高速公路機(jī)制砂T形預(yù)制梁混凝土氣泡分析與研究

虞榮彬

摘要 高速公路T形預(yù)制梁是高速公路橋梁結(jié)構(gòu)中重要構(gòu)件的一部分，由于T梁混凝土配合比、原材料質(zhì)量、施工工藝等多種因素影響導(dǎo)致預(yù)制T梁馬蹄、腹板、翼緣板倒角等位置產(chǎn)生表面氣泡影響預(yù)制構(gòu)件的外觀質(zhì)量，以九綿高速公路T形預(yù)制梁混凝土馬蹄、腹板、翼緣板倒角位置的氣泡為研究對(duì)象，根據(jù)工程施工工藝分析氣泡產(chǎn)生原因，通過(guò)T梁混凝土配合比、原材料質(zhì)量、施工工藝分析研究改進(jìn)措施，減少高速公路T形預(yù)制梁混凝土表面氣泡，進(jìn)而提高橋梁預(yù)制外觀質(zhì)量和混凝土施工質(zhì)量，為建設(shè)高品質(zhì)高速公路奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 高速公路；機(jī)制砂；T形預(yù)制梁；氣泡；分析與研究

中圖分類(lèi)號(hào) TU528.042文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）24-0117-04

0 引言

根據(jù)國(guó)家西部大發(fā)展戰(zhàn)略方針，“十四五”規(guī)劃的要求，四川省作為西部發(fā)展的重中之重，加快形成成渝經(jīng)濟(jì)圈交通基礎(chǔ)設(shè)施，四川省九寨溝（甘川界）至綿陽(yáng)公路路基LJ32合同段位于四川省綿陽(yáng)市、江油市，該項(xiàng)目建成后起點(diǎn)可與甘肅連接，形成一條新的出川通道，終點(diǎn)往南可達(dá)重慶，強(qiáng)化甘肅、四川、重慶之間聯(lián)系，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到積極帶動(dòng)作用，該線路沿線途徑九寨溝、平武縣、綿陽(yáng)市、德陽(yáng)市、遂寧市，也是一條旅游經(jīng)濟(jì)帶，對(duì)沿線旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有巨大推動(dòng)作用，更是條增強(qiáng)抗災(zāi)救災(zāi)能力的生命通道[1]。因此該條高速公路的混凝土質(zhì)量不僅要考慮適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性、耐久性、安全性，還要考慮外觀美觀性與沿線風(fēng)土人情、地方文化相得益彰，結(jié)構(gòu)物上跨多、外露結(jié)構(gòu)尺寸、外觀質(zhì)量尤為重要。

四川省九寨溝（甘川界）至綿陽(yáng)公路路基LJ32合同段預(yù)制T形梁主要是上跨國(guó)道S205、高速以及綿陽(yáng)至江油主干線，沿線旅游景點(diǎn)眾多，T梁預(yù)制質(zhì)量外觀要求非常高，混凝土表面氣泡較多，不僅會(huì)影響T梁外觀質(zhì)量，也會(huì)對(duì)梁體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性、安全性產(chǎn)生影響，在預(yù)制梁生產(chǎn)過(guò)程中，由于預(yù)制梁馬蹄、腹板、翼緣板倒角位置的混凝土氣泡與混凝土原材料質(zhì)量、配合比、施工工藝方法有著密切的關(guān)系，因此為保證梁體施工質(zhì)量與外觀質(zhì)量，對(duì)混凝土氣泡產(chǎn)生原因進(jìn)行分析研究[2]。

1 預(yù)制T形梁馬蹄、腹板、翼緣板倒角混凝土氣泡調(diào)查分析

T形預(yù)制梁設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C50混凝土，長(zhǎng)度為50 m，預(yù)制采用鋼模板在預(yù)制場(chǎng)集中預(yù)制，在項(xiàng)目前期預(yù)制T梁生產(chǎn)過(guò)程中，模板拆除后，梁體馬蹄、腹板、翼緣板倒角位置出現(xiàn)不同程度、形狀大小不一的氣泡，嚴(yán)重影響預(yù)制T梁早期強(qiáng)度及外觀質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)澆筑完成9片T梁后，針對(duì)澆筑完成的T梁氣泡產(chǎn)生位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，按照梁底至馬蹄倒角位置長(zhǎng)度1 m×高度0.5 m、腹板長(zhǎng)度1 m×高度0.5 m、翼緣板倒角長(zhǎng)度1 m×翼緣板寬度0.5 m為測(cè)區(qū)面積區(qū)域范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，測(cè)區(qū)位置如圖1所示。

按照直徑小于1 mm、1～5 mm、大于5 mm的氣泡分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，在整個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)中氣泡分部較多、較大的部位是梁體底部至倒角位置，腹板和翼緣板氣泡分部相對(duì)馬蹄位置較少，且直徑和深度較淺，最大氣泡深度達(dá)到6 mm，直徑達(dá)到12 mm。9片預(yù)制T梁氣泡統(tǒng)計(jì)如表1所示。

