大温差干燥环境中高性能混凝土质量控制研究

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【摘要】高性能混凝土是混凝土技术发展的主要方向，高性能混凝土是采用优质材料配制，便于浇筑、和易性好、力学性能稳定、具有韧性和体积稳定性等性能的耐久性混凝土。张呼铁路严格控制高性能混凝土生产，采用成熟、科学的施工工艺，并根据环境特点采取科学合理的措施，其高性能混凝土质量得到有效控制，取得了良好的效果。

【关键词】张呼铁路；高性能混凝土；大风干燥环境； 施工工艺控制

新建张家口至呼和浩特铁路客运专线站前施工5标段，位于乌兰察布市察右前旗、卓资县境内。全线属中温带亚干旱蒙东区，其气候特点是：春季干旱多风、沙尘频发；夏季短促而温热、昼热夜凉，日温差大；秋季较短；冬季漫长，寒冷而干燥。

一、大温差干燥环境对高性能混凝土的影响

1、混凝土的热性能是混凝土的重要性质之一，其中温度变化是混凝土在恶劣环境下最常见的热学行为之一，对于一个特定的温度变化范围，不同的材料会产生不同的热变形响应。水泥基复合材料是由多种不同的物相组成的复合体，在环境温度发生变化的过程中，由于个组分性能的差别，他们也将会产生不均匀的热膨胀，这种不均匀应变又会产生附加热应力，当这种应力超过混凝土薄弱区域的剪应力强度时就可能导致混凝土裂缝的产生。因此，混凝土各组分的热膨胀性质及其相容性是决定其热稳定性和体积稳定性的重要因素之一。

2、混凝土的硬化过程本质上是其中的胶凝材料水化，产生粘结能力，进而产生强度的过程。混凝土中的水分具有两个主要作用：1、作为骨料和水泥颗粒之间的剂，保证混凝土的工作性能；2、作为反应物参与胶凝材料的硬化反映。从第一点来说，在干燥、多风的施工环境下，混凝土中的水分容易迅速蒸发，尤其是在高温条件下，造成混凝土坍落度迅速损失，给混凝土浇筑、密实带来困难。而另一方面，在混凝土硬化过程中，大部分水分从新拌制时的游离状态转化为硬化后的化学/物理结合状态。残余游离水分存在于混凝土的微孔中，可以在混凝土中渗透，并且与环境中的水分产生交换。当环境湿度低于混凝土内部湿度时，势必会导致混凝土内部水分大量向外散失，影响水泥和胶凝材料的水化，使混凝土强度增长缓慢。另外由于大量的水分散失，会导致较大的干燥收缩；混凝土的干燥收缩严重时将在其表面产生大量的干缩裂。裂缝的产生将导致混凝土结构的抗冻性、抗渗性、抗化学腐蚀性以及抗风蚀性等耐久性严重降低，使混凝土结构无法满足设计的100年使用期限。

所以，在施工地恶劣的气候环境条件下，高性能混凝土施工工艺控制也遇到严重挑战，如何控制混凝土质量、如何防止混凝土浇筑过程中水分散发、如何视现场条件调整水泥混凝土工作性，如何及时养生也是关系混凝土结构强度与耐久性的重要环节。

二、大温差干燥环境下高性能混凝土施工工艺控制

为保证恶劣环境下高性能混凝土体积稳定性和使用阶段的耐久性，对配制高性能混凝土的原材料、配合比设计、施工过程控制以及后期养护等应严格控制。

1、原材料选择

水泥应满足相关规范质量要求，为防止碱骨料反应发生，采用低碱普通硅酸盐水泥，一般情况下碱含量不超过0.80%，当骨料具有碱-硅酸反应活性时，水泥的碱含量不应超过0.60%，C40及以上混凝土用水泥的碱含量不宜超过0.60%。

在混凝土中掺加品质稳定的矿物掺合料已成为高性能混凝土的必要组份，这里主要以粉煤灰和矿粉做要求介绍。矿物掺合料应满足相关规范质量要求，在冻融破坏环境下，粉煤灰的烧失量不宜大于3.0%，掺量以不超过胶凝材料总量的30%为宜。夏季施工时应提高粉煤灰掺量，降低磨细矿渣粉掺量，以降低混凝土水化热，减少内外温差，避免温度裂缝；冬季施工时，应提高磨细矿渣粉掺量，降低粉煤灰掺量，以提高混凝土早起强度，避免早起冻胀破坏。

粗骨料、细骨料应满足相关规范质量要求。细骨料应选用级配合理、质地坚固、吸水率第、空隙率小的洁净天然中粗河砂，不得使用海砂。冻融破坏环境下，细骨料的含泥量应不大于2.0%，吸水率应不大于1%；粗骨料应选用粒形良好、质地坚固、线胀系数小的洁净碎石，无抗拉和抗疲劳要求的C40以下混凝土也可采用卵石。干湿交替或冻融破坏环境下，粗骨料的吸水率应小于1%。

