水泥混凝土施工技术的实践与展望

韩荣金

摘要：近几年来，高速公路的桥梁结构越来越多，工艺越来越复杂，水泥混凝土作为桥涵结构的必不可少的组成部分一直受到建设单位和施工单位的高度重视。现在的混凝土材料有了巨大发展，不再是仅仅是由水泥、集料和水构成的混合物，还可以是特殊水泥、化学外加剂、矿物混合料、特殊集料和纤维的组合，满足工程中的各种需要，尤其是化学外加剂、钢纤维混凝土、特殊矿物混合料已用于混凝土当中，新型水泥的问世，提高了混凝土的品质，强度增长更快，耐久性更好。

关键词:水泥混凝土 施工技术 实践与展望

1 水泥混凝土的材料

1.1 水泥 水泥是使用最广泛的混凝土胶凝材料。水泥的化学成分和物理成分对混凝土的性质有极大影响，起决定作用，包括施工的和易性、强度、收缩、抗渗性能、耐久性、与钢筋的粘接和对钢筋锈蚀等方面。现在虽然可以通过测试水泥的成分，控制水泥的生产，但水泥与混凝土性质之间至今仍无法定量分析，对于掺外加剂的情况尤其如此。

水泥的主要成分有硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙。水泥的早期强度主要由硅酸三钙的数量和活性控制，并通过水泥中的磨细硫酸盐（石膏等）数量控制，硅酸三钙含量高的水泥具有较快的水化速度，较高的早期强度，但形成的水化物会显著抑制后期水化，从而导致某些情况下后期强度偏低。硅酸二钙含量高的水泥水化速度慢，早期强度低，后期强度高，从而使混凝土更密实，对结构的最终强度起决定作用。铝酸三钙对水泥的早期强度起一定的作用，但耐化学侵蚀差，干缩性大。铁铝酸四钙主要对水泥的抗折强度起主要作用，常用于道路硅酸盐水泥的生产。

影响水泥的质量主要由水泥的细度、凝结时间、安定性和强度决定。凡氧化镁，三氧化硫、初凝时间和安定性中任何一项不合格均为废品，凡细度、终凝时间、不溶物和烧失量中任何一项不合格均为不合格品，废品在工程中严禁使用。

1.2 集料 集料通常占混凝土体积的70%-80%，所以集料的质量直接影响混凝土的质量。集料主要有粗集料和细集料之分。集料的级配、含泥量、强度、坚固性、碱活性和有害物质含量对混凝土结构的质量起非常重要的作用，而级配的影响极其重要。水泥混凝土采用连续级配的集料可以使混凝土更加密实，和易性更好，不易离析，但比间断级配需用的水泥消耗量较多。集料的粒径越大，所需的水泥浆越少，水灰比也越小，强度则可以提高，但在水泥浆含量大的混凝土中，随着集料粒径的增大，水泥浆和集料颗粒之间的胶结面变小，强度反而会降低，所以在高强混凝土中，粗集料的最大粒径一般不大于20mm，细集料一般以中粗砂为主。目前，质量好的集料日益短缺，主要是控制污染、环保问题等原因限制生产，运输费用的上涨等原因造成材料进场困难。解决方法主要有采用仍能达到所需性能要求的边次集料生产低标号的混凝土，对质量差的集料进行筛选，利用和回收再生集料，如

矿渣、工业尾材等。

1.3 混凝土拌和用水 水是混凝土主要组成材料之一，拌和用水不符合要求会产生多种病害。水中的氯盐和硫酸盐会对结构中的钢筋和预应力筋产生锈蚀，从而影响结构物的耐久性和使用寿命。一般符合标准的饮用水可用于混凝土拌制，不需再进行检验，可疑水源的使用前须进行检验和适应性验证，合格后方可施工。

1.4 混凝土外加剂 现在混凝土施工中外加剂应用越来越广泛，外加剂可以加快和延缓混凝土的凝结时间，减少拌和用水，提高混凝土强度，增加坍落度，节约水泥用量。外加剂还可以提高混凝土的抗冻性，抗渗性，增加混凝土内钢筋的抗锈蚀能力，减少大体积混凝土的水化热，抑制混凝土碱骨料反应，改善混凝土的各种性能，提高混凝土的技术和经济效益均有非常大的作用。

