T梁混凝土氣泡產生原因與防治措施研究

李 云，黑金龍，吳東林，姚東冬

(云南建投綠色高性能混凝土股份有限公司，云南 昆明 650501)

0 引言

近年來，隨著我國公路工程建設的迅速發展，云南省作為國家西部大開發的重要省份，“十三五”期間，全省擬建成高速公路里程4 000 km，投資6 000億元，高速公路通車里程將達到8 000 km，基本建成“七出省、五出境”通道。現代建筑技術的不斷發展，衡量混凝土工程質量的優劣，不僅僅是考慮其適應性、經濟性、耐久性和安全性，對于美觀性的要求也非常重要。高速公路建筑構件外部通常不采用涂刷和裝飾，結構物外露部分混凝土的質量，目前不僅對強度、完整性、幾何尺寸及其他技術指標有越來越高的標準，而且對于混凝土外觀要求也越來越嚴格[1]。

T梁作為高速公路建設中主要構件之一，在混凝土的生產及施工過程中，受到混凝土原材料、配合比、施工工藝等因素的影響，在混凝土表面產生較多氣泡，嚴重影響T梁外觀質量，同時對結構強度及耐久性產生較大影響。

1 混凝土氣泡產生原因

某高速公路地處典型高原氣候地區，晝夜溫差高達10 ℃～15 ℃，易造成T梁外觀差質量問題，混凝土的設計強度等級為C50，主要以30 m T梁為主，前期澆筑過程中，拆模后表面出現不同程度的氣泡問題，對外觀和質量造成一定的影響。現場統計的是按照測區直徑大于3 mm，1 mm～3 mm和小于1 mm的氣泡分類，在整個測區中氣泡較多，且分布不均勻，氣泡的最大直徑達到13 mm，最大深度達到5 mm，氣泡所占面積達到T梁表面的0.05%左右，表1為部分T梁表面氣泡情況的統計。

表1 T梁表面氣泡情況統計

混凝土表面氣泡的大多為液—氣界面和固—液界面雜合而形成的，混凝土體系中含氣量與漿骨比不匹配時，小氣泡在向側表面及上表面遷移過程中積聚成大氣泡，大氣泡在側面由于受到漿體的黏滯和骨料構架的阻隔無法順利上浮時，則在硬化后形成表面圓角孔洞。氣泡的形成和排除受到兩方面的影響：一是混凝土本身的因素，包括原材料、配合比、外加劑的影響等，主要影響氣泡的破裂及排出阻力，另一方面是混凝土的運輸、成型、振搗施工等，主要影響混凝土中氣泡排出的推動力。根據工程T梁混凝土的生產及施工澆筑情況進行生產原因分析和排查，具體情況如下。

1.1 原材料原因

混凝土原材料中，對混凝土表面氣泡產生影響較大的一個因素是骨料的級配不合理，會直接導致氣泡產生。骨料的級配不合理，碎石中針片狀顆粒含量較高，在生產中砂率調整不及時，導致細骨料不足以填充粗骨料的空隙，形成氣泡產生的自由空間[2]。通過對實際生產所有碎石和河砂檢測，碎石采用5 mm～10 mm和10 mm～25 mm兩種粒徑按施工配合比中的摻配比例混合，其各個粒徑碎石累計篩余均滿足規范中5 mm～25 mm的級配要求。所用河砂細度模數為3.3，屬粗砂，顆粒級配曲線如圖1所示。

根據細度模數檢測結果及圖1可知，所用的河砂細度模數較大，顆粒級配較差，其中篩孔尺寸2.36 mm及1.18 mm上累計篩余量較多。砂的顆粒級配較差，級配出現斷檔，一方面增加砂的比表面積，導致混凝土黏度增大，有利于氣泡的引入，另一方面，造成混凝土骨料之間的空隙填充和堆積不密實，易形成利于氣泡富集的自由空隙，導致含氣量上升[3]。

1.2 外加劑原因

T梁混凝土的生產過程中使用的外加劑為上海三瑞高分子材料股份有限公司生產的聚羧酸高性能減水劑，外加劑的組分包括母液、消泡劑、引氣劑等，其中消泡劑和引氣劑的含量對混凝土氣泡的生產影響較大。洪根等人[4]的研究表明外加劑中消泡劑、引氣劑及含氣量控制方式對表觀氣泡的影響較大，優選合適的消泡與引氣的外加劑品種及含氣量控制方式能夠優化混凝土內部的氣泡大小分布，有利于改善混凝土外觀質量。

在實際生產過程中，由于澆筑環境溫度的升高，外加劑中消泡組分和引氣組分未隨氣溫升高做適當調整，導致混凝土含氣量隨著氣溫升高而增大，并且隨著氣溫升高外加劑保坍效果也較之前有所下降，混凝土的實測含氣量在2.5%～3.2%之間。

1.3 施工原因

T梁混凝土在實際澆筑振搗過程中，部分梁場附著式振動器數量較少，存在跳空布置的情況，如圖2所示。在布料過程中一次布料較厚，在40 cm～100 cm之間，尤其是T梁端頭附近位置一次布料較多，且振搗不充分，不能使混凝土內氣泡完全排出。

混凝土成型時使用的模具為鋼模，前期澆筑使用的脫模劑為滾筒涂刷柴機油混合物，鋼模刷油后有一定的黏滯力，對氣泡具有極強的吸附性，氣泡一經與之接觸，便會吸附在模板上很難隨著振搗作業上升排出，直接導致混凝土結構表面出現氣泡[5]。并且涂刷柴機油后未對模板進行覆蓋，模板受到雨水沖刷后帶走大部分柴油，混凝土脫模后外觀質量變差。

