铁路客运专线高性能混凝土外观质量控制

李洪斌

（中铁三局武广项目经理部第五总队，湖南 耒阳 421800）

1 前言

随着科学技术的发展，高性能混凝土以其优异的耐久性、良好的工作性和体积稳定性被应用到铁路客运专线工程施工当中，但高性能混凝土正式应用到国内铁路工程施工的时间较短，施工单位对其各项性能的认知还处于摸索阶段，尤其是对高性能混凝土耐久性、工作性、强度、混凝土外观质量之间的联系尚处于模糊状态，这对改善高性能混凝土外观质量是很不利的。

2 高性能混凝土各项性能

2.1 耐久性

以水泥为主要胶结材料的混凝土其耐久性是指在使用过程中抵抗各种破坏因素而能保持其使用功能的能力。耐久性涉及两个方面：一是引起破坏的作用力；二是材料对破坏作用的抵抗力，也就是一个外部因素，一个内部因素。而要达到高的耐久性则需要优质稳定的水泥与骨料、合理的配合比、能够保证混凝土均匀密实的施工方法、足够的强度、优质的外加剂和活性细掺料、充分的养护及必要的表面保护等。

2.2 工作性

工作性包括流动性、填充性、黏聚性、可泵性等含义，是混凝土拌和、运输、浇捣、抹面等主要操作工序能够顺利并完满进行的保证，又称和易性。要使混凝土具有良好的工作性，合理的配合比是前提，骨料的级配要合理，外加剂、活性掺和料的性能要优良，所需的流动性要合理。

2.3 强度

强度是指混凝土抵抗外力破坏的能力。决定强度的主要因素是优质的水泥、活性细掺料、坚洁的骨料、高效减水剂、合理的配合比、正确的振捣方法、充分的养护等。

2.4 外观质量

具有良好外观质量的混凝土其表面必须平整光滑、棱角分明、色泽均匀、无碰损和污染，要达到拆模后无需装修或轻度装修便可达到良好的视觉感观效果。常见的外观缺陷有气泡、麻面、水线、砂溜、分层、花斑水印等。形成外观缺陷的主要原因是：混凝土工作性差产生泌水形成水线、分层、花斑水印；过振产生砂溜、水线、分层、花斑水印；欠振导致气泡逸出形成麻面。另外，模板的光洁度较差会导致混凝土表面无光泽。

2.5 各项性能之间的相互联系

由上述各项性能及其影响因素来看，导致混凝土外观产生缺陷的原因是多方面的，这其中既有原材料和配合比设计的问题，也有施工工艺的问题，还有模板工装的问题。但在原材料质量相对稳定的前提下，混凝土配合比设计显得至关重要。混凝土配比设计中，胶凝材料的用量、矿物掺合料的比例、水胶比、砂率、外加剂的掺量直接决定了混凝土耐久性、工作性、强度、外观质量等各项性能是否最终满足设计及施工要求。在高性能混凝土中，强度不再是首要指标，而把耐久性放到了第一位，其次是工作性，然后是强度，最后是外观质量，这四者必须兼顾，这样的混凝土才能被称之为“高性能混凝土”。

