摘要: 流砂是混凝土外觀質量主要通病之一, 最易出現在墩身等結構物表面, 影響因素多, 比較難以根治。結合客運專線成功處理橋梁墩身流砂的實踐經驗, 主要介紹流砂形成原因與防治措施, 為今后橋梁墩身流砂的防治提供借鑒。
關鍵詞: 客運專線; 橋墩; 流砂; 泌水; 防治措施
中圖分類號: TU528.041 文獻標志碼: A 文章編號: 1002- 3550( 2008) 02- 0116- 03
0 引言
墩身由于橫截面積較小且高度普遍偏高等結構特殊性, 澆筑的混凝土輕微泌水都很容易造成表面流砂, 外觀質量相對難以控制。流砂作為混凝土外觀質量常見通病, 確實影響墩身美觀也損害其內在質量, 對混凝土的耐久性影響更不容忽視。目前, 隨著鐵路客運專線建設的到來, 主要結構物的設計使用年限達100 年之久, 如此之長的使用年限使混凝土耐久性問題已成為混凝土配合比設計的主要研究課題之一。由于混凝土耐久性對混凝土結構物內外質量提出了更高的要求, 諸如混凝土結構物表面的流砂、裂縫等主要質量通病, 更是必須根治的對象。
從目前已開工建設的武廣客運專線和合武客運專線所施工的橋梁墩身外觀來看, 流砂問題在很多施工標段廣泛出現, 防治相當困難, 確實成為擋在廣大試驗技術人員面前的一個棘手難題。從分析問題入手, 詳細介紹筆者在武廣客運專線I 標、合武客運專線聶口段成功處理橋梁墩身混凝土表面流砂難題的實踐經驗, 供大家參考。
1 流砂墩身外觀概述
從武廣客運專線I 標和合武客運專線聶口段橋墩表面流砂情況來看, 墩身流砂嚴重時會造成表面大面積砂子外露或局部呈較寬長條狀發育, 手感粗糙, 細砂一摸易掉; 較輕時局部表面有蟲蝕狀條痕出沒, 呈小型塊狀或條帶狀發展, 時多時少, 整個墩身均有分布。另外, 不流砂的墩身部分或部分不流砂的墩身,混凝土也常外露出一種水泥漿不足的狀況, 表面不具有固有光澤, 少數流砂墩身還常伴有混凝土表面顏色不均( 混凝土表面色斑) 問題, 與光滑如境的正常混凝土相比, 是一種典型的病態混凝土。
2 流砂主要原因
根據水分在混凝土中的存在狀態, 水分可以分為結合水、濕潤水和自由水。在三種水中, 只有自由水與固體材料的聯系很少, 這部分水也可稱為可泌水分。從混凝土泌水機理來看, 可泌水分泌出常見有三種形式: 一種是粗細骨料的粒徑過于懸殊, 造成了石子沉底、漿體上浮; 另一類是水泥漿與粗細骨料之間的離析, 漿體沉底, 水泥漿從拌合物中大量淌出, 砂石裸落、松散, 拌合物無黏聚性; 第三種則是混凝土內部各組分密度不同導致的沉降與上浮, 使得密度小的可泌水分最終逸出形成泌水。
客運專線墩身混凝土為C30, 水泥用量在360~400 kg/m3之間; I 級粉煤灰摻量為水泥重量的30%; 聚羧酸高性能減水劑摻量為水泥重量的0.8%; 碎石為5~31.5 mm 連續級配( 5~16 mm占40%, 16~31.5 mm 占60%) ; 砂為河砂, 細度模數2.6~2.8, 級配良好, 砂率為36%~38%。工地墩身混凝土從性能上分, 通常有兩種類型:
( 1) 普通混凝土。坍落度一般小于80 mm, 摻I 級粉煤灰和聚羧酸高性能減水劑。常采用混凝土罐車運輸, 吊車吊裝施工。