預(yù)制T梁表面氣泡呈現(xiàn)出密集位置主要是馬蹄、翼緣板倒角部位，馬蹄位置氣泡密集、大小不一且容易形成較大型氣泡，這類(lèi)倒角位置氣泡主要是由于混凝土在施工澆筑過(guò)程中振搗時(shí)，靠近模板側(cè)面氣泡上浮遷移至倒角位置聚集，由于漿體和骨料結(jié)構(gòu)級(jí)配不合理致使混凝土振搗過(guò)程中無(wú)法讓氣泡順利上浮至梁體表面，在模板拆除后形成密集、大小不一的圓形、橢圓形狀。因此，T梁氣泡的形成主要是因混凝土配合比、原材料質(zhì)量、施工工藝引起的，下面主要從這幾方面分析和研究氣泡產(chǎn)生的原因。

1.1 砂石材料選用及分析

砂石料是T梁混凝土的重要組成部分，集料包括粗集料和細(xì)集料，粗集料主要起到混凝土的支撐作用，細(xì)集料主要作用是填充粗集料的空隙。經(jīng)過(guò)對(duì)周邊料場(chǎng)的考察，綜合經(jīng)濟(jì)性和質(zhì)量，預(yù)制T梁細(xì)集料采用機(jī)制砂、粗集料采用5～10 mm和10～20 mm兩種碎石級(jí)配合成的碎石[3]。通過(guò)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的機(jī)制砂和碎石進(jìn)行檢測(cè)，所用機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)為3.2，屬于粗砂。實(shí)際生產(chǎn)的機(jī)制砂級(jí)配曲線如圖2所示，根據(jù)施工配合比的摻配比例合成的碎石級(jí)配曲線如圖3所示。

根據(jù)機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)檢測(cè)結(jié)果及圖2和圖3可知，機(jī)制砂偏粗且級(jí)配不良，1.18 mm及2.36 mm篩孔尺寸的累計(jì)篩余率超出上限。碎石級(jí)配不良，摻配比例不合理，9.5 mm和19 mm篩孔尺寸的累計(jì)篩余量超出上限。機(jī)制砂顆粒級(jí)配不良，不能有效地填充粗集料之間的空隙，導(dǎo)致混凝土的流動(dòng)性下降，導(dǎo)致氣泡堆積不能有效排出，碎石級(jí)配不良同樣會(huì)影響混凝土的和易性，導(dǎo)致混凝土不密實(shí)，形成自由空隙，為氣泡的產(chǎn)生提供條件。

1.2 外加劑選用及分析

預(yù)制T梁混凝土采用的外加劑為四川恒澤建材有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，減水劑的主要組分包括母液、引氣劑、保坍、消泡劑等，其中引氣劑和消泡劑對(duì)混凝土氣泡的產(chǎn)生有很大的影響。聚羧酸減水劑本身含氣量較高，大部分是有害氣體，而且混凝土在攪拌和施工過(guò)程中會(huì)伴隨大量氣泡的產(chǎn)生。消泡劑的引入能快速降低聚羧酸減水劑的含氣量，也能快速破除混凝土攪拌過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡。因此，選用合適的消泡和引氣的外加劑品種，能有效減少大氣泡，使氣泡穩(wěn)定，改善混凝土的外觀質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，要根據(jù)施工條件、使用環(huán)境、施工工藝等選用合適的外加劑。選用合適的外加劑后，在使用過(guò)程中，隨著環(huán)境溫度的變化，減水劑中的消泡和引氣等成分也應(yīng)適當(dāng)調(diào)整。隨著環(huán)境溫度的升高，外加劑保坍效果下降，保坍成分也要相應(yīng)調(diào)整。

1.3 配合比選用及分析

混凝土配合比設(shè)計(jì)也是混凝土產(chǎn)生氣泡的原因之一，如果混凝土配合比設(shè)計(jì)不合理，會(huì)導(dǎo)致混凝土中產(chǎn)生大量氣泡，配合比設(shè)計(jì)就是確定水泥、水、砂石及外加劑的比例關(guān)系，水膠比、單位用水量和砂率是混凝土配合比設(shè)計(jì)的三個(gè)基本參數(shù)[4]。混凝土配合比設(shè)計(jì)應(yīng)滿足混凝土強(qiáng)度、工作性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性。在選定好原材料后，根據(jù)設(shè)計(jì)文件及規(guī)范要求，進(jìn)行混凝土的試配，T梁混凝土理論配合比如表2所示，設(shè)計(jì)坍落度為160±20 mm，聚羧酸高性能減水劑摻量為1.2%。