外加剂的主要成分有木质磺酸素、氯盐、萘系和萘系磺酸盐等，根据不同的作用可分为减水剂、早强剂、缓凝剂、引气剂、增塑剂、抗冻剂等。

1.5 混凝土掺用矿物混合料 矿物混合料是混凝土的第五组成部分，主要的矿物混合料有磨细的粉煤灰、高炉矿渣、石英烟尘（如硅粉）等，掺混合料主要考虑经济方面的原因外，还能改善混凝土的和易性，减少泌水和水化热，增强混凝土的抗渗性和长期强度。粉煤灰是煤粉炉排出的烟气中收集到的颗粒粉末，其主要成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3，含量超过70%。在掺入粉煤灰的混凝土凝结硬化过程中，水泥熟料矿物的水化反应在先，粉煤灰的二次水化反应在后，这两类水化反应交替进行，生成水化产物，起到致密和益化作用。因此混凝土中掺入粉煤灰可以显著改善和易性，减少泌水离析，增加密实性、耐磨性，提高强度，降低施工成本，在泵送混凝土中被普遍采用。同时，粉煤灰具有缓解性，能降低砼水化热的释放，减少砼因表面收缩而引起的网裂、开裂的发生。高炉矿渣主要用于高强混凝土中。石英粉尘主要用于强度极高的混凝土。

2 混凝土配合比设计步骤

2.1 材料选用

2.1.1 根据水泥混凝土的强度等级确定材料的质量级别。

2.1.2 对料源进行调查，符合质量要求的材料方可进场使用。

2.2 确定试配强度，如现场施工情况与试验室条件差异较大时，应适当提高试配强度。

2.3 确定水灰比和每立方米的用水量。

2.4 确定砂率和每立方米的材料用量。

2.5 试验室试配调整配合比，并最终确定施工配合比。

3 混凝土的拌制、运输和浇注和养护

混凝土的拌和一般采用中心拌和站拌和，当工地现场距拌和站较远和供料要求不间断时必须在工地设置拌和站。拌和以强制式拌和机为佳，当条件限制也可采用自落式拌和机和汽车式拌和运输车进行。拌和方法采用二次投料能够明显改善混凝土的强度，提高混凝土的均匀性。

混凝土的运输近距离可采用泵送法，距离较远的采用运输车运输，运输时间极为关键。可以采用先干拌，运输至工地再拌和等方法提高混凝土的可运输性能。无论拌和、运输采用何种方法，水灰比不变是关键，这是决定混凝土强度和耐久性的主要因素。

混凝土的浇注过程中的振捣十分重要，如控制不好会影响结构强度，外观出现蜂窝和麻面、混凝土分层、色差等缺陷，所以要特别注意振捣器的作用范围，控制振捣时间，以防过振和漏振。

混凝土浇注完成后，混凝土的养生极为关键。由于硬化是一个复杂的化学过程，必须保持7天以上的较高湿度和适当温度养生，值得注意的是高温有助于加速硬化，但适当的温度更有利于长期的强度增长。

4 混凝土新技术和新工艺

4.1 高强混凝土和高性能混凝土 采用硅酸盐水泥、高效减水剂、集料和一定数量的混合材料，针对结构所要求的耐久性与力学性能来设计混凝土，科学地选择组成材料与配合比，再通过良好地拌制、浇捣和养护质量控制，获得所要求的高强度、高性能混凝土。

高强度高性能混凝土不同于普通的混凝土，一般C55及C55以上的混凝土属于高强混凝土。由于高强度构件的断面狭小，钢筋密集，要求混凝土必须要有很好的施工和易性、工作性和实用性，符合高性能混凝土的质量要求，即high performance concrete,简称HPC。它是满足特殊性能且均匀致密的高质量混凝土，具有以下性能：HPC的拌合物能够在自重的作用下无需震捣可自动填充模板的各个角落并形成密实的混凝土，在凝结硬化的初期混凝土内部不存在或者存在极少因水化反应和干燥引起的微裂缝，混凝土硬化后要有足够的强度和耐久性，能抵抗各种腐蚀有害气体、某些盐类溶液的侵蚀。高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土的性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，是以耐久性和工作性作为设计的主要指标，针对不同的用途要求，对下列性能有重点的予以保证：即耐久性、施工性、适用性、强度、弹性模量、体积安定性和经济性，以较低的水泥用量，较多的矿物掺合料用量，强度设计满足要求的混凝土。以较低的水胶比，充分利用工业废料，减少环境污染的通同时提高混凝土的密实性、抗裂性、抗化学腐蚀性和工作性，从而为某些工程100年以上使用寿命的特殊要求提供可能。

