振动分层法控制混凝土浇筑质量的工程应用＊

张守祺，傅宇方，王栋民

（1.交通运输部公路科学研究院桥梁安全技术国家工程实验室，北京 100088；2 .中国矿业大学（北京）混凝土与环境材料研究所，北京 100083）

0 前言

混凝土结构耐久性不足已成为国际上面临的重要工程问题。耐久性问题不仅造成结构维护费用增长，而且严重影响正常使用功能，甚至危及安全性。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结构构造和材料性能有关，还取决于施工建设质量[1-2]。浇筑是混凝土施工的关键环节，浇筑质量决定于新拌混凝土流变性和振捣的共同作用。在国内外混凝土结构施工技术规范中，结构混凝土浇筑质量主要由材料稠度（坍落度等）和均匀性指标，结合布料工艺和经验性振捣工艺控制，缺乏以耐久性为目标的结构混凝土浇筑质量控制方法。导致混凝土施工与混凝土耐久性设计衔接不足，施工离散性和变异性控制水平难以达到耐久性要求，不足以保证耐久性设计性能在施工过程中有效实施。

针对上述问题，本文在现行混凝土浇筑质量控制方法的基础上，引入以耐久性为核心的结构混凝土浇筑质量控制方法——振动分层法[3]，构建耐久混凝土浇筑质量控制方法。本文依托马鞍山长江公路大桥工程，研究浇筑质量对结构混凝土耐久性的影响，分析振动分层法控制结构混凝土耐久性的有效性，为进一步丰富和完善混凝土结构施工技术规范和耐久性技术体系提供依据。

1 材料与试验方法

1.1 混凝土配合比

依托马鞍山长江公路大桥右汊三塔拱形塔斜拉桥工程，采用桥梁辅助墩和过渡墩墩身采用 C40 泵送混凝土，开展现场试验研究，混凝土配合比见表 1。

表1 混凝土配合比 kg/m3

1.2 试验梁设计

设计矩形试验梁 2 根，命名为试验梁 I 和试验梁 II，除振捣工艺外，2 根试验梁的构造、混凝土材料、施工人员和养护条件相同。试验梁的设计跨度为 4.0m，截面高度为 0.7m，设计尺寸见图 1 和图 2。

图1 混凝土矩形梁立面图（cm）

图2 混凝土矩形梁横截面图（cm）

1.3 试验方法

利用振动分层方法，现场检验混凝土浇筑特性，确定混凝土最优振捣工艺，以浇筑试验梁 I；利用传统浇筑工艺，浇筑试验梁 II。通过对比试验梁 I 与试验梁 II 表层渗透性，研究浇筑质量对混凝土耐久性的影响，分析振动分层法控制混凝土浇筑质量的作用成效。试验梁 I 和试验梁 II 采用同车C40 泵送混凝土浇筑，除振捣工艺外，布料、浇筑高度和振捣间距等施工环节相同。表 2 给出了试验梁 I 和试验梁 II 的浇筑质量控制方法构成。

表2 试验梁 I 和试验梁 II 的浇筑质量控制方法构成

混凝土浇筑质量的振动分层控制指标体系由密实度和均匀度指标构成，密实度指标为电阻率，均匀度指标为电阻率分层度。浇筑密实度和均匀度采用振动分层筒即时、同步测试[4]。混凝土浇筑质量评价标准采用浇筑混凝土电阻率稳定区间法（ k 值稳定法），用以确定混凝土最优振捣工艺。表 3给出了振动分层法控制混凝土浇筑质量的技术体系构成。

表3 振动分层法的技术体系构成

设计两种试验梁养护方式，试验梁 I 和试验梁 II 左幅均采用浇水覆盖养护（养护方式 A），右幅均采用浇筑无覆盖养护（养护方式 B）。试验梁耐久性测试指标包括透气性、透水性和氯离子渗透性。透气性和透水性测试采用 Autoclam法，氯离子渗透性采用 Permit 法，指标测试龄期为 3d 和28d。

2 试验结果与分析

2.1 浇筑特性分析与振捣工艺

浇筑混凝土在振捣棒（频率为 180Hz、振幅 1.5mm 和激振半径 250mm）振捣 0～60s 过程中的电阻率变化，如图 3所示。表 4 为浇筑混凝土电阻率曲线变化斜率。可以看出：振捣 0～20s 时，混凝土内部粗气泡持续排出，电阻率逐渐降低；振捣 20～40s 时，粗气泡基本排出，主要是微小气泡的缓慢排出过程，电阻率斜率为 0，电阻率稳定，混凝土达到振捣密实。

图3 浇筑混凝土电阻率

表4 浇筑混凝土电阻率曲线斜率

图4 浇筑混凝土电阻率分层度

图4 为浇筑混凝土振捣 0～60s 的电阻率分层度变化，可知：随振捣时间延长，浇筑混凝土电阻率分层度逐步增大。为避免过度振捣降低均匀度，针对振捣密实时间 20～40s，应选择下限值（20s）作为混凝土最优振捣时间，使混凝土浇筑密实度和均匀度达到综合最优状态，电阻率分层度控制上限值为 24%。