2 氣泡解決措施及試驗結果分析

2.1 原材料調整

針對河砂細度模數較大及其對混凝土氣泡的影響，進行河砂細度模數及顆粒級配的調整，調整后河砂的細度模數在2.6～3.0之間，摻入19%的機制砂進一步改善砂的顆粒級配，調整后河砂的顆粒級配和摻入機制砂后的顆粒級配曲線分別如圖3，圖4所示。

通過圖3和圖4的砂顆粒級配曲線可知，調整后河砂的整體顆粒級配更為合理，摻入一部分機制砂后顆粒級配改善明顯，實際顆粒級配曲線在Ⅱ區砂區間。

2.2 外加劑調整

根據混凝土含氣量及外觀質量控制的要求，對外加劑中消泡劑、引氣劑的比例進行調整，原配方中消泡劑的摻量為0.05%，經過調整增加0.03%消泡組分，同時加入適當的引氣成分和0.5%超保塑母液，外加劑調整前后混凝土的工作性對比如表2所示。

表2 外加劑調整前后混凝土工作性對比

由表2可知，通過調整外加劑中的消泡組分和引氣組分后，提高外加劑中消泡比例，外加劑的消泡能力更好，混凝土含氣量明顯下降，同時優化了混凝土保塑效果，延長保塑時間，使得混凝土在夏季高溫環境下工作性保持時間變長，混凝土入模流動性較好，可促進在震搗過程中排泡速度和破泡速度，改善T梁的外觀質量。

2.3 配合比優化

根據原材料及外加劑的調整和改進，同步進行混凝土配合比的優化調整，在保證混凝土力學性能符合要求的前提下，適當調整膠凝材料用量，降低混凝土漿骨比。配合比優化后混凝土的工作性對比如表3所示。

表3 配合比優化前后混凝土工作性對比

由表3可知，當采用優化后的配合比后，混凝土的含氣量進一步降低，擴展度由調整前的480 mm增大到540 mm，倒提時間減少至5 s，即配合比的調整有效的降低了混凝土拌合物的黏度，增大了拌合物的流動性。混凝土流動性的增大和拌合物黏度的降低，使得混凝土漿體的黏滯阻力降低，在振動施工時氣泡的上升阻力降低，更有利于氣泡的上浮和排出[6]。

2.4 施工工藝改進

1)脫模劑：混凝土模板使用專用的水性脫模劑，將脫模劑與水按1∶3～1∶4比例混合均勻，使用電動噴壺噴涂分兩次噴涂，第二次噴涂時間在首次噴涂形成薄膜具有一定黏結力下進行，一般兩次噴涂時間間隔為1 h～2 h。脫模劑噴涂完成后需用薄膜或土工布延合攏鋼板的翼板處進行覆蓋，避免雨水沖刷。

2)混凝土振搗：T梁兩側各配備1臺高頻變頻柜，單側布置不低于5臺附著式振動器，振動器功率不低于1.5 kW，振動頻率不低于150 Hz，附著式振動器應連續布置在懸掛焊接處，不得跳空布置。配備3個手提式振動棒，手提式振動器直徑不應低于50 mm，由于手提式振動器振動范圍較小，不宜跳空插倒；選用直徑為70 mm的手提式振動器跨空振搗距離不宜超過一空，插拔振搗以混凝土表面不出現氣泡為宜，一般為15 s～20 s，按“快插慢拔”進行了插搗。

3)澆筑工藝：澆筑時采用“斜層縱向分段，水平分層”工藝進行澆筑，澆筑順序。

T梁端頭位置宜分三層澆筑，且每層澆筑時均建議開啟振動器，腹板推移澆筑時每層厚度不宜超過30 cm，卸料時除使用振動棒外還需開啟附著式振搗器加強振搗。T梁的馬蹄部分鋼筋較密，應先澆筑馬蹄部分，后澆腹板。澆筑腹板的混凝土需及時振搗，不得漏振，振動時間以混凝土表面不出現氣泡為宜。

通過氣泡生產原因分析及采取相應的優化調整措施之后，T梁表面氣泡情況有了較大的改善，表4為調整后T梁表面氣泡統計數據，圖5，圖6分別為調整前后T梁腹板和馬蹄處外觀質量對比圖。

表4 調整后T梁表面氣泡情況統計

由表4和外觀對比圖可知，調整后T梁表面單位面積大于3 mm的氣泡數量減少了80%左右，同時氣泡的深度和直徑也有了較大的減小，混凝土的外觀質量良好，改善效果明顯。

3 結論

1)改善混凝土中河砂的細度模數，且摻入一部分機制砂能夠優化細骨料的顆粒級配，有效的改善混凝土的流動性和填充模板能力。

2)調整外加劑中消泡劑和引氣劑的組分，能夠明顯降低混凝土的含氣量，減小氣泡尺寸和數量，同時能夠優化混凝土的保塑效果，改善混凝土的入模流動性，促進在振搗過程中排泡速度和破泡速度。

3)通過配合比優化調整，減少部分膠凝材料用量，降低漿骨比增大了混凝土的流動性，降低拌合物的黏度，使得混凝土漿體的黏滯阻力降低，在振動施工時氣泡的上升阻力降低，更有利于氣泡的上浮和排出。

4)改善施工工藝有效的減少了T梁馬蹄處的氣泡和整體外觀質量，合理的分層布料和振搗工藝對減少表面氣泡具有重要的作用。