《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》第6.3.2条中规定，“C30及以下混凝土的胶凝材料总量不宜高于400 kg/m3，C35～C40混凝土不宜高于450 kg/m3，C50及以上混凝土不宜高于500 kg/m3。”受这一条件的限制，很多混凝土工作者在进行C30及以下混凝土配合比设计时，400 kg/m3胶凝材料便成了一条不可逾越的“鸿沟”。在满足电通量和混凝土的可泵性、强度要求的前提下，又考虑降低成本，便将胶凝材料用量压得较低。但这样的混凝土在拌制过程中和易性貌似良好，但由于胶凝材料偏少，混凝土的保水能力很差，所以在实体浇注时，在振捣器的高频激振下，确显得弱不禁风，加上横纵向钢筋的阻挡，很容易使混凝土离析并顺筋少量泌水，严重时出现大量泌水，泌水在上升过程中，在混凝土表面形成水线；轻度过振时，便出现水印花斑；重度过振时，泌水较多，冲涮并带走水泥浆体，留下砂子，形成了砂溜；如果欠振再加上模板的光洁度不好，气泡不能很好地排出，便形成了蜂窝、麻面等缺陷。但当胶凝材料用量达到一定的数量时，混凝土的黏聚性、保水性能大幅度提高，在高频激振作用下，抵抗离析的能力增强，混凝土的泌水极少或没有泌水，混凝土的外观质量得到根本的改善。其次，这样的混凝土为混凝土工程提供了较大的操作空间，混凝土更容易密实，对混凝土的耐久性有利。另外，胶凝材料的增多，浆体变稠使得混凝土与泵管的润滑层增厚，混凝土的可泵性得以提高，使得泵送更加顺畅。

3 高性能混凝土配合比设计

以武广客运专线最常用的C30高性能混凝土进行两种方案的配合比设计。

3.1 试验用原材料

（1）水泥。湖南省郴州市东江水泥厂生产的PO32.5。

（2）粉煤灰。湖南湘潭电力有限公司生产的II级粉煤灰。

（3）细骨料。湖南耒阳耒河中砂。细度模数在2.7～2.9之间，属二区中砂。各项指标符合标准要求。

（4）粗骨料。采用湖南耒阳市小水采石场生产的5～16 mm碎石40%、16～31.5 mm碎石60%进行二级复配，结果符合JGJ53—92中5～31.5 mm连续级配要求。

（5）外加剂。中铁三局建安公司工程试验中心外加剂厂生产的JH-5聚羧酸系高性能复合外加剂，掺量1.5%，减水率28%，含固量20%。

（6）水。耒阳市自来水公司，符合饮用水标准。

3.2 配合比设计方案一（本方案由中心试验室提供）

按照《普通混凝土配合比计规程》JGJ55—2000、《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》，粉煤灰采用等量取代法进行配合比设计。本工程要求混凝土配制强度大于38.2 MPa，工作性要求坍落度为140～180 mm，30 min后坍落度不得低于130 mm，混凝土黏聚性和保水性较好。56 d电通量小于1 500 C。

3.2.1 试配强度的计算

3.2.2 水灰比的计算

根据耐久性要求，水胶比不宜大于0.40，故水胶比取0.37。

3.2.3 用水量的选取

根据经验和掺加复合型外加剂的减水效果，用水量选定为136 kg/m3。

3.2.4 胶凝材料及外加剂用量

粉煤灰掺量为29%，采用等量取代法mf=368×29%=107；

水泥用量mc=368×71%=261；

外加剂用量mj=368×1.5%=5.52。

3.2.5 确定砂石用量

假定容重为2 300 kg/m3，砂率取37%，

则：Ms=（2 300-368-136）×37%=665；

Mg=（2 300-368-136）-665=1 131。

3.2.6 配合比的试配结果

该配合比经试验混凝土的和易性、强度、电通量、抗裂性均能满足施工要求。由于实测容重为2 215，求得校正系数为0.96。

最终确定配比见表1。

表1 配合比的试配结果

3.3 配合比设计方案二（本方案由本总队试验室提供）

按照吴中伟教授确定高性能混凝土配合比的简易方法和《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》，粉煤灰采用等量取代法进行配合比设计。

该设计法的基本原则是要求砂石有最小的混合空隙率，按绝对体积法原理计算。具体步骤和计算过程以C30高性能混凝土为例进行以下计算：

3.3.1 求砂石混合空隙率α，选择最小值

考虑到泵送混凝土对砂率的要求，本次试验选定砂率为38%～40%，按不同比例混合装入7 L容量筒内，在振动台上振动至试样不再下沉为止，刮平表面后称量，求出砂石的紧密度；测出砂石混合料的表观密度，计算出空隙率。试验结果见表2。