1.4 施工工藝選用及分析

混凝土T形預(yù)制梁，采用集中預(yù)制廠預(yù)制，底模采用臺(tái)座+不銹鋼安裝配置，側(cè)模采用定型鋼模板，混凝土澆筑前涂刷脫模劑，側(cè)模上固定附著式振搗器，布置高度從梁底往上50 cm處，腹板及翼緣板采用直徑50 mm的插入式振搗棒進(jìn)行振搗。梁體混凝土澆筑時(shí)，采用龍門(mén)吊+料斗配合進(jìn)行澆筑，澆筑時(shí)分三層次進(jìn)行，梁體底板至馬蹄倒角往上10 cm、腹板至翼緣板倒角處、翼緣板到梁頂面，澆筑時(shí)附著式振搗器與震動(dòng)棒交替進(jìn)行，插入式振搗棒振搗時(shí)，混凝土澆筑厚度控制在50 cm以?xún)?nèi)。

由于施工工藝導(dǎo)致T形梁產(chǎn)生氣泡，主要原因：一是脫模劑采用了油性脫模劑，鋼模涂刷脫模劑后，不能形成一層黏稠的薄膜緊貼在模板表面，油性脫模劑對(duì)混凝土振搗時(shí)產(chǎn)生的氣泡具有一定吸附作用，導(dǎo)致氣泡無(wú)法在振搗過(guò)程中移浮至梁頂面排出；二是混凝土澆筑時(shí)振搗高度和時(shí)間未掌握好，分層澆筑厚度過(guò)大，附著式振搗器安裝在同一水平線，振搗范圍有限、震動(dòng)功率偏小，插入式振搗棒振搗時(shí)，分層高度過(guò)大、工人振搗時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或者過(guò)短，混凝土內(nèi)部的氣泡就越不容易排出。振搗時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使得混凝土內(nèi)部的微小氣泡在機(jī)械作用下出現(xiàn)嚴(yán)重的破滅重組，使得混凝土出現(xiàn)不密實(shí)而導(dǎo)致自然孔洞的形成，或是產(chǎn)生出不規(guī)則的較大氣泡。振搗時(shí)間過(guò)短，大小氣泡都不能及時(shí)拋出，集聚在模板側(cè)形成氣泡群。

2 預(yù)制T梁氣泡原因分析、解決方法以及結(jié)果分析

2.1 砂石材料原因及解決辦法

針對(duì)細(xì)集料細(xì)度模數(shù)大和顆粒級(jí)配不良對(duì)混凝土氣泡的影響，調(diào)整了機(jī)制砂加工場(chǎng)的篩孔尺寸，增加了1.18 mm以下的顆粒，使機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)在2.6～2.9之間，同時(shí)調(diào)整了碎石加工場(chǎng)的篩孔尺寸，并調(diào)整了5～10 mm和10～20 mm碎石的摻配比例。

調(diào)整后的機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)為2.8，屬于中砂，通過(guò)圖3和圖4的級(jí)配曲線可知，調(diào)整后砂子級(jí)配更加合理，實(shí)際顆粒級(jí)配曲線在Ⅱ區(qū)范圍，調(diào)整后的碎石級(jí)配良好，其各個(gè)粒徑的累計(jì)篩余均滿足規(guī)范中5～20 mm碎石級(jí)配要求。

2.2 外加劑原因及解決辦法

為了控制混凝土外觀質(zhì)量，調(diào)整外加劑中消泡、引氣及其他組分的比例，消除混凝土中多余氣泡，降低含氣量。原外加劑中消泡組分的摻量為0.05%，調(diào)整后外加劑中的消泡組分為0.07%，外加劑調(diào)整后的混凝土工作性能對(duì)比如表3所示。

通過(guò)表3可知，適量的增加外加劑中消泡組分的摻量，混凝土中的氣泡能有效減少，含氣量明顯下降，同時(shí)改善了混凝土流動(dòng)性、保水性、黏聚性，降低了混凝土坍落度損失，更加有利于混凝土的澆筑施工和混凝土氣泡的排出，提高了預(yù)制T梁表面光澤度，氣泡明顯減少。

2.3 配合比原因及解決辦法

根據(jù)砂石材料和外加劑的調(diào)整，同時(shí)進(jìn)行了混凝土配合比的優(yōu)化，在保證混凝土強(qiáng)度及工作性能的前提下，適當(dāng)減少膠凝材料用量，增大水膠比，有利于減少氣泡。配合比優(yōu)化前后的混凝土工作性能對(duì)比如表4所示。

通過(guò)表4可知，配合比調(diào)整后，混凝土坍落度由190 mm增大到200 mm，混凝土擴(kuò)展度由480 mm增大到520 mm，含氣量由3.4降低到2.1。由此說(shuō)明配合比優(yōu)化后有效降低了混凝土的黏度，增大了混凝土流動(dòng)性能，減少了混凝土內(nèi)部摩擦阻力，有利于氣泡的上浮和排出。