( 2) 泵送混凝土。坍落度大, 一般在120 mm 以上, 摻I 級粉煤灰和聚羧酸高性能減水劑, 采用混凝土罐車運輸, 泵送施工。
兩種類型C30 混凝土和易性都良好, 初時保水性、黏聚性等條件符合要求, 但在混凝土攪拌完后, 靜置半小時左右, 就會出現慢性泌水, 水量越來越大, 從泌水快慢來看它是一種相當典型的滯后泌水。工地用此種混凝土施工墩身, 開始施工沒有明顯泌水, 慢慢邊施工邊泌水, 水會不斷從混凝土下部涌出, 必須邊舀邊澆筑, 否則, 混凝土澆筑面會出現很深的清澈積水, 影響混凝土的正常澆筑, 嚴重時施工單位有時連人工舀水都來不及, 只得采用抽水機抽水或在模板上鉆眼放水, 如此情況使施工單位很是困擾。通過實地調查認為客運專線橋墩流砂的焦點其實就是墩身混凝土泌水所致。
3 泌水影響因素的確定
從客運專線混凝土用原材料來看, 砂和碎石由于粒徑、級配、含泥量等其他指標均符合標準要求, 質量良好, 絕對不存在質量問題, 根本不具備引起混凝土泌水的基本條件, 在確定影響因素時已排除在外。我們只重點考慮混凝土坍落度大小即單位用水量大小對泌水的影響, 另外聚羧酸高性能減水劑、I 級粉煤灰、水泥三種原材料, 也是主要研究對象。為最終確定何種因素是混凝土泌水的關鍵, 研究時我們對引起泌水的影響因素采用了逐一排除法。
3.1 混凝土坍落度
由于兩個施工單位當前都采用泵送混凝土施工, 混凝土坍落度都基本維持在140 mm 左右, 為了鑒別單位用水量大小對混凝土泌水的影響, 我們建議施工單位采用小坍落度施工墩身, 以檢查外觀效果。施工時采用坍落度小于80 mm, 混凝土罐車運輸, 吊車吊裝施工工藝。施工時發現混凝土仍存在滯后泌水現象, 但混凝土澆筑過程中確實泌水要比以前大坍落度好,舀水頻率和涌水量, 明顯偏少, 3 d 后拆模, 墩身表面大長條或大塊狀流砂基本得到控制, 但蟲蝕狀條痕在墩身上下仍大量出沒, 出現了遠看墩身效果不錯, 近看效果卻很差的情形, 由此說明, 降低混凝土坍落度不是解決問題的主要原因。
3.2 聚羧酸高性能減水劑
工地使用的聚羧酸高性能減水劑是一種高分子材料, 各項指標經型式檢驗都符合標準要求, 減水率在20%~25%之間, 在混凝土中的摻量為水泥質量的0.8%, 為減少混凝土泌水, 我們采用了如下3 種辦法, 檢驗對混凝土泌水的影響:
( 1) 降低摻量試驗。這主要目的是降低外加劑的緩凝效果,縮短混凝土緩凝時間, 以檢驗摻量大小對混凝土泌水的影響。
( 2) 外摻保水劑試驗。通過外摻保水劑來調節和增強現有外加劑的增塑保水性能。
( 3) 更換外加劑。采用其它廠家相同類型外加劑進行試驗。
以上3 種方法, 我們沒有采用施工墩身試驗, 僅通過室內攪拌混凝土, 拌合物在容器內靜置數小時, 觀察其泌水情況, 采用對比方法進行驗證, 發現依舊沒有明顯效果, 外摻保水劑雖有一定輕微效果, 但混凝土泌水仍很難遏制, 可見從改良或更換聚羧酸高性能減水劑來達到控制混凝土泌水目的, 是不現實的。
3.3 I 級粉煤灰
I 級粉煤灰作為一種外摻料, 在很多文獻中發現有引起混凝土泌水的記載, 為此我們在對待粉煤灰的問題上, 提出了以下方案:
