内蒙古干燥大温差条件下混凝土质量超前评估与控制技术

王 骁，马天丽，傅燕峰

(1.长安大学;2.内蒙古自治区交通运输厅;3.赤峰市公路管理处;4.内蒙古自治区公路局)

内蒙古干燥大温差条件下混凝土质量超前评估与控制技术

王 骁1，2，马天丽3，傅燕峰4

(1.长安大学;2.内蒙古自治区交通运输厅;3.赤峰市公路管理处;4.内蒙古自治区公路局)

针对内蒙古地区的气候特点，采用国内外先进的检测试验技术，对混凝土材料和结构的质量加以控制。快速检测和超前预测混凝土性能，及时反馈并采取相应措施。深入研究干燥大温差气候下，混凝土结构劣化的机理。以耐久性为目标优化混凝土材料的设计，有效地保证混凝土材料与结构的质量。

混凝土;超前;评估;技术

内蒙古自治区省际通道支线赤峰至通辽至鲁北公路全长515.09 km，其中高速公路 351.92 km，一级公路163.17 km，连接线全长125.923 km。由于公路沿线多软基、低洼地以及河流，所以整条公路依靠数十座混凝土结构桥梁连接。据粗略统计，长度在60 m以上的桥梁总长达到8 750 m以上。如果考虑小型桥涵和互通立交桥，那么混凝土结构在整个道路工程中占有相当大的比例。

此外，内蒙古省际通道支线赤峰至通辽高速公路和通辽至鲁北一级公路沿线地处北温带大陆性半干旱季风气候区，四季分明。春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季少雨凉爽，冬季干冷漫长。沿线气候特点是干燥、寒冷、大温差和大风沙，这种气候给混凝土材料的质量和混凝土结构的耐久性带来了严峻的考验。

由于内蒙古气候多变，给路桥结构的设计、建设和养护带来一系列问题，其中主要影响之一表现在混凝土结构在复杂气候环境下发生开裂，在侵蚀性介质作用下发生剥落和破损。由于温度和湿度变化频繁，日温差大，给混凝土结构造成严重危害。混凝土结构裂缝、剥落、钢筋锈蚀等病害已经成为影响内蒙古公路桥梁工程质量和使用寿命以及影响行车安全的重要因素。

综合以上种种因素，由于混凝土结构在整个建设工程中所占比例较大、混凝土结构处于恶劣的具有破坏性的环境条件，因此，混凝土材料的质量不仅关系到道路、桥梁建设的顺利进行，也关系到沿线混凝土结构的长期安全运行，所以，搞好混凝土质量控制是十分必要的，具有重要的意义。

研究拟针对内蒙古地区的气候特点，采用国内外先进的检测试验技术，对混凝土材料和结构的质量加以控制。快速检测和超前预测混凝土性能，及时反馈并采取相应措施。深入研究干燥大温差气候下，混凝土结构劣化的机理。以耐久性为目标优化混凝土材料的设计，有效地保证混凝土材料与结构的质量。

1 超前评估与控制的基本流程

新拌混凝土性能的快速评估系统是以无损检测技术为基础，在现场控制新拌混凝土的质量，并监控混凝土的硬化过程，预测混凝土的后期性能，是一种以预控为主的混凝土质量控制系统。图1为新拌混凝土性能的快速评估系统的基本结构示意图。

2 评估系统组成与要求

在本项目中，新拌混凝土性能的快速评估系统要求通过采取一定的技术手段获得新拌混凝土的水灰比、单位水泥用量、坍落度、等效龄期等若干初始性能指标，利用这些初始性能与长期性能(如强度等)之间的相关性，准确预测混凝土材料或结构在某一特定时间的行为。综合分析相关指标后，对预测的结果及时进行反馈，适时了解并调整混凝土材料的组成和工艺措施，以便使混凝土材料和结构的性能在规定的龄期达到设计要求。

图1 新拌混凝土性能快速评估系统的基本结构示意图

因此，根据项目研究的需要，购入了一批国际先进的检测仪器，并综合考虑各种仪器具有的不同功能，从功能互补的角度出发，建立了一套新拌混凝土性能的快速评估系统，为实现快速、准确的混凝土材料质量超前控制提供了技术保障。