配合比设计是HPC制备技术的关键。HPC配合比设计不同于普通混凝土配合比设计，不是简单的以抗压强度作为设计指标的混凝土，也不是只要有配合比就能生产的，而是包括原材料的选择与控制，拌合物生产制备和整个施工过程中良好的质量控制来实现的。其配合比设计应以安全、经济、合理为原则，以耐久性、工作性、抗压强度设计指标等综合考虑和分析影响HPC性能与配合比参数的因数来确定其配合比。混凝土原材料性能对混凝土的各项性能包括工作性、施工性能、力学性能、耐久性均有很大影响。如混凝土的拌合物流动性主要与集料最大粒径、表面状况，砂率、粗细集料的级配情况以及掺配比例、用水量、减水剂及矿料掺合料的种类和用量有关。拌合物的离析主要和集料的最大粒径、砂率、集料的级配情况以及水泥的种类有关。混凝土的强度与水泥的强度、水泥的用量、水灰比、砂浆余量、减水剂用量有关。有研究表明：原材料的加料顺序、拌合时间等制备方法对HPC的工作性能甚至力学性能都有一定的影响。当首先搅拌均匀胶凝材料和部分减水剂和水，然后再加入粗细集料和剩余的减水剂和水得到的HPC的性能最优。为保证混凝土的耐久性，必须掺加一定数量的优质活性掺合料和外加剂。高效减水剂和优质活性掺合料已经成为HPC必不可少的组成部分。如对混凝土的性能还有其它的特殊要求，就必须针对其特殊性能添加其它的活性掺合料。因此，HPC制备的特点是低水胶比，选用优质的原材料，同时必须掺一定数量的矿物掺合料和高效减水剂才能满足要求。

4.2 高分子聚合物混凝土 高分子聚合物混凝土是在水泥浆中加入大量的水溶性的高分子聚合物，采用高剪力搅拌，产生水泥团，然后经两个压辊压挤出空气，形成密实的薄板，这种薄板可以制成任何形状，其抗压强度可达200Mpa以上，抗折强度可达100Mpa以上，如果近一步精加工，可以使其强度提高一倍，目前尚未正式使用。如加入不同种类的纤维，可扩大其用途，甚至可以替代钢桥中的钢材。

4.3 均匀排列超细颗粒混凝土 均匀排列超细颗粒混凝土主要成分是硅酸盐水泥，掺入大量微粒硅石，以及高效超塑化剂，保证硅酸盐水泥和微粒硅石之间不产生散凝作用，这种产品加入纤维和填料，可制C80以上强度极高的混凝土。

4.4 喷射混凝土 喷射混凝土要求喷射出的混凝土快速凝固，一般用调凝水泥拌制。调凝水泥是适当比例的氟铝酸盐熟料与普通硅酸盐水泥熟料和石膏一起混合，成品水泥中有20%-25%的硫酸钙，掺入缓凝剂，这种水泥的凝结时间可在2min-30min调节。用调凝水泥掺入缓凝剂可控制混凝土的凝结时间，提高混凝土的早期强度。

4.5 钢纤维混凝土 钢纤维混凝土能够增强混凝土的抗弯拉性能，提高抗裂性和强度，增强抗剪性能，提高混凝土的延度、抗冲击，延长混凝土的使用寿命。

4.6 轻质混凝土 桥梁上部结构混凝土除高耐久性与高强度要求外，又增加了轻质的要求，因为桥梁上部结构使用轻质混凝土，桥梁自重减轻了，可以降低桥梁下部结构的成本，轻质高强混凝土在已经一些工程中得到应用。

5 再生混凝土技术与环境保护

随着混凝土应用越来越多，混凝土工程与环境保护之间的矛盾也越来越突出。除了采用散装水泥外，工程的副产品和构造物拆除废弃的混凝土再生也成为一个重要的研究课题。混凝土再生技术不仅解决了环保问题，还解决集料短缺等问题，节约材料运输费用和工程成本。目前国外已经开始运用这项技术对废弃混凝土进行处理。随着经济的发展，再生混凝土也会越来越多地运用到工程中去。

6 结语

目前，混凝土的新材料、新工艺研究一直在深入发展，各种新型水泥、外加剂、聚合物、矿质混合料和预应力技术的研发，对提高混凝土的各项性能，节约工程成本起了非常重要的作用，混凝土的应用也更加广泛。