预拌高性能混凝土存在技术问题及其施工质量控制!
董春源，吕二帅，王松华
摘 要：高性能混凝土作为绿色建筑材料在基础建设中推广应用，对提高工程质量、降低综合成本、发展循环经济、实现节能减排具有重要意义。本文针对预拌混凝土在应用过程中存在的主要问题进行了分析，并提出施工质量控制的具体技术路线，可为推广应用预拌高性能混凝土提供技术咨询。
关键词：高性能混凝土；工作性；耐久性；循环经济；质量控制
0 引言
高性能混凝土是满足建设工程特定要求，采用优质常规原材料和优化配合比设计，通过绿色生产方式以及严格的施工措施制成的，具有优异的工作性能、力学性能和耐久性能的混凝土。高性能混凝土作为重要的绿色建筑材料，将其在基础建设中推广应用，对提高工程质量、降低工程全寿命周期内综合成本、发展循环经济、实现节能减排、推进混凝土行业结构调整具有重大意义。
我国正处于城镇化快速发展阶段，以混凝土结构为主的房屋建筑和基础设施建设规模日益增大，预拌混凝土产量迅速增加，规模以上企业年产量已超过10亿立方米。由于对高性能混凝土的认识不足、基础研究滞后、基本概念不统一，以及评价体系尚未建立等原因，致使高性能混凝土没能得到广泛应用。同时，混凝土生产普遍存在强度等级偏低、绿色生产水平不高、质量控制不严及施工粗放等问题，制约了预拌高性能混凝土的推广应用。
目前，我国预拌高性能混凝土研究成果已在铁路、高速建设上广泛应用，，在住房城乡建设中，急需预拌高性能混凝土理论和实用技术的指导，高性能混凝土施工技术咨询作为一个新型行业，为推广应用预拌高性能混凝土发挥重要的作用。
1 预拌高性能混凝土存在技术问题
1.1 坍落度经时损失问题
实践中，往往由于对坍落度损失考虑不周，造成现场浇筑时，泵送或密实成型困难，从而影响施工效率和混凝土质量。预拌混凝土与现场拌制混凝土相比，搅拌与浇筑之间的时间差大大延长，预拌混凝土的供应半径一般在10~20 km内，运输加上等待时间，预拌混凝土的搅拌与运至现场开始浇筑之间的时间差可达1 h以上。因此，预拌混凝土坍落度的经时损失一般较大，特别是在配制较高强度或大流动性混凝土时，由于掺入高效减水剂，坍落度损失更为严重。
预拌混凝土采用泵送施工时，由于坍落度越小，要求的泵压越高，因此常用坍落度来判定混凝土的可泵性。当坍落度过小时，管道的摩擦力很大，提高泵压虽可以实现泵送，但在高压下，泵送机件磨损加剧，混凝土容易脱水，最终导致管道堵塞；当坍落度过大时，虽然泵压降低，但混凝土拌合物粘聚性差，离析现象明显，也会造成管道堵塞。一般说来，混凝土坍落度控制在160~180mm的范围内时，输送管道壁内会形成低粘度的薄浆层，有利于减小混凝土拌合物泵送阻力。对于高性能混凝土仅用坍落度来判定其可泵性是不全面的，还必须综合考虑粘聚性指标。
对于预拌高性能混凝土，在其凝结硬化过程中的物理和化学作用下，混凝土拌合物坍落度损失较快，在夏季施工或长距离运输后，现场泵送困难。因此，需要研究坍落度损失的机理及控制坍落度损失的对策。
1.2 泵送性能评价指标尚未确定
泵送性能是预拌混凝土工作性能的重要方面，拌合站配制的预拌混凝土除应满足结构功能要求的力学性能和耐久性能外，还应满足混凝土拌合物在运输过程中坍落度经时损失小及施工时具有良好的可泵性等要求。理论分析与实践都表明，在混凝土泵送时, 混凝土拌合物在输送管道中会形成一个整体的“栓塞”运动，在管壁与“栓塞”边缘之间存在一层粘度较低的薄浆层，在管壁上还有一层极薄的水膜,对混凝土在管道中的输送起着润滑作用。因此，要使混凝土拌合物具有良好的可泵性，应满足的要求是:（1）混凝土拌合物在管道中输送时能形成起润滑作用的薄浆层，减少混凝土在输送过程中的阻力；（2）混凝土拌合物应具有足够的保水性和粘聚性，以确保混凝土在泵送过程中不泌水、不离析，能在管道中连续稳定地输送。