这系统包括的仪器设备主要有新拌混凝土成份分析仪(W-Checker)，MIC-138-1-02，日本圆井工业株式会社;新拌混凝土快速测定仪(Fresh Concrete Tester)，FCT101-SL，英国Colebrang公司;混凝土成熟度测定仪(Maturity Meter)，M-3056，美国James公司;探地雷达系统，SIR-3000型，美国GSSI公司生产;其它常用的混凝土材料试验仪器设备。

3 现场测试方法

3.1 W-Checker操作流程

在水泥混凝土搅拌现场取样，用新拌混凝土成份分析仪(W-Checker)可在几分钟内测定出该批混凝土的含气量、单位容积的质量，进而可算出该批混凝土单位含水量、单位水泥量、水灰比共5项指标，用于对施工混凝土配合比的现场复核。此外，该仪器还可用于粗、细骨料密度的测定，测定结果可以直接显示在电脑上。

在现场，按测定新拌混凝土含气量的方法将试料装入计量钵，测定出含气量及单位容积重量，算出单位水量、单位水泥量及水灰比。测定结果由超短波无线电传送至数据接收器自动记录并进行数据处理，连接电脑显示测定结果。数据接收器可将测定结果以红外线传送方式至打印机打印。仪器测试流程如图2。

图2 W-Checker测试流程图

3.2 FCT操作流程

(1)FCTM值的测量。

每种混凝土按配合比搅拌均匀后，先将FCT101-SL的主机探头空转进行校正，然后将探头插入新拌混凝土中约8 cm左右的深度，启动开关后，探头在混凝土中旋转8 s后停止。因为探头受到混凝土的阻力作用，会得到一个相应的FCT值，同一批混凝土只要测试10个点得出一个FCT平均值即可(用FCTM表示)。

(2)调出标定号，获得测试值。

在确定了该批混凝土的标定号后，对于同批次的同种混凝土，便可以直接从仪器中调出标定号，从而获得该批混凝土的一系列有关性能参数，如坍落度，水灰比，28 d抗压强度。

4 结果分析与评价

4.1 W-Checker测试结果分析

从测试结果中分别选取单位水泥量、水灰比、单位水量、单位容积质量这几个数据指标进行处理和分析。首先将仪器测定值与原配合比设计值分别进行对比，计算相对误差(相对误差=(实测值-设计值)/设计值×100)，以相对误差作为主要考察指标，通过对比，分析新拌混凝土组分的波动情况并将处理结果通过图表的形式直观的表现出来。对照图表，我们可以对混凝土的质量作出相应的评估。结果如下。

(1)单位水泥量的分析。

图3为单位水泥量相对误差分析图。由图3可见，与设计配合比相比较，实际测得单位水泥量的相对误差大多处在±5%的范围内，极少数相对误差超过10%。这一结果表明，新拌混凝土中水泥组分的量总体比较稳定，与设计的配合比符合较好。

图3 单位水泥量相对误差分析

(2)单位水量与水灰比分析。

由于新拌混凝土单位水泥量组分稳定，因此，影响新拌混凝土水灰比的主要因素即为单位水量的大小，所以两者可以做比较分析。图4和图5分别为单位水量和水灰比相对误差分析图。图5显示，实际新拌混凝土的单位水量相对误差呈散布状分布，只有部分集中在±10%的范围内，有相当一部分在±20%的范围以外，个别相对误差甚至达到30%以上。单位水量相对误差值表明新拌混凝土水量组分已经比较严重的偏离设计配合比的值。误差点呈散布状分布表明单位水量存在不稳定异动。由此导致的直接后果就是新拌混凝土水灰比的异常变动。如图5所示。水灰比相对误差点亦呈散布状分布，且部分已经较严重偏离设计水灰比值，这与单位水量的异变情况一致。表明实际所配的新拌混凝土中，存在水灰比普遍偏高的现象。因此可以说，对新拌混凝土中单位水量的适当调控是稳定水灰比的关键所在。

