氣量4～6%。配合比見表7，試驗結果見表8。

2.2 C50箱梁預制高性能混凝土配合比

優化過程：水膠比不變的情況下，膠凝材料用量降低10kg/m3，膠凝材料用量由500kg/m3降到490kg/m3；減少水泥用量增加礦物摻合料，礦物摻合料總摻量有原來的25%提高到總摻量30%，具體是粉煤灰由原來的摻量15%提高到摻量17%，礦渣粉摻量由原來的摻量10%提高到摻量13%。

坍落度控制在160～200mm，含氣量2～4%。配合比見表9，試驗結果見表10。

2.3 C40道床板高性能混凝土配合比

優化過程：水膠比不變的情況下，膠凝材料用量降低30kg/m3，膠凝材料用量由420kg/m3降到390kg/m3；砂率由原來的42%降低到40%；外加劑由原來的1.2%增加到1.4%；坍落度由原來的160～180mm控制到140～160mm。

坍落度控制在140～160mm，含氣量4～6%。配合比見表11，試驗結果見表12。

通過對多種篩選設計后的三種混凝土配合比在前期使用后又對其優化。優化后的混凝土品質明顯提高，施工產品內實外美，由于改善了品質混凝土的裂紋控制明顯得到了提高，優化的參數與文章[3]的研究結果也是一致的。

3 預防混凝土開裂的措施

通過試驗能夠看出，影響混凝土收縮及開裂的因素很多，從原材料、復合化學外加劑的選擇到砂率、水灰比及復合礦物外加劑的摻量，所有這些因素均對混凝土的開裂產生影響。特別是與其他地區相比，戈壁沙漠干旱地區的混凝土由于溫度變化和濕度變化產生的裂縫較多，自干燥收縮、化學減縮較大，易氯鹽腐蝕、凍融及鹽漬土易導致混凝土結構開裂。因此，若要降低混凝土的開裂，不但要優化混凝土配合比及外加劑的復配，還要從嚴格控制原材料的質量、加強施工質量控制及管理、合理設計結構等幾個方面入手。

3.1 嚴格控制原材料的質量

①考慮到混凝土溫差主要是由水化熱產生的，所以盡量采用早期水化熱低的水泥，盡量避免使用早強水泥。

②改善粗骨料級配，使其空隙率減至最少；適當減少粗骨料最大粒徑，降低粗細骨料的粒徑梯度。盡量選擇使用線膨脹系數較小的粗骨料，同時嚴格控制骨料的含堿量。

③禁止使用含泥量大的細砂，采用級配良好且含泥量少、細顆粒少的中砂和中粗砂，同時，在滿足和易性的情況下，應采用較小的砂率。

④除了按有關的規范、標準檢驗原材料的常規指標外，對影響體積穩定性的有關指標也要嚴格檢驗，如：水泥的體積安定性，水泥中Na2O、及MgO和C3A含量，砂石材料的堅固性、粗細程度和有害雜質（硫化物、硫酸鹽及水膨脹的礦物等）的含量。

3.2 科學設計混凝土的配合比

從配合比方面考慮，影響混凝土開裂的主要因素有：水灰比、砂率、礦物外加劑摻量等。

①混凝土配合比設計時，在達到各項性能的同時，要盡量降低水泥用量、用水量、坍落度、砂率。嚴格控制混凝土的坍落度，其它條件一定，坍落度越大，需要的水的量就越大，混凝土收縮和開裂的可能性就越大。

②摻加粉煤灰，一般可按水泥用量的15～25%摻用，這樣可以提高拌和料的和易性，改善混凝土的工作性能，降低水化熱，從而減少裂縫的發生。

③可以考慮在混凝土中摻用纖維材料，纖維在混凝土中起到“拉結”作用，不同程度地抑制了裂縫的發展，如在混凝土中摻用聚合物纖維、鋼纖維、碳纖維、玻璃纖維等，但大面積使用成本高，可在特殊結構物使用。

3.3 加強施工質量控制及管理

①對影響混凝土開裂的主要因素建立裂縫質量控制圖，以便系統地總結在戈壁沙漠地區特殊氣候及環境條件下如何更好地控制混凝土質量。

②在施工各環節中，對混凝土裂縫影響較大的是澆注振搗的質量及養護的條件，要避免過度振搗。否則，由于分層離析，表層水泥漿過大，易產生裂縫。耐久混凝土水灰比低、泌水少，表層混凝土易缺水，寒冷干旱地區氣候干燥，容易引起混凝土表面干縮開裂。因此，早期未拆模就要做好保濕、保溫措施。在施工階段，還應特別注意施工荷載不得過于集中，防止對結構物局部荷載集中，造成混凝土未凝結時受力產生破壞。

③當環境溫度不低于外加劑規定使用溫度時，就不必采用外加熱措施，用適當方法包裹保溫防止散熱，避免過大溫差即可。混凝土內外溫差宜控制在20℃之內。環境溫度太低時，用火爐加熱要注意適當通風，避免發生碳化收縮裂縫。

④施工期間，當遇到突發的過高或過低的極端溫度時，在熱天，需要時可采取冷卻的水或集料，避免混凝土溫度過高，或在晚間進行混凝土施工。冷天當拆除模板或保濕設施時，防止混凝土表面溫度迅速下降產生冷擊。養護中斷時要防止迅速干燥或過度干燥。防止風吹及太陽直射。避免過高或過低的極端溫度，當溫度過高時可用冷卻的水或集料，避免混凝土溫度過高。低溫環境下拆模時應防止混凝土表面溫度迅速降低產生溫差裂縫。

⑤加強施工管理，減少人為失誤，提高作業人員的素質和責任心，施工過程中嚴格進行質量控制，從原材料質量、外加劑選用、配合比設計和各施工環節等進行嚴格控制和管理。強化施工后養護工作“連續性、不可逆”的施工理念，確保混凝土養護連續有效。

4 結論

目前哈密地區尚無高性能混凝土施工的經驗，國內戈壁沙漠地區、干旱、大溫差氣候條件下，高性能混凝土施工技術存在較多的研究領域，本次試驗的混凝土配合比優化填補了國內同類地區混凝土施工的空白，可供類似工程借鑒。通過配合比優化分析，經過對照試驗，在蘭新客運專線三標施工項目實施過程中，大體積承臺混凝土、墩臺身、軌枕、遮板等小型構件及道床板均有效地控制了裂紋的出現和發展。本次混凝土配合比優化設計和施工過程較為成功，望能給同類型工程的高性能混凝土施工提供參考。

參考文獻：

[1]陳家輝.高性能混凝土應用現狀及其前景[J].廣州建筑，1998（2）：3-8.

[2]彭衛兵，何真，梁文泉.對高性能混凝土的認識及混凝土開裂的問題[J].中國水泥，2003（1）：40-44.

[3]李雁，曹新剛.戈壁沙漠地區高性能混凝土配合比優化設計[J].高速鐵路技術，2015，6（6）：85-89.