戈壁沙漠环境下高性能混凝土开裂的预防措施

刘勇

Prevention Measures for Cracking of High Performance Concrete in Gobi Desert Environment

摘要： 戈壁沙漠环境下，为减少和预防施工阶段混凝土表面裂纹的出现和后续运营阶段的发展，从调整优化配合比着手，严格控制水胶比和水泥用量，尽量降低用水量、坍落度、砂率，得到理论配合比。通过理论配合比在施工现场使用一段时间的情况下，检测混凝土强度富余量来进一步对理论配合比的优化。并结合工程实践，提出了预防戈壁沙漠地区高性能混凝土开裂的措施，并在实践中验证了其优良性，该研究结果对其它地区也有预防开裂的指导意义。

Abstract： In Gobi desert environment， in order to reduce and prevent the emergence of concrete surface cracks during the construction phase and its development of follow-up operation stages， the proportion of water and cement and the amount of cement shall be strictly controlled from the point of adjusting and optimizing the mix ratio， so as to minimize the water consumption， slump and sand rate and get the theoretical mix. By using the theoretical mix ratio for a period of time at the construction site， the concrete strength allowance is examined to further optimize the theoretical mix ratio. Combining with engineering practice， measures to prevent cracking of high performance concrete in the Gobi desert area are proposed and its excellence is verified in practice. The results of this study also have guiding significance for prevention of cracking in other areas.

关键词： 戈壁；高性能混凝土；防开裂；配合比优化

Key words： gobi；high performance concrete；anti-cracking；optimization of mix ratio

中图分类号：U214.1+8 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）15-0117-04

0 引言

兰新客运专线沿线气候环境差异较大，线路多处于夏季高温、冬季严寒、温差大、风沙大、日照强、干旱缺水等恶劣自然气候条件下，主要不利因素是极度干旱缺水，大风、大温差、大蒸发量。

大量资料表明，高性能混凝土在国内外得到了广泛的应用[1]。国内外相关科研机构在众多的工程中进行了相关的研究，并制定了相應的技术规程，但混凝土结构耐久性需要结合具体工程、具体环境，研究相应的技术措施，其中，混凝土开裂对耐久性的影响尤其重要。随着我国西北戈壁沙漠地区铁路建设的快速发展，各类大中型工程对混凝土耐久性要求的提高，针对西北戈壁沙漠地区特殊的自然环境下，如何提高混凝土的耐久性是摆在大量工程建设者面前的一个难题。

工程实践表明，混凝土耐久性往往与其开裂行为密切相关[2]，所以预防和减少开裂对耐久性的提高有很大意义。文章[3]从配合比方面考虑了水泥品种、水灰比、砂率、粉煤灰掺量以及含气量等对混凝土开裂的影响，提出了混凝土配合比优化的理论指导，本次试验主要基于该文章的试验结论，从严格控制水胶比和水泥用量、尽量降低用水量、坍落度、砂率等方面，进行了理论配合比设计并进行了拌合物性能、力学性能及耐久性能试验，在理论基础上提出了实际工程中使用的优化配合比。望能对同类极端气候下的工程施工具有借鉴意义。

1 混凝土理论配合比设计

依据[3]相关参数分别设计以下3种理论配合比：墩（台）身混凝土、箱梁预制混凝土、道床板混凝土，具体配合比参数如下：

1.1 C40墩（台）身高性能混凝土配合比

配合比具体参数：水胶比选用0.36<0.40， 胶凝材料用量430kg/m3>340kg/m3，砂率42%，5～31.5mm连续级配碎石（采用两级配，5～16mm、16～31.5mm，碎石按5：5 掺配），粉煤灰掺量20%，矿渣粉掺量10%，外加剂1.1%，引气剂0.1%。

坍落度控制在160～200mm，含气量4～6%。配合比见表1，试验结果见表2。

1.2 C50箱梁预制高性能混凝土配合比

配合比具体参数：水胶比选用0.31<0.35， 胶凝材料用量500kg/m3，介于360～500kg/m3，砂率40%，5～20mm连续级配碎石（采用两级配，5～10mm、10～20mm，碎石按4：6掺配），粉煤灰掺量15%，矿渣粉掺量10%，外加剂1.4%，引气剂0.1%。