( 1) 減少摻量。將粉煤灰摻量由水泥質量的30%下調至20%。
( 2) 用II 級粉煤灰替代I 級粉煤灰。
對于第一種方案, 我們打了一根墩身, 效果無明顯好轉。但第二種方案由于用II 級粉煤灰替代I 級粉煤灰, 兩種粉煤灰顏色差異較大, 其中工地使用的I 級粉煤灰顏色灰白, 而II 級粉煤灰呈深灰色, 為確保用II 級粉煤灰打出來的墩身不影響與其它墩身顏色的整體協調性, 此次我們在拌和站旁空地上打了一根3 m 高的小墩身。從打出的墩身外觀效果來看, 也沒有很好解決流砂問題, 同樣排除了I 級粉煤灰這一可能的影響因素。
3.4 水泥
水泥為業主指定廠家的低堿水泥, 所做各項指標合格。其中: 武廣客運專線I 標為湖北陽新產華新普通硅酸鹽32.5 級水泥, 合武客運專線聶口段為武漢亞東普通硅酸鹽32.5 級洋房牌水泥, 兩種水泥都是當地很有知名度的大廠水泥。由于前面幾個因素都已排除, 只有水泥有待驗證, 此次我們仍舊采用了多個方案來確定水泥對混凝土泌水影響的大小:
( 1) 加大每立方米混凝土水泥用量。將水泥用量每立方米增加30 kg。
( 2) 改普通硅酸鹽32.5 級水泥為同廠普通硅酸鹽42.5 級水泥。
( 3) 改用其它廠家的32.5 級普通硅酸鹽水泥。
由于兩個工地基本同時出現流砂問題, 我們制定的方案為盡量試驗不重復, 一個工地先試驗一種, 如有效, 則同時再試驗, 到最終確定。在分別試驗第一種和第二種方案時, 發現混凝土泌水仍舊存在, 拆模后的墩身外觀也與以前一樣, 不理想。為此在改換水泥上, 我們把它作為重點, 其中: 武廣客運專線I 標將湖北陽新產華新普通硅酸鹽32.5 級水泥, 換為咸寧產中南牌普通硅酸鹽32.5 級水泥, 合武客運專線聶口段為武漢亞東普通硅酸鹽32.5 級洋房牌水泥改為湖北武漢產華新普通硅酸鹽32.5 級水泥, 其它條件都和原來施工一致, 不特意改變施工參數與工藝, 經過為期4 d 的試驗, 終于打出了光滑如鏡的墩身,事實證明混凝土流砂問題出現在水泥本身, 是墩身施工過程中使用了容易泌水的水泥。而第二種方案將普通硅酸鹽32.5 級水泥改為普通硅酸鹽42.5 級水泥, 沒有成功的主要原因是同廠家生產的水泥由于熟料相同, 各項條件相互性能差異性小, 只是強度增高而質量并沒有根本性改變。
4 水泥泌水的原因
水泥作為混凝土中一種重要的膠凝材料, 客運專線業主確實相當重視, 指定大廠優質水泥, 再加上工地試驗室對水泥的各項常規指標檢測又都合格, 從而很少有人懷疑它存在什么問題, 事實證明它又確實與混凝土泌水性能密切相關。從水泥性能來看, 水泥的凝結時間、比表面積或細度、顆粒分布都會影響混凝土的泌水性能。水泥凝結時間越長, 水泥顆粒的沉降時間也越長, 混凝土也就越容易泌水; 水泥細度越大也即比表面積越小時, 特別是當顆粒分布中( <5 !m) 含量的顆粒越少時, 使得早期水泥的水化量少, 越少的水化產物不足以封堵混凝土中的毛細孔, 使混凝土中自由水很容易從下而上泌出。