3.3.2 计算胶凝材料浆量

胶凝材料浆量等于砂石混合空隙体积加富余量。胶凝材料浆体富余量取决于工作性要求和外加剂性质和掺量，按坍落度140～180 mm估计为8%～10%，由试拌决定。假设为8%，α为23.8%，则浆体体积为α+8%=31.8%,即318 L/m3。

表2 试验结果

3.3.3 计算各组分用量

设选用水胶比为0.4，掺入粉煤灰为30%，水泥密度为3.15kg/m3，粉煤灰密度为 2.1 kg/m3，则：胶凝材料用量 /浆体积 =1/［（0.7/3.15）+（0.3/2.1）+0.4］=1.31，即 1 L 浆体用胶凝材料 1.31 kg，胶凝材料总用量=318×1.31=417 kg/m3。

因标准规定C30及以下混凝土的胶凝材料总量不宜高于400 kg/m3，故胶凝材料总量取400 kg/m3。

水泥用量=400×0.7=280 kg/m3；

粉煤灰用量=400×0.3=120 kg/m3；

水用量 =400×0.4=160 kg/m3；

外加剂用量=400×1.5%=6.0 kg/m3；

集料总量 =（1 000-318）×2.674=1 824 kg/m3；

砂用量 =1 824×0.4=730 kg/m3；

石用量=1 824-730=1 094 kg。

经试拌最终确定配合比为：

水泥用量280 kg/m3；粉煤灰用量120 kg/m3；

水用量150 kg/m3；外加剂用量6.0 kg/m3；

砂用量 738 kg/m3；碎石用量 1 106 kg/m3。

3.3.4 配合比的试配结果

经试验验证混凝土的和易性、强度、电通量、抗裂性均能满足施工要求。

4 混凝土生产控制

4.1 原材料的管理

保证原材料的质量稳定是保证混凝土质量的重要条件。对于原材料的采购不仅要设专人，而且还要设专人管理，并有固定堆放地点。购进的原材料都必须抽取有代表性的试样，进行严格的复检，不合格的材料应坚定不移地予以清除出场。对于砂石料，只有使用部门严格按标准购买砂石，生产者才会重视砂石的质量，才能形成一个良性循环。

砂石含水量的测试尤其重要，如果不是雨天，含水率的测试应每班测定两次，并根据含水率及时调整施工配合比。其次在测试含水量时，以砂石的表面含水率作为调整配合比的依据，即含水率扣除饱和面干含水率，也称含湿率。通常以砂石烘干至半干状态，翻拌降温后表面干燥为宜，这样就不会因砂石烘的过于干燥而吸水率提高，使得拌和用水相对减少，导致混凝土坍落度损失过快。另外，砂石的储存至少要有两个以上的料仓，一是可以区分出已检合格待用仓和进料待检仓；二是堆料时间较长的仓内砂石料的含湿量相对稳定，有利于质量控制。

4.2 搅拌和运输

混凝土的搅拌是质量控制的重要一环。高性能混凝土的水灰比较小且所用的外加剂都具有较高的减水率，故对用水量非常敏感，因此，开盘前校准计量系统显得尤为重要。但这项工作被多数单位在生产中简化了，所以在混凝土拌和物质量发生突然变化时，不能及时准确地判断其原因。

为了提高高效减水剂的减水效率并减少坍落度损失，工作人员采用国外常用的高效减水剂后掺法，这样可减少粉状胶凝材料对外加剂的吸附，能更好地发挥外加剂的作用。

由于高性能混凝土水灰比较小且又有细粉状的矿物掺合料加入，混凝土的黏度较普通混凝土大，所以在搅拌时间的控制上，要求不宜少于2 min，不得少于90 s，这样混凝土拌和物就会均匀，色泽一致，不但对混凝土的强度有利，而且使得混凝土工作性能较为稳定。