坍落度控制在160～200mm，含气量2～4%。配合比见表3，试验结果见表4。

1.3 C40道床板高性能混凝土配合比

配合比具体参数：水胶比选用0.33<0.50， 胶凝材料用量420kg/m3>300kg/m3，砂率42%，5～20mm连续级配碎石（采用两级配，5～10mm、10～20mm，碎石按4：6掺配），粉煤灰掺量30%，外加剂1.2%，引气剂0.1%。

坍落度控制在160～180mm，含气量4～6%。配合比见表5，试验结果见表6。

2 混凝土配合比优化

混凝土配合比优化是通过理论配合比在施工现场使用一段时间的情况下，检测混凝土强度富余量来进一步对理论配合比的优化。在既满足混凝土力学性能、耐久性指标要求的前提下，通过调整混凝土设计标准差、减少混凝土配置当中各组成原材料掺量和掺量匹配性，特别是在评判混凝土和易性和保坍性品质来优化配合比，同时在性能和品质提高的前提下节约成本。

对上述3种理论配合比结合施工现场情况，提出了进一步优化配合比思路，获得的配合比具体如下：

2.1 C40墩（台）身高性能混凝土配合比

优化过程：水胶比、胶凝材料用量不变的情况下，减少水泥用量，增加矿渣粉掺量，由原来的掺量10%提高到掺量15%；砂率由原来的42%降低到40%。

坍落度控制在160～200mm，含气量4～6%。配合比见表7，试验结果见表8。

2.2 C50箱梁预制高性能混凝土配合比

优化过程：水胶比不变的情况下，胶凝材料用量降低10kg/m3，胶凝材料用量由500kg/m3降到490kg/m3；减少水泥用量增加矿物掺合料，矿物掺合料总掺量有原来的25%提高到总掺量30%，具体是粉煤灰由原来的掺量15%提高到掺量17%，矿渣粉掺量由原来的掺量10%提高到掺量13%。

坍落度控制在160～200mm，含气量2～4%。配合比见表9，试验结果见表10。

2.3 C40道床板高性能混凝土配合比

优化过程：水胶比不变的情况下，胶凝材料用量降低30kg/m3，胶凝材料用量由420kg/m3降到390kg/m3；砂率由原来的42%降低到40%；外加剂由原来的1.2%增加到1.4%；坍落度由原来的160～180mm控制到140～160mm。

坍落度控制在140～160mm，含气量4～6%。配合比见表11，试验结果见表12。

通过对多种筛选设计后的三种混凝土配合比在前期使用后又对其优化。优化后的混凝土品质明显提高，施工产品内实外美，由于改善了品质混凝土的裂纹控制明显得到了提高，优化的参数与文章[3]的研究结果也是一致的。

3 预防混凝土开裂的措施

通过试验能够看出，影响混凝土收缩及开裂的因素很多，从原材料、复合化学外加剂的选择到砂率、水灰比及复合矿物外加剂的掺量，所有这些因素均对混凝土的开裂产生影响。特别是与其他地区相比，戈壁沙漠干旱地区的混凝土由于温度变化和湿度变化产生的裂缝较多，自干燥收缩、化学减缩较大，易氯盐腐蚀、冻融及盐渍土易导致混凝土结构开裂。因此，若要降低混凝土的开裂，不但要优化混凝土配合比及外加剂的复配，还要从严格控制原材料的质量、加强施工质量控制及管理、合理设计结构等几个方面入手。

3.1 严格控制原材料的质量

①考虑到混凝土温差主要是由水化热产生的，所以尽量采用早期水化热低的水泥，尽量避免使用早强水泥。

②改善粗骨料级配，使其空隙率减至最少；适当减少粗骨料最大粒径，降低粗细骨料的粒径梯度。尽量选择使用线膨胀系数较小的粗骨料，同时严格控制骨料的含碱量。

③禁止使用含泥量大的细砂，采用级配良好且含泥量少、细颗粒少的中砂和中粗砂，同时，在满足和易性的情况下，应采用较小的砂率。

④除了按有关的规范、标准检验原材料的常规指标外，对影响体积稳定性的有关指标也要严格检验，如：水泥的体积安定性，水泥中Na2O、及MgO和C3A含量，砂石材料的坚固性、粗细程度和有害杂质（硫化物、硫酸盐及水膨胀的矿物等）的含量。

