浇筑密实度和均匀度对结构混凝土耐久性的影响

张守祺，傅宇方，赵尚传，张劲泉，姜锡东

（1.交通运输部公路科学研究院 桥梁结构安全技术国家工程实验室，北京 100088；2.浙江省交通建设集团，浙江 杭州 310051）

结构混凝土耐久性不同于混凝土材料耐久性.结构混凝土耐久性不仅与混凝土结构构造和材料性能有关，还极大程度上取决于施工建设质量［1－2］，因此要求建立施工期结构混凝土耐久性质量控制方法，用于控制结构混凝土性能的离散性，以衔接混凝土耐久性设计与施工，确保混凝土耐久性设计性能在施工过程中有效实施.浇筑是混凝土施工的关键环节，为实现浇筑期结构混凝土耐久性质量控制，量化混凝土浇筑质量对结构混凝土耐久性影响是亟待解决的技术问题.

混凝土浇筑质量可用浇筑密实度和浇筑均匀度评价，前者表征混凝土浇筑残留气泡的数量及分布特征，后者表征混凝土组分的空间分布均匀性［3］.自20世纪初期开始，国内外重点针对振捣条件、新拌混凝土流变性、透水性模板等方面，开展了混凝土浇筑质量对其耐久性影响研究［4－6］.然而，对于振捣成型混凝土，由于缺乏浇筑密实度与浇筑均匀度的量化指标和测试评价方法，现有研究未能量化结构混凝土耐久性与浇筑密实度和浇筑均匀度之间的关系.

针对上述问题，本文采用振动分层法［7］，分析混凝土流动性和振捣时间对其浇筑密实度和浇筑均匀度的影响，量化结构混凝土耐久性与浇筑密实度和浇筑均匀度之间的关系，建立混凝土浇筑密实度和浇筑均匀度的量化控制方法，为进一步建立浇筑期结构混凝土耐久性质量控制方法提供理论依据.

1 试验

1.1 原材料与混凝土配合比

水泥：基准水泥；粉煤灰：陡河Ⅰ级粉煤灰；粗骨料（CA）：5～20mm 连续级配碎石；细骨料：连续级配河沙，细度模数2.3；减水剂：复合型聚羧酸高效减水剂；拌和水：自来水.

恒定混凝土水胶比，通过调节减水剂掺量，控制混凝土坍落度分别为（80±10）mm，（140±10）mm，（200±10）mm，得到塑性、流体和大流态混凝土（C30）.各混凝土含气量（体积分数）均保持为4%～5%.混凝土配合比见表1.

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix proportions

1.2 混凝土浇筑质量试验方法

浇筑混凝土指经过振捣浇筑成型的未凝结混凝土.以浇筑混凝土电阻率（EA）作为混凝土浇筑密实度指标.EA映射了混凝土内部残余气泡与电解液体积比.以粗骨料分层度（Gm）作为混凝土浇筑均匀度指标.Gm反映了粗骨料的空间分布均匀状况.

采用专用测试设备——振动分层筒（见图1）测试混凝土浇筑密实度和浇筑均匀度［7］.振动分层筒由上、中、下3 层单筒构成，下层有底.主要测试步骤：（1）设置系列振捣时间（见表2），利用振捣台将混凝土浇筑于振动分层筒中；（2）采用50V，1kHz方波交流电，测试上、中、下层混凝土电阻（R1，R2，R3），按式（1）和式（2）计算EA；（3）依次拆分振动分层筒，冲洗单层混凝土并保留粒径大于5mm 骨料，干燥至恒重后称重，按式（3）计算Gm.试验中要求电阻测试在3 min 内完成，粗骨料筛取在10 min 内完成.

式中：Ei（i＝1，2，3）为 第i层混凝土电阻率，kΩ·cm；Ri为第i 层混凝土电阻，kΩ；Ji为第i 层混凝土电极常数，cm－1.

图1 振动分层筒测试示意图Fig.1 Schematic diagram for testing of separation－vibrated cylinder

表2 混凝土振捣时间Table 2 Vibrating time of concrete

式（3）中：m1为上层粗骨料质量，g；m3为下层粗骨料质量，g.

1.3 硬化混凝土性能试验方法

依据混凝土坍落度和振捣时间的设计值，成型φ100×200 mm 混凝土圆柱体试件、450 mm×450mm×100mm 混凝土板和150mm×150mm×150mm 混凝土立方体试件，同条件养护至28d龄期.圆柱体试件用于混凝土氯离子扩散系数测试，试验参照GB／T 50082—2009《混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行.混凝土板用于混凝土透气性和透水性测试，测试方法采用Autoclam 法［8］.立方体试件用于混凝土抗压强度测试，试验参照GB／T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行.取抗压试验后的立方体试件碎块，参照GB／T 21650—2008《压汞法和气体吸附法测定固体材料孔径分布和孔隙度》测试混凝土孔结构.