武广客专混凝土生产多采用大型的集中搅拌站，采用运输车运输混凝土，要做到开机的前几盘混凝土均进行工作性测试有一定的难度，所以要求混凝土试验员必须密切注意观察每盘混凝土从搅拌机出料口流入运输车喂料口的性状来调整混凝土的和易性，以首车混凝土的工作性检测来印证施工配合比的正确性。为了利于泵送，通常在混凝土泵送前先泵送砂浆润滑管道，砂浆的制备可采用同混凝土相同的水灰比的砂浆，要求砂浆不得离析泌水，否则会影响后续混凝土的质量。混凝土运输到浇筑地点后，至少要快速旋转搅拌1 min后卸料。

5 施工质量控制

5.1 模板要求

模板应拼装严密、内表面应平整光洁。模板内表面应使用脱模剂或使用洁净机油兑一定比例的柴油进行涂刷，但不宜过厚。

5.2 混凝土的浇筑、振捣

运输至浇筑地点的混凝土必须进行工作性测试，当坍落度损失较大时，可向搅拌车中补掺少量高效减水剂，不得任意加水。

墩身混凝土的浇筑应采用从边缘向中心的布料方法。

高性能混凝土自身的工作性能良好，具有良好的填充性和易密性，因而不需强力振捣。只需低频振捣器振捣，且可加大振点的间距，缩短振捣时间。当采用高频插入式振捣器进行振捣时，应采用快插、快拔的操作方法，防止混凝土离析，影响混凝土外观质量。混凝土浇筑完毕后应进行二次抹面，并尽快覆盖表面防止失水出现塑性开裂。

5.3 混凝土的拆模和养护

高性能混凝土因水胶比较低，早期强度并不比同强度普通混凝土的低。但由于高性能混凝土对坍落度损失的要求，凝结时间较普通混凝土延长，但也必须在终凝后尽早拆模并采用塑料薄膜裹覆保湿养护防止出现干缩裂纹。

6 工程实体外观质量

为使高性能混凝土能够在武广客运专线正常发挥效用，本局经理组织在第六工程总队严格按照中心试验室下发的C30高性能混凝土配合比进行墩身混凝土浇筑，其主要的目的是对混凝土配合比进行验证，并在拆模后观察混凝土的外观质量，试验结果并不理想，墩身表面出现有气泡、花斑水印、水线、砂溜等外观缺陷。分析原因时，大家认为主要是混凝土的保水性能差，并将导致这一结果的主要原因“归功”于外加剂，要求厂家改进外加剂产品质量。后在先期施工的桥梁工程中，混凝土的表面也不同程度地出现外观质量缺陷。

针对前期其他总队墩台身混凝土外观质量问题，进行认真分析原因和总结经验，得出造成混凝土外观质量差的主要原因是，原有配合比设计中胶凝材料用量偏少而造成浆体体积偏少；砂率偏小造成混凝土保水性、黏聚性较差，最终导致混凝土在高频激振作用下抗离析能力弱，故在该总队黄沙滩大桥8号墩施工中启用第二方案设计的配合比。在施工中严格按新的施工配合比进行混凝土搅拌并控制混凝土出机坍落度为160～180 mm，运至工地后坍落度大体在140～160 mm之间，混凝土拌合物性能良好，泵送畅通；混凝土的振捣按规定操作，拆模后混凝土表面光洁无蜂窝、花斑水印、水线、砂溜等外观缺陷，达到了预期的效果，在后续的墩台身施工和质量检查中获得业主和本局经理部一致认可。

7 体会

两种不同混凝土配合比设计方案在工程中应用的结果表明：在施工工艺基本相同的条件下，混凝土配合比的合理设计对混凝土外观质量起着决定性的作用。高性能混凝土配合比设计对混凝土从业技术人员的专业水平提出更高的要求，从业人员必须充分认识大掺量矿物掺合料的高性能混凝土的各项特征、聚羧酸外加剂的特点、骨料等原材料变化造成的混凝土性能波动，并综合考虑实际机械、设备能力和施工控制水平、施工难易程度来进行配合比设计，施工操作人员应根据新型混凝土的各项特性摸索和总结施工经验，才能更有利于高性能混凝土施工质量的保证。