在管道摩擦力及泵送压力作用下，影响混凝土泵送性能的因素较复杂，与水泥用量、水胶比、砂率、粗骨料表面性质、粒径、级配以及外加剂品质、掺合料的品种、掺量等因素密切相关。因此，预拌高性能混凝土的泵送性能是一个综合性能指标，目前尚无确切的评价指标及检验方法。
1.3 预拌高性能混凝土早期开裂问题突出
预拌混凝土为了满足泵送的需要和强度指标，水泥用量较大、砂率大、粗骨料粒径小等带来的塑性坍陷大，浇筑后的混凝土早期容易产生裂纹；泵送混凝土的坍落度大（一般都在200mm以上），对于许多高层建筑，混凝土的坍落度有的超过220mm。施工中发现，坍落度和流动性大的混凝土要比坍落度和流动性小的混凝土早期更容易出现裂缝。
在水胶比一定的条件下，大坍落度要求较多的单位用水量，而多的单位用水量导致水泥用量增大，水泥是混凝土中胶凝材料的主要组成部分，它在混凝土凝结硬化过程中，会产生化学收缩（即混凝土的自收缩），水泥用量越大收缩越大。对于高性能混凝土，当水胶比小于0.35时，拌合物内相对湿度很快降到80%以下，自收缩引起混凝土的体积减少在8%左右，成为高性能混凝土开裂的重要原因。另外，由于采用较多的单位用水量，在混凝土硬化后期，随着内部水份的蒸发，混凝土产生干燥收缩导致表面开裂。
此外，预拌混凝土为满足运输、泵送的要求，砂率较大（一般在40%以上），粗骨料粒径变小（一般为5～25mm）。
2 预拌高性能混凝土质量控制
2.1 选用质量合格的原材料
（1）水泥
高性能混凝土所用水泥最好是强度高且同时具有良好的流变性能，并与目前大宗使用的高效减水剂有良好的相容性。为了保证水泥质量的稳定，要求禁止使用立窑水泥。高性能混凝土使用的水泥强度等级不应低于42.5MPa级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；比表面积不宜超过380m2/kg；游离氧化钙含量不应超过1.5%。
（2）细骨料
高性能混凝土需用中粗砂，尤其当石子级配很差时，砂子以偏粗为好。细度模数大于等于2.6时，混凝土的工作性较好，抗压强度较高。砂子的粗细不能只看细度模数，有时细度模数虽然大，但粒径在5mm以上和0.315mm以下的颗粒都过多，砂子级配就很差，因此应严格控制砂中粉细颗粒的含量和含石子量。
（3）粗骨料
对于C50及其以下等级的混凝土来说，石子的抗压强度均能满足要求，应严格控制石子的粒径、粒形、表面状况、级配以及软弱颗粒和石粉含量等指标。这些指标控制不好，既影响混凝土的强度，又影响新拌混凝土的工作性。预拌高性能混凝土应选用清洁的、颗粒接近等径状、针片状颗粒含量少、不含能与碱反应的活性组分的石子。就品种来说，宜选用致密的石灰岩或深层岩浆岩。
高性能混凝土用的粗骨料最大公称粒径应不大于31.5mm，且不宜超过钢筋保护层厚度的2∕3，不得超过钢筋最小间距的3∕4。粗骨料应采用二级配石。当最大粒径为31.5mm时，5～10 mm粒级部分不宜少于25%；当最大粒径为25mm时，5～10 mm粒级部分不宜少于40%。
（4）粉煤灰
掺粉煤灰混凝土的性能与所用粉煤灰品质和等级有直接的关系。高性能混凝土宜选用I级或Ⅱ级粉煤灰，优质粉煤灰可以减少混凝土的干缩，提高混凝土的后期强度。粉煤灰质量控制难度比较大，需要广泛调研各煤电厂生产状况，从源头抓起，加强监控，严格过程控制，建立有效的质量控制体系。由于不同来源、时期的粉煤灰质量差异很大，一个拌和系统或一座拌和楼应尽量使用同批号的粉煤灰。
（5）矿渣粉
矿渣粉越细，活性越高，收缩也随矿渣细度的增加而增加。从减少混凝土收缩开裂的角度出发，磨细矿渣的比表面积应不超过450m2/kg。 由于矿石原料的差异、炼铁工艺的区别、矿粉生产系统配置的不同，对矿粉的质量的影响较大，需要坚持源头把关、过程控制的原则。
（6）高效减水剂