2 理论模型分析

新拌混凝土属于多相复合材料，实质是以刚性骨料为分散相，黏性水泥浆为液相构成的悬浮液［9］.新拌混凝土流变性通常符合Bingham 塑流体流变模型（见式（4）），需以屈服应力τ0（Pa）和塑性黏度η（Pa·s）共同表征［10］.牛顿流体Stokes方程用于计算惯性力可以忽略的情况下，刚性球体通过黏滞流体所受的黏滞阻力Fv（N）.利用Bingham 塑流体流变模型修正Stokes方程，可以建立Bingham 塑流体Stokes方程（见式（5）），用于计算刚性球体通过Bingham 塑流体所受的黏滞阻力.在振捣过程中，混凝土气泡上浮和骨料沉降属粒子在黏滞流体中低速运动，在假定气泡和骨料为刚性球体条件下，满足Bingham 塑流体Stokes方程适用条件.

式中：τ为剪应力，Pa；˙γ 为剪切速率，s－1.

式中：r 为刚性球体半径，m；V 为刚性球体上浮速度，m／s.

振捣使浇筑密实度和浇筑均匀度向相互矛盾方向发展.在黏性流体中，气泡受到向上浮力和向下黏滞阻力作用，两者共同作用结果决定了气泡上浮运动特征.根据式（5），在气泡上浮初始阶段，黏滞阻力低，气泡加速上浮.当气泡上浮速度增加时，其受到的黏滞阻力与浮力相等，气泡匀速上浮，此时可根据阿基米德原理，建立浇筑混凝土气泡运动方程，见式（6）.式（6）表明，气泡匀速上浮速度Va（m／s）与气泡半径ra（m）成二次抛物线关系.因此，振捣使混凝土气泡持续排出，初始阶段以粗气泡快速排出为主，后转入细小气泡缓慢排出阶段.同时，骨料重力大于所受浮力和黏滞阻力，导致骨料持续沉降，浆体持续上浮.

式中：ρc 为水泥浆密度，kg／m3；ρa 为气泡密度，kg／m3；τv为振捣下水泥浆的屈服应力，Pa；ηv 为振捣下水泥浆的黏度，Pa·s；g 为重力加速度，m／s2.

综上可知，优化混凝土浇筑密实度和浇筑均匀度是控制混凝土浇筑质量的根本.实现混凝土浇筑密实度和浇筑均匀度平衡发展，可形成密实的堆聚结构体，提高混凝土浇筑质量.

3 试验结果与分析

3.1 浇筑密实度和浇筑均匀度

图2给出了浇筑混凝土电阻率随振捣时间（t）延长的演变规律.由图2可以看出，随振捣时间延长，浇筑混凝土电阻率经历下降、稳定和上升3个阶段.

图2 振捣时间对电阻率的影响Fig.2 Effect of vibrating time on electrical resistivity

混凝土开始振捣时，粗大气泡快速排出，电阻率不断下降；混凝土振捣到一定时间，粗气泡基本排尽，排气过程以细小气泡的缓慢排出为主，混凝土电阻率基本稳定不变；混凝土继续振捣，其浇筑均匀度大幅度降低，电阻率逐步增大.相同流动性混凝土经不同振捣作用，其浇筑密实度不同.

混凝土浇筑密实指振捣作用下混凝土粗气泡基本排出，开始进入以细小气泡缓慢排出为主时的密实状况.混凝土电阻率－振捣时间曲线稳定段对应其浇筑密实，本文将之命名为电阻率稳定区间（stable region of electrical resistivity，SRER）.通过计算混凝土电阻率拟合曲线函数（E（t））对振捣时间（t）一阶导数等于0（计算结果精确至千分位），可以量化判定SRER，用于评价混凝土浇筑密实状态.当EA值处在SRER 时，表明振捣充分，混凝土浇筑密实；当EA值小于SRER 时，表明振捣不足，混凝土未浇筑密实.

图3给出了粗骨料分层度随振捣时间延长的演变规律.由图3可以看出，随振捣时间延长，粗骨料分层度增大.振捣加剧粗骨料沉降，相同流动性混凝土经不同振捣作用，浇筑均匀度不同.

图3 振捣时间对粗骨料分层度的影响Fig.3 Effect of vibrating time on separation degree of CA

为了解决振捣使浇筑密实度和浇筑均匀度向矛盾方向发展问题，笔者将SRER 起点作为浇筑密实度和浇筑均匀度综合最优状态的判别点，并将这种判别方法命名为电阻率稳定区间法.该方法实质是确保混凝土在浇筑密实条件下，不降低混凝土浇筑均匀度.由电阻率稳定区间法可知，当坍落度由（80±10）mm 提高至（140±10）mm 和（200±10）mm时，最优振捣时间由70s分别降低至60s和40s，这表明提高混凝土坍落度有益于提升其易密实性.