客運專線混凝土用水泥, 都是當地大廠生產的知名水泥, 水泥質量相對有保障, 但主要由于工地需求量很大, 供不應求, 有些廠家只好提高生產效率, 引進帶有高效選粉機的大磨, 效率雖大幅增高, 但由于選粉效率越高, 引起水泥中細顆粒( <5 "m 含量的顆粒) 減少, 使得水泥易出現顆粒級配不良等問題。另一方面, 也可能是來自廠家對水泥質量監控不嚴。通常水泥廠為了得到品質優良的水泥, 對水泥原材料要進行嚴格把關, 另外對CaO、Al2O3、SiO2、Fe2O3 等化學成分以及摻合料在水泥中的含量范圍也要進行嚴格控制。但由于水泥用原材料出現緊張, 質量參差不齊, 再加上水泥的檢測及質保體系又跟不上, 水泥中礦物組分比例容易失調, 易導致水泥細度、顆粒組成差異明顯, 從而最終影響了水泥的質量。
5 確定水泥泌水的關鍵
施工時判斷混凝土流砂是否是水泥引起的關鍵是:
( 1) 從黏性判別
如水泥拌制的普通混凝土松散、石子易裸露, 同條件下用水量多, 坍落度小, 泵送混凝土和易性差易離析, 如其它材料或配合比沒有明顯的質量問題, 這就要考慮水泥的影響。但有時混凝土都摻有粉煤灰, 和易性相對有所改進, 經驗不足者對混凝土質量判斷會有一定的難度, 這需要試驗技術人員在發現問題時不斷總結經驗。
( 2) 從質量穩定性判別
一段時間內每批水泥性能差異大。檢驗時水泥物理性能和力學性能劇烈波動, 有時合格, 有時不合格, 生產質量很不穩定。這就是工地上為什么采用同一廠家生產的相同品種水泥,使用同種配合比同樣的坍落度澆筑的混凝土墩身, 墩身表面有時無流砂或流砂很少, 而有時又大面積流砂的原因。所有這些主要是由于廠家生產的水泥, 生產工藝受限, 很難保證水泥質量的長期穩定; 另外有些由于原材料來源不同、質量差異等也易造成水泥質量不穩定。
( 3) 從墩身流砂外觀判別
凡水泥質量問題引起的流砂都有一個明顯的特征, 就是無論坍落度大小, 都有流砂, 更為突出的是流砂出現的位置與其它原因引起的流砂很不一樣。水泥問題引起的流砂會出現在墩身的任何位置, 就是在墩身的下部, 也會出現, 并常伴有局部色斑, 這與其它因素引起的流砂有本質的區別。
6 結束語
( 1) 混凝土表面流砂, 盡管原因復雜, 影響因素多, 但萬變不離其宗, 主要問題來自混凝土泌水, 這一觀點一定要樹立。特別是且不要認為混凝土坍落度小或混凝土摻有粉煤灰, 混凝土就不會泌水, 沒有必要去關注混凝土本身質量問題, 導致出現流砂時卻去懷疑混凝土振搗過度等次要因素, 抓不住主要矛盾。
( 2) 影響混凝土泌水方面, 水泥、砂率、粗骨料級配等任何一方面質量出現問題都可能導致混凝土泌水, 尤以水泥質量影響最為顯著。在解決此類問題時, 要逐個分析, 不要顧此失彼,以致影響整治效果。
( 3) 一些單位通過在混凝土中摻加礦粉、加大水泥和外加劑的摻量來減少單位用水量, 以遏制流砂的辦法, 不但增大施工成本, 更加大了施工難度, 是一種典型的不經濟且不實際的辦法。
( 4) 在混凝土流砂問題的防治上, 應深入現場進行認真調查分析, 從混凝土配合比入手, 檢查配合比有無問題或錯誤, 另外要加強對水泥等原材料的監測, 出現問題逐步調整, 直至問題解決。
實踐證明, 我們對客運專線橋梁墩身流砂的原因分析全面、實際, 解決方法切實可行, 值得同行借鑒。