3.2 科学设计混凝土的配合比

从配合比方面考虑，影响混凝土开裂的主要因素有：水灰比、砂率、矿物外加剂掺量等。

①混凝土配合比设计时，在达到各项性能的同时，要尽量降低水泥用量、用水量、坍落度、砂率。严格控制混凝土的坍落度，其它条件一定，坍落度越大，需要的水的量就越大，混凝土收缩和开裂的可能性就越大。

②掺加粉煤灰，一般可按水泥用量的15～25%掺用，这样可以提高拌和料的和易性，改善混凝土的工作性能，降低水化热，从而减少裂缝的发生。

③可以考虑在混凝土中摻用纤维材料，纤维在混凝土中起到“拉结”作用，不同程度地抑制了裂缝的发展，如在混凝土中掺用聚合物纤维、钢纤维、碳纤维、玻璃纤维等，但大面积使用成本高，可在特殊结构物使用。

3.3 加强施工质量控制及管理

①对影响混凝土开裂的主要因素建立裂缝质量控制图，以便系统地总结在戈壁沙漠地区特殊气候及环境条件下如何更好地控制混凝土质量。

②在施工各环节中，对混凝土裂缝影响较大的是浇注振捣的质量及养护的条件，要避免过度振捣。否则，由于分层离析，表层水泥浆过大，易产生裂缝。耐久混凝土水灰比低、泌水少，表层混凝土易缺水，寒冷干旱地区气候干燥，容易引起混凝土表面干缩开裂。因此，早期未拆模就要做好保湿、保温措施。在施工阶段，还应特别注意施工荷载不得过于集中，防止对结构物局部荷载集中，造成混凝土未凝结时受力产生破坏。

③当环境温度不低于外加剂规定使用温度时，就不必采用外加热措施，用适当方法包裹保温防止散热，避免过大温差即可。混凝土内外温差宜控制在20℃之内。环境温度太低时，用火炉加热要注意适当通风，避免发生碳化收缩裂缝。

④施工期间，当遇到突发的过高或过低的极端温度时，在热天，需要时可采取冷却的水或集料，避免混凝土温度过高，或在晚间进行混凝土施工。冷天当拆除模板或保湿设施时，防止混凝土表面温度迅速下降产生冷击。养护中断时要防止迅速干燥或过度干燥。防止风吹及太阳直射。避免过高或过低的极端温度，当温度过高时可用冷却的水或集料，避免混凝土温度过高。低温环境下拆模时应防止混凝土表面温度迅速降低产生温差裂缝。

⑤加强施工管理，减少人为失误，提高作业人员的素质和责任心，施工过程中严格进行质量控制，从原材料质量、外加剂选用、配合比设计和各施工环节等进行严格控制和管理。强化施工后养护工作“连续性、不可逆”的施工理念，确保混凝土养护连续有效。

4 结论

目前哈密地区尚无高性能混凝土施工的经验，国内戈壁沙漠地区、干旱、大温差气候条件下，高性能混凝土施工技术存在较多的研究领域，本次试验的混凝土配合比优化填补了国内同类地区混凝土施工的空白，可供类似工程借鉴。通过配合比优化分析，经过对照试验，在兰新客运专线三标施工项目实施过程中，大体积承台混凝土、墩台身、轨枕、遮板等小型构件及道床板均有效地控制了裂纹的出现和发展。本次混凝土配合比优化设计和施工过程较为成功，望能给同类型工程的高性能混凝土施工提供参考。

参考文献：

[1]陈家辉.高性能混凝土应用现状及其前景[J].广州建筑，1998（2）：3-8.

[2]彭卫兵，何真，梁文泉.对高性能混凝土的认识及混凝土开裂的问题[J].中国水泥，2003（1）：40-44.

[3]李雁，曹新刚.戈壁沙漠地区高性能混凝土配合比优化设计[J].高速铁路技术，2015，6（6）：85-89.