依据混凝土浇筑特性测试结果，制定浇筑质量控制方案用来浇筑试验梁 。浇筑质量控制方案见表 5。

表5 混凝土浇筑质量控制指标及限值

2.2 表观质量

图 5 和图 6 分别给出了试验梁 I 和试验梁 II 表观质量，可以看出：试验梁 I 表面孔洞数量少于试验梁 II，试验梁 I 表面光滑程度略高于试验梁 II。同时，试验梁 II 表面存在由浮浆薄层遮盖的孔洞，试验梁 I 无该类孔洞。因此，试验梁 I 表观质量优于试验梁 II，振捣分层法有助于提升混凝土构件表观质量。

图5 试验梁 I 的表观质量

图6 试验梁 II 的表观质量

2.3 透水性

表6 给出养护方式 A 和 B 条件下，试验梁 I 和试验梁 II透水性测试结果。可以看出，养护方式 A 条件下，振动分层法使结构混凝土 3d 和 28d 透水性系数降低 64.6% 和 58.6%；养护方式 B 条件下，3d 和 28d 透水性系数降低 64% 和53%。提升浇筑质量显著提高结构混凝土抗水渗透性，在两种养护方式下，振动分层法作用程度相近。

表6 结构混凝土透水性

依据透水性等级评定标准见表 7，试验梁 I 的 3d 透水性系数均小于 2.6×10-7m3/min1/2，抗水渗透性“良”；28d透水性系数均小于 1.3×10-7m3/min1/2，抗渗性“优”。试验梁 II（养护A）的 3d 透水性系数位于 2.6×10-7～3.4×10-7m3/min1/2，试验梁 II（养护 B）大于 3.4×10-7m3/min1/2，抗透水性能等级分别为“中”和“差”，试验梁 II（养护 A）28d透水性系数位于 1.3×10-7～2.6×10-7m3/min1/2，试验梁 II（养护B）位于 2.6×10-7～3.4×10-7m3/min1/2，抗透水性能等级分别为“良”和“中”。对比试验梁 I，试验梁 II 抗水渗透性约降低一至二个等级。表明混凝土浇筑质量显著影响结构混凝土透水性，作用程度因养护条件差异不同。

表7 Autoclam 透水性评定等级

表8 给出养护方式 A 和 B 条件下，试验梁 I 和试验梁 II透气性测试结果。可知，在养护方式 A条件下，相比试验梁II，试验梁 I 的 3d 和 28d 透气性分别降低 47.1% 和 32.4%；在养护方式 B 条件下，试验梁 I 3d 和 28d 的透气性分别降低52.9% 和 53.2%。说明振捣分层控制混凝土浇筑质量，可以提高结构混凝土抗气体渗透性，在养护条件不良时，作用程度更加明显。

表8 结构混凝土透气性

根据透气性等级评定标准，见表 9，可知养护方式 A 和B 条件下，试验梁 I 和试验梁 II 的 3d 和 28d 表面透气性系数均小于 0.1 Ln(mbar)/min，结构混凝土抗气体渗透性“优”。表明混凝土材料抗气体渗透性优良，浇筑质量影响结构混凝土表面透气性，但是未降低透气性等级。

表9 Autoclam 透气性评定等级

2.4 氯离子渗透性

表10 给出在养护方式 A 和 B 条件下，试验梁 I 和试验梁 II 氯离子扩散系数测试值。可知，采用养护方式 A，提升浇筑质量使结构混凝土 3d 和 28d 氯离子扩散系数分别降低51.9% 和 33.3%；采用养护方式 B，3d 和 28d 氯离子扩散系数降低 42.1% 和 23.6%。

表10 结构混凝土氯离子扩散系数

参照 Permit 氯离子渗透性等级评定标准[4]，见表 11 ，在养护方式 A 和 B 条件下，试验梁 I 的 3d 和 28d 氯离子渗透性等级为 IV 级，具有低氯离子渗透性。在养护方式 A 和 B 条件下，试验梁 II 的 3d 氯离子渗透性等级为 III 级，具有中等氯离子渗透性，28d 渗透性等级 IV 级，具有低渗透性。综上，混凝土浇筑质量影响硬化后混凝土抗氯离子渗透性能，振动分层法有益于提升结构混凝土抗氯离子渗透性能。

表11 Permit 氯离子渗透性评定等级

3 结论

（1）混凝土结构耐久性不同于混凝土材料耐久性，结构耐久性不仅与结构构造和混凝土材料性能有关，还取决于施工建设品质，需要建立施工期混凝土耐久性质量控制与检验方法，以确保耐久性设计性能在施工过程中实施；

（2）浇筑质量影响结构混凝土耐久性，振动分层法可量化控制混凝土浇筑质量，提升硬化后结构混凝土耐久性。相对于传统浇筑施工技术，振动分层法使结构混凝土透气性、透水性和氯离子渗透性分别降低 30%～50%、50%～60% 和20%～50%；

（3）现行混凝土结构耐久性设计标准与施工规范之间衔接不足，不易保证耐久性设计性能在施工过程中有效实施，使混凝土结构耐久性质量存在先天不足，成为导致混凝土工程耐久性问题严峻的重要原因之一。针对浇筑施工期混凝土耐久性质量问题，振动分层法为补充修订现行混凝土结构施工规范和耐久性技术标准、为提升工程施工建设品质，提供了重要技术支撑。

[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．

[3]傅宇方，张守祺，张劲泉，等．混凝土早期特性对结构混凝土耐久性影响的试验研究[R]．北京，2012．

[4]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[P]．中国发明专利：ZL 2011 1 0119850.X，2012,10,31.

[5]清华大学．Permit试验方法研究报告[R]．北京，2007.