综上，混凝土浇筑密实度和浇筑均匀度均由材料流动性和振捣时间共同决定，也就是说，仅依据混凝土流动性难以确定其浇筑密实度和浇筑均匀度.需要针对混凝土浇筑密实度和浇筑均匀度，建立混凝土浇筑质量控制方法.

3.2 渗透性

图4～6给出了振捣时间对混凝土渗透性（透水性、透气性和氯离子渗透性）的影响.由图4～6可以看出：（1）对于相同流动性混凝土，延长振捣时间，混凝土渗透性总体先降低后增大，在最优振捣时间时，混凝土渗透性基本达到最低水平.（2）提高混凝土坍落度，并振捣适宜的时间，可以优化混凝土抗渗透性能；在最优振捣时间下，当混凝土坍落度由（80±10）mm提高至（200±10）mm，其透水性、透气性和氯离子渗透性分别降低12%，52%和18%.上述结果表明，混凝土流动性和振捣时间均影响其渗透性.

图4 振捣时间对透水性的影响Fig.4 Effect of vibrating time on water permeability

图5 振捣时间对透气性的影响Fig.5 Effect of vibrating time on air permeability

图6 振捣时间对氯离子渗透性的影响Fig.6 Effect of vibrating time on chloride ion permeability

混凝土流动性和振捣时间影响混凝土渗透性，其实质在于混凝土渗透性与其浇筑密实度、浇筑均匀度相关.图7～9给出了混凝土渗透性与电阻率的关系.由图7～9可以看出：对于相同流动性混凝土，随混凝土电阻率减小，其透水性、透气性和氯离子渗透性逐步降低或逐步降低后趋于稳定.混凝土电阻率低映射其渗透性低，但是电阻率最低值与渗透性最低值并非呈对应关系，原因是在SRER 内混凝土电阻率保持最低值，而在SRER 起点至终点间混凝土Gm逐步增大，可以导致其渗透性增大，因此需要进一步划分SRER.图10～12给出了混凝土渗透性与粗骨料分层度的关系.由图10～12可知，随混凝土粗骨料分层度增大，其透水性、透气性和氯离子渗透性总体呈先降低后增高趋势，塑性、流态和大流态混凝土SRER 起点Gm值22%，18%和25%（见图3）均对应低渗透性；如果混凝土Gm继续增大，混凝土渗透性总体呈增长趋势.因此以SRER 起点为判别点可以避免SRER 内混凝土Gm增加致使其渗透性增加的不利影响.

图7 透水性与电阻率的关系Fig.7 Water permeability vs electrical resistivity

图8 透气性与电阻率的关系Fig.8 Air permeability vs electrical resistivity

图9 氯离子渗透性与电阻率的关系Fig.9 Chloride ion permeability vs electrical resistivity

综上，电阻率稳定区间起点映射混凝土低渗透性，验证了电阻率稳定区间法量化控制混凝土浇筑密实度和浇筑均匀度的有效性.对于3种流态混凝土，依据混凝土渗透性－振捣时间曲线（见图4～6），在设计振捣时间范围内（见表2），相比于电阻率稳定区间外部最高值，即浇筑密实度和浇筑均匀度综合最差状态，由电阻率稳定区间法得到的混凝土透水性、透气性和氯离子渗透性分别降低27%～48%，29%～64%和8%～13%.

3.3 抗压强度

图10 透水性与粗骨料分层度的关系Fig.10 Water permeability vs separation degree of CA

图11 透气性与粗骨料分层度的关系Fig.11 Air permeability vs separation degree of CA

图12 氯离子渗透性与粗骨料分层度的关系Fig.12 Chloride ion permeability vs separation degree of CA

图13给出了振捣时间对混凝土抗压强度的影响.由图13可知：随振捣时间延长，混凝土抗压强度持续增大或持续增大至稳定，振捣时间对混凝土抗压强度影响曲线无拐点，表明混凝土抗压强度对过度振捣的敏感性不及混凝土渗透性.图14，15给出了混凝土抗压强度与其电阻率、粗骨料分层度的关系.由图14可以看出，随混凝土电阻率减小，其抗压强度逐步增大，电阻率最低值对应抗压强度最高值.由图15可见，随混凝土粗骨料分层度增大，其抗压强度缓慢增长.对于3种流态混凝土，依据振捣时间对混凝土抗压强度影响曲线（见图13），相比于电阻率稳定区间外部最低值（对应最小振捣时间），即浇筑密实度和浇筑均匀度综合最差状态，由电阻率稳定区间法得到的塑性、流态和大流态混凝土抗压强度分别增大12%，9%和6%.由此可见，混凝土渗透性对浇筑密实度和浇筑均匀度变化的敏感性高于抗压强度，加强浇筑质量控制对结构混凝土耐久性更为重要.