高性能混凝土减水剂使用聚羧酸高效减水剂，应满足相关规范质量要求。在规范要求内应采用减水率高、坍落度损失小、适量引气、与胶凝材料有良好相容性、能明显提高混凝土耐久性且质量稳定的产品。聚羧酸减水剂含气量要求不大于3.0%，有引起要求大于3.0%的混凝土，应单独掺入引气剂。引气剂应选用质量稳定、引入分布均匀、与减水剂和胶凝材料相容性好、能有效改善混凝土的和易性、明显提高混凝土抗冻性能的产品。根据不同高性能混凝土耐久性冻融环境等级要求，通过试验确定引气剂用量。

拌和用水不得采用海水。冬季施工时可适当加温后使用。

2、配合比

进行混凝土配合比设计时，首先需要考虑的是满足工程结构功能的要求，混凝土要有合适的强度与耐久性；其次是需要考虑是用的需要，混凝土要有良好的工作性；第三需要考虑投资控制的需要，混凝土要有良好的经济性。只有满足以上三种要求才达到最佳配合比。

3、混凝土生产

在原材料及配合比确定的条件下，混凝土生产技术，如混凝土投料顺序、搅拌设备及搅拌时间等，对其性能将产生重大的影响。高速铁路高性能混凝土生产都采用集中搅拌方式、强制式搅拌机二次投料法进行搅拌，二次投料法基本流程为：投入全部粉料（水泥、掺合料或有粉体外加剂和细骨料）至少搅拌30S 投入全部拌合水（或有液体外加剂）至少搅拌30S 投入全部粗骨料至少搅拌60S。

4、混凝土运输

1）适当设置拌和站里程，在施工便道质量较好的情况下，应考虑其辐射半径不大于15Km，运输时间控制不多于30min为原则。缩短混凝土处于恶劣环境的时间。

2）考虑到运输过程中干燥、大风、大温差环境的影响，混凝土拌合物在运输过程中适当缩短时间。在高温条件下，为减少混凝土失水，运输过程中宜慢速搅拌混凝土，采用间歇式搅拌，减少搅拌产生的热量，并可向搅拌车罐体洒水降温；在低温条件下，对运输罐车包裹保温材料，封闭罐车进料口，组个拌合物与干冷空气接触，防止混凝土热量散失。

5、混凝土的浇筑

浇筑时除了要遵守相关的施工规范外，要合理安排混凝土浇筑时间，以避免在最高气温和最低气温时浇筑混凝土。夏季，由于白天气温高、空气干燥，因此应避免在白天气温最高时浇筑混凝土，夜间浇筑混凝土受风和温度的影响相对较小，且可在接近日出时终凝，而此时的相对湿度较高，因而早期干燥和开裂的可能性最小。也可在浇筑之前在模板外侧洒水以降低模板温度或者通过延长聚羧酸高效减水剂的凝结时间来延缓坍落度损失的速度；冬季，除了选择在白天温度较高时施工外，还应采用蓄热法和暖棚法施工和养护。根据温湿值和温差，及时调整养护措施。保证模板、钢筋、混凝土温度符合标准要求。掌握天气季节变化情况，加强。

浇筑混凝土应精心计划，混凝土应连续、快速的浇筑。

6、拆模

混凝土的拆模时间是以不影响混凝土质量为前提的，不得为了加快模板周转，提前拆模。混凝土强度达到要求后，且其表面及棱角不因拆模而受损时，方可拆除模板。超模要按立模顺序逆向进行，不得损伤混凝土。拆模时，应采取逐段拆模、边拆边包裹的拆模工艺，防止混凝土在拆模过程中开裂。

7、混凝土养护

自然养护的方法有覆盖浇水养护、塑料薄膜保湿养护、节水保湿养护膜养护以及养护剂养护等。

覆盖浇水养护是在混凝土表面覆盖吸湿材料，采取人工浇水或蓄水措施，是混凝土表面保持潮湿状态的一种养护方法。

塑料薄膜保湿养护是用防蒸发材料将混凝土表面予以密封，阻止混凝土中的水分蒸发，使混凝土保持或接近饱水状态，保证水泥水化反应正常进行的一种养护方法。

节水保湿养护膜是以新型可控高分子吸收材料为主材，根据混凝土的水化机理进行设计，具有较好的节水保湿保温性能的新型混凝土养护材料。

养护剂法是在新浇筑的混凝土表面喷涂一层也太薄膜养护剂后，养护剂在混凝土表面能很快形成一层不透水的密封膜层，阻止混凝土中的水分蒸发，使混凝土中的水泥获得充分水化条件的一种养护方法。

三、结语

通过严格控制混凝土施工工艺，保证了张呼铁路混凝土工程质量。浇筑完成的混凝土实体工程，表面平整度、垂直度和光洁度均满足要求，表面蜂窝、麻面、气泡、错台等外观缺陷较少。切实有效的养护措施保证了混凝土开裂现象得到了良好控制。