聚羧酸减水剂与水泥、掺合料及其他外加剂的相容性好，混凝土不离析、不泌水，坍落度保持性能好，90min内坍落度基本无损失。聚羧酸高效减水剂可为大掺量粉煤灰、矿粉等工业废料在混凝土工程中大量使用提供了技术保证，从而整体上降低混凝土的成本。
2.2 经济合理的配合比设计
配合比设计是确保混凝土耐久性最关键的环节之一，在以往按强度设计混凝土配合比的设计方法中，首先按强度等级计算水灰比，如今按耐久性要求设计混凝土配合比时，首先是根据环境类别和作用等级，确定混凝土的水胶比和各种胶凝材料用量。在条件许可下，尽量选用较低的水胶比，减少单方用水量和胶凝材料用量，有利于提高混凝土的密实性，降低混凝土的渗透性并减少收缩量，对提高混凝土的耐久性非常有利。
一般地，人们往往认为混凝土中多加水泥是无害而有利的。存在这种认识的原因在于传统混凝土的性能评定是以强度为主，而多加水泥就能在更高的概率下保证混凝土的强度。但多加水泥并不能获得高性能混凝土，因此要求我们在施工过程中，比原来更加严格地控制混凝土的配制，不能用高强度来代替管理，要做到设计什么强度等级的混凝土就生产什么强度等级的混凝土，强度不低于设计，也不高出很多。
2.3 推广先进施工技术与管理
要想获得性能优良的的预拌混凝土，除了选用优质的原材料和合理的配合比外，还应在施工中加强管理，不能认为原材料好、配合比恰当，在施工中就可以放松管理。
2.3.1 采用科学的搅拌工艺
混凝土的搅拌过程不仅存在物理作用，而且存在水化反应等化学作用，混凝土的搅拌一般在较短的时间内就可达到均匀，并保证混凝土具有良好的工作性能。特别是在高性能混凝土中，胶凝材中掺入多种矿物掺合料，如何保证多元复合胶凝材与粗细骨料和水均匀的分散而不会结团，选择合适的搅拌工艺就尤为关键。
目前，混凝土搅拌工艺主要有两种：其一是一次投料法即将胶凝材料、粗细集料、水、外加剂经计量后一次投入搅拌机内进行搅拌，搅拌一定时间后出料。其二是多次投料法，将胶凝材料各粉体材料和细骨料投入搅拌机搅拌30s，然后投入全部的拌和水和减水剂搅拌30s，最后投入粗骨料搅拌60s出机。
采用多次投料法搅拌完成的混凝土质量均匀、颜色一致，具有良好的流动性、黏聚性和保水性。混凝土的搅拌时间应根据拌合物的稠度、搅拌机的功率等确定，实践表明总搅拌时间不能少于２min，搅拌时间从投入固体原料后搅拌机开动时算起。
2.3.2 运输过程中的管理
混凝土拌合物运输过程中的基本要求是：不产生离析现象，保证规定的坍落度、含气量和在混凝土初凝之前能有充分时间进行浇筑和捣实。
（1）混凝土运输应选用能确保浇筑工作连续进行、运输能力与混凝土搅拌设备的搅拌能力相匹配的运输设备。
（2）应选择平坦畅通的混凝土运输道路，保证在运输过程中混凝土的均匀性，运到浇筑地点时不分层、不离析、不漏浆，并具有要求的坍落度和含气量等工作性能。
（3）运输混凝土过程中，应对运输设备采取保温隔热措施，防止局部混凝土温度升高（夏季）或受冻（冬季）。应采取适当措施防止水份进入运输容器或蒸发，严禁在运输混凝土过程中向混凝土内加水。
（4）应尽量减少混凝土的转载次数和运输时间。从搅拌机卸出到浇筑完毕的延续时间应以不影响混凝土的各项性能为限。
（5）采用搅拌罐车运输混凝土，运输过程中宜以2～4r／min的转速搅拌，当搅拌罐车到达浇筑现场时，应将搅拌罐车高速旋转20～30s，再将混凝土拌合物喂入泵车受料斗或混凝土料斗中。
2.3.3采取合理的浇筑工艺
（1）浇筑混凝土前，应针对工程特点、施工环境条件与施工条件事先设计浇筑方案，包括浇筑起点、浇筑进展方向和浇筑厚度等。
（2）混凝土入模前，应采用专用设备测定混凝土的温度、坍落度、含气量、水胶比及泌水率等工作性能，只有拌合物性能符合设计或配合比要求的混凝土方可入模浇筑。
（3）混凝土浇筑时的自由倾落高度不得大于2m；当大于2m时，应采用滑槽、串筒、漏斗等器具辅助输送混凝土，保证混凝土不出现分层离析现象。