图13 振捣时间对抗压强度的影响Fig.13 Effect of vibrating time on compressive strength

3.4 孔结构

振捣时间对混凝土孔结构的影响见表3.由表3可以看出，随振捣时间延长，混凝土孔隙率（体积分数）、阈值孔径、宏观孔（＞500Å）体积分数和多害孔（＞2 000Å）体积分数均发生变化，表明振捣时间延长，混凝土孔结构发生变化.例如，振捣时间由20s延长至40s，大流态混凝土孔隙率、阈值孔径和宏观孔体积分数分别降低6%，20%和12%；振捣时间由40s延长至70s，大流态混凝土多害孔（＞2 000Å）增加22%.

图14 抗压强度与电阻率的关系Fig.14 Compressive strength vs electrical resistivity

图15 抗压强度与粗骨料分层度的关系Fig.15 Compressive strength vs separation degree of CA

表3 混凝土孔结构Table 3 Pore structures of concretes

由于振捣改变了混凝土孔结构，致使混凝土浇筑密实度和浇筑均匀度会影响结构混凝土耐久性.

4 结论

（1）混凝土浇筑密实度和浇筑均匀度均决定于材料流动性和振捣时间，仅依据混凝土流动性难以确定其浇筑密实度和浇筑均匀度，不足以在浇筑期控制结构混凝土耐久性质量.

（2）振捣使浇筑密实度和浇筑均匀度向矛盾方向发展，电阻率稳定区间法可以量化判定混凝土浇筑密实度和浇筑均匀度综合最优状态.

（3）混凝土流动性和振捣时间影响其结构耐久性，实质在于混凝土浇筑密实度、浇筑均匀度对其渗透性有一定影响作用.电阻率稳定区间起点映射混凝土低渗透性，可用于控制结构混凝土浇筑质量以提升结构混凝土耐久性.在所设计的混凝土坍落度和振捣时间范围内，相比于浇筑密实度和浇筑均匀度综合最差状态，由电阻率稳定区间法得到的混凝土透水性、透气性和氯离子渗透性分别降低27%～48%，29%～64%和8%～13%.

（4）相比混凝土抗压强度，混凝土渗透性对浇筑密实度和浇筑均匀度的变化更为敏感，加强浇筑质量控制对结构混凝土耐久性更为重要.

（5）延长振捣时间，可以改变混凝土孔结构.在浇筑密实后，继续延长振捣时间对大流态混凝土孔隙率无影响，但是增加了多害孔数量.

［1］GJØRV.Durability of concrete structures［J］.Arabian Journal for Science and Engineering，2011，36（2）：151－172.

［2］陈肇元.完善技术标准，提供性能切合工程需求的混凝土［J］.混凝土，2008（2）：1－8.CHEN Zhaoyuan.Improving specification towards performance－based concrete［J］.Concrete，2008（2）：1－8.（in Chinese）

［3］吴中伟，廉慧珍.高性能混凝土［M］.北京：中国铁道出版社，1999：22－32.WU Zhongwei，LIAN Huizhen.High performance concrete［J］.Beijing：China Railway Publishing House，1999：22－32.（in Chinese）

［4］GONEN T，YAZICIOGLU S.The influence of compaction pores on sorptivity and carbonation of concrete［J］.Construction and Building Materials，2007，21（5）：1040－1045.

［5］CHIDIAC S E，MAADANI O，RAZAQPUR A G，et al.Correlation of rheological properties to durability and strength of hardened concrete［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2003，15（4）：391－399.

［6］田正宏，郑小伟，宋健大，等.透水模板改善混凝土性能试验［J］.建筑材料学报，2008，11（2）：172－178.TIAN Zhenghong，ZHENG Xiaowei，SONG Jianda，et al.Performance tests of concrete poured with controlled permeability formwork［J］.Journal of Building Materials，2008，11（2）：172－178.（in Chinese）

［7］交通运输部公路科学研究所.一种混凝土浇筑均匀性和密实性测试装置和方法：中国，ZL 2011 1 0119850.X［P］.2012－10－31.Research Institute of Highway，MOT.A test system to measure the consolidation and uniformity of vibrated freshly－casting concrete：China，ZL 2011 1 0119850.X［P］.2012－10－31.（in Chinese）

［8］BASHEER P A M.‘Clam’permeability tests for assessing the durability of concrete［D］.UK：The Queen's University，1991.

［9］FERRARIS C F.Measurement of the rheological properties of high performance concrete：State of the art report［J］.Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology，1999，104（5）：461－477.

［10］WALLEVIK O H，WALLEVIK J E.Rheology as a tool in concrete science：The use of rheographs and workability boxes［J］.Cement and Concrete Research，2011，41（12）：1279－1288.