2.4 施工工藝原因及解決辦法

（1）選用合理的脫模劑。根據(jù)原因分析，脫模劑不應(yīng)該選取油性脫模劑。在高速公路橋梁混凝土工程中，通常選用一種高端模板漆作為脫模劑。這種模板漆涂刷于模板表面后具有良好的脫模性能且附著力強(qiáng)、硬度高、韌性和耐堿耐磨性能好，同時(shí)還能解決鋼模板存放易生銹、混凝土表面有氣泡、混凝土表面易污染、脫模清模困難等難題。因此，將油性脫模劑更改為模板漆，減少混凝土產(chǎn)生氣泡數(shù)量，保證預(yù)制T梁外觀質(zhì)量。

（2）預(yù)制T梁混凝土振搗方法和附著式振搗位置改進(jìn)。在混凝土澆筑過(guò)程中，進(jìn)行振搗時(shí)，應(yīng)該進(jìn)行分層布料，分層振搗。混凝土的澆注應(yīng)該按照一定的順序、厚度和方向分層澆筑，從梁的一端逐層循序進(jìn)展至另一端向相反方向投料，分層下料、振搗，每層厚度控制在30～40 cm，否則氣泡不容易從混凝土內(nèi)部向上排除。附著式振搗器安裝時(shí)采取梅花形布置，振搗頻率采用150 Hz，振搗時(shí)間控制在8～12 s。

將直徑50 mm插入式振搗棒更換為直徑70 mm振搗棒，根據(jù)這個(gè)有效振搗范圍，督促工人在振搗過(guò)程中嚴(yán)格按照分層、步距進(jìn)行振搗，做到“快插慢拔”，注意把握振搗時(shí)間，看混凝土表面密實(shí)且無(wú)大量氣泡產(chǎn)生時(shí)停止振搗，現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間宜控制在16～22 s。T梁端部由于預(yù)應(yīng)力錨具及加密鋼筋較密，建議打開(kāi)附著式振搗器時(shí)，采用直徑30 mm的插入式振動(dòng)棒加固振搗，保證混凝土密實(shí)，腹板及翼緣板澆筑嚴(yán)格按照以上層厚和振搗方式，先澆筑完成馬蹄，分層澆筑腹板、頂板，振搗時(shí)間以混凝土表面不出現(xiàn)氣泡為宜，嚴(yán)格控制保證混凝土氣泡能排出。

2.5 分析結(jié)果

通過(guò)砂石材料、外加劑、配合比以及施工工藝等原因分析，措施調(diào)整改善，預(yù)制T梁馬蹄、腹板以及翼緣板倒角位置氣泡有了明顯改善，九綿高速公路混凝土工程榮獲局優(yōu)質(zhì)工程獎(jiǎng)。根據(jù)調(diào)整后的方法措施生產(chǎn)出10#～18#梁氣泡統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如表5所示。

由表5可以得出直徑＜1 mm氣泡數(shù)量減少了80.17%，直徑1～5 mm氣泡數(shù)量減少了87.2%，直徑＞5 mm氣泡數(shù)量減少了97.95%，最大直徑的氣泡由改進(jìn)前12 mm降至5 mm，最大深度由改進(jìn)前6 mm降至3 mm，預(yù)制T梁強(qiáng)度及外觀質(zhì)量都得到了質(zhì)的提高，改進(jìn)效果突出。

3 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)制砂預(yù)制T梁過(guò)程中，氣泡產(chǎn)生原因分析和研究表明，混凝土T梁表面氣泡形成是受到多方面原因影響造成的，其中，砂石料級(jí)配能優(yōu)化、改善混凝土流動(dòng)性，有利于氣泡排出，外加劑中引氣劑和消泡劑的成分對(duì)于氣泡尺寸有較大影響，混凝土配合比中膠凝材料用量對(duì)混凝土的黏度影響能直接影響氣泡轉(zhuǎn)移的阻力，施工工藝中振搗及振搗方法也會(huì)造成氣泡不能有效排出。

參考文獻(xiàn)

[1]李二虎. 淺析混凝土外加劑應(yīng)用中的幾個(gè)問(wèn)題[J]. 山西建筑， 2006（14）： 159-160.

[2]林云雁， 周小冬. 混凝土構(gòu)件表面產(chǎn)生氣泡原因及防治措施[J]. 大眾科技， 2009（8）： 68+44.

[3]李云， 黑金龍， 吳東林， 等. T梁混凝土氣泡產(chǎn)生原因與防治措施研究[J]. 山西建筑， 2021（20）： 131-133.

[4]尹小鴿， 龔洪亮， 趙楚. 影響混凝土外觀質(zhì)量的因素及改善措施[J]. 四川水利， 2019（4）： 26-29+32.