（4）炎热季节浇筑混凝土时，应避免模板和新浇混凝土直接受阳光照射，保证混凝土入模前模板和钢筋的温度以及附近的局部气温均不超过40℃。应尽可能安排在傍晚浇筑混凝土。
2.3.4 选择正确振捣方法
（1）可采用插入式振动棒、附着式平板振捣器、表面平板振捣器等振捣设备振捣混凝土。振捣时应避免碰撞模板、钢筋及预埋件。
（2）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，一般不宜超过30s，避免过振。
（3）采用插入式振捣器振捣混凝土时，宜采用垂直点振方式振捣。若需变换振捣棒在混凝土拌合物中的水平位置，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合物内平拖，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合物。
（4）在振捣混凝土过程中，应加强检查模板支撑的稳定性和接缝的密合情况，以防漏浆。混凝土浇筑完成后，应仔细将混凝土暴露面压实抹平，抹面时严禁洒水。
2.3.5 正确把握拆模时机
（1）拆除模板时间应根据拆模后对混凝土的质量影响来确定。拆模后混凝土不得有能量测到的挠度或扭动，更不能因拆除支撑或拆模作业使混凝土表面及棱角产生明显的损坏。一般要求混凝土强度达到5MPa以上，模板方可拆除。
（2）拆模时间除需考虑拆模时的混凝土强度外，还应考虑到拆模时的混凝土温度（由水泥水化热引起）不能过高，以免混凝土接触空气时降温过快而开裂，混凝土内部开始降温以前以及混凝土内部温度最高时不得拆模。
（3）一般情况下，结构或构件芯部混凝土与表层混凝土之间的温差、表层混凝土与环境之间的温差大于20℃（截面较为复杂时，温差大于15℃）时不宜拆模。大风或气温急剧变化时不宜拆模。在寒冷季节，若环境温度低于0℃时不宜拆模。在炎热和大风干燥季节，应采取逐段拆模、边拆边盖的拆模工艺。
2.3.6 合理的养生方式和时间
由于高性能混凝土的水胶比较低，不仅需要保持混凝土内部水份不蒸发，还要从环境中补充水，否则会增加不可逆的自干燥收缩，引起混凝土表面开裂，影响强度和耐久性。因此，高性能混凝土的养生至关重要，尤其是在早期。
混凝土养生要注意湿度和温度两个方面。养生不仅是浇水保湿，还要注意控制混凝土的温度变化。在湿养生的同时，应该保证混凝土表面温度与内部温度和所接触的大气温度之间不出现过大的差异。因此，综合考虑，夏季养生时间不小于3d，冬季养生时间不小于7d。
3 推广预拌高性能混凝土综合效益
3.1 经济效益
由于粉煤灰和矿粉单价均比水泥低，配制高性能混凝土时，在胶凝材料用量一定的条件下，掺入矿粉和粉煤灰的胶凝材料配方经济性好，每方混凝土成本较采用纯水泥配制混凝土要低。由此可见，在混凝土胶凝材料中掺入矿物掺合料具有较大的经济优势，可以大大节约工程成本。
3.2 社会效益
我国在制备高性能混凝土时，在水泥中添加矿物掺合料的比例逐年上升且增幅较大，工业废料得到了有效利用；由于矿物掺合料的利用，减少了水泥的用量，有效控制了碳排放量，说明水泥产量越大，掺矿物掺合料的利用率越大，环境效益就越明显。
随着矿物掺合料品质的提高，混凝土对其利用比例会进一步提高，这样可大大节约煤资源的消耗，减少CO2的排放，降低地球的温室效应，顺应“低碳经济”的潮流。
4 结语
随着我国经济和社会的快速发展，人民生活水平的不断提高，环境污染成为影响经济和社会发展的重要因素，保护环境刻不容缓。地球生态环境由于人类的活动而遭到巨大破坏，为实现经济和社会可持续发展，现在必须重视环境问题，坚持科学发展观建立人与自然和谐发展的新模式，建设节约型社会，要全面协调社会经济和自然环境的关系。预拌绿色高性能混凝土由于具有良好的性能与环境协调性，已成为混凝土产业未来发展的方向。
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