图4 单位水量相对误差图

图5 水灰比相对误差分析图

(3)单位容积质量的分析。

单位容积质量反映了单位体积内新拌混凝土各组分的总重量，质量合格的混凝土其容重应该符合设计配合比，并能保持相对稳定。图6显示实际新拌混凝土单位容积质量的相对误差情况。图中显示，相对误差点大多集中在±5%的范围内，说明实际新拌混凝土容重基本符合设计配合比，质量稳定。

图6 容重相对误差分析图

(4)新拌混凝土含气量测定气体含量是反映新拌混凝土组分的一个重要指标。合理的含气量，对于形成良好的硬化混凝土的微观结构、提高混凝土的耐久性能有着重要作用。图7是含气量的测试结果。由图所示，含气量基本稳定在1%以内。

通过以上对单位水泥量、水灰比、单位水量、单位容积质量几个指标的相对误差分析，可以对实际新拌混凝土的质量作出评估，并结合现场的实际情况，对原因做深入分析。

①从图8的分析可知，实测新拌混凝土中水泥组分的量比较稳定，与设计配合比的量比较吻合。这说明实际施工中，施工方为了保证混凝土的强度和质量，对单位水泥量控制得比较好。

图7 含气量测定值

②水灰比是衡量新拌混凝土质量的一个重要指标。从分析的结果来看，实际新拌混凝土普遍存在水灰比偏低的现象，也有部分新拌混凝土水灰比偏高，而且，从图8和9的分析可知，在单位水泥量相对稳定的情况下，水灰比的偏低或者偏高很大程度上是由单位水量的偏低或者偏高引起的。这些现象与现场的环境条件和施工情况紧密相连。一方面，施工现场气温高，相对湿度小，新拌混凝土水分散失快，刚拌制好的混凝土从搅拌机中出来，水分便开始蒸发，这样直接导致测试过程中，新拌混凝土的实际水量变小，测得的单位水量和水灰比变小。另一方面，水灰比的偏大也正是由于水分蒸发较快的原因，某些施工方为了保证或者提高新拌混凝土的工作性，人为加大用水量，这样直接导致测得的结果偏大，而且额外的用水量会大大降低混凝土的性能，对质量造成较大影响。再则，部分施工单位为了提高模板周转周期，缩短工期，大量使用早强水泥，早强水泥在细度上更细，早期水化速度更快，因而早期水泥水化的用水量增大，导致自由水量较小，坍落度损失增大，加之混凝土搅拌站距离部分施工现场距离较远，施工方也出于此原因，人为加大了用水量来维持坍落度。

③从测得的数据来看，单位容积质量大多能够符合设计值的。相对误差能够控制在合理的范围内。但是，还要进一步提高计量的准确性，使单位容积质量能保持稳定，避免不正常变动。新拌混凝土含气量的控制效果也比较好，大都能控制在1%以内。

④综合上述结果可以看出：对新拌混凝土的监测结果中问题最大，偏差最大的当属单位用水量和水灰比，且两者联系密切。其原因主要有两方面，a客观因素，即干燥大温差气候条件。b主观因素，即人为加大用水量。因而可以认为，混凝土质量的超前控制在内蒙古地区的特定气候条件下显得非常重要，不仅在监测中发现了不少可能对质量造成影响的问题，而且对后期针对问题采取的措施具有非常重要的指导意义。

4.2 FCT测试结果分析

使用FCT对新拌混凝土的性能进行预测，可以及早对新拌混凝土的质量开展预控。通过测试，实测值和设计值之间存在一定的关系，利用数学手段寻求两者之间的关系，建立初步的预测模型。在本研究中，选取一部分实测值和设计值，通过相关软件绘出数学关系图，并找到与之对应的数学方程。如图8，9，10所示分别为坍落度、水灰比、28 d强度的数学模拟方程。

由以上三图的分析，建立了初步的预测方程。其中，方程反映了实测值和预测值之间的关系，而R2则反映了两者之间的拟合程度。对比R2可知，坍落度、水灰比以及28 d强度预测方程拟合度均未达到0.9以上，说明干燥大温差条件下新拌混凝土的性能预测存在偏差，其中水灰比的拟合度最小，只有0.6139，其原因可能有以下两方面：(1)干燥条件下，水分蒸发较快，测试过程中因水量的蒸发造成水灰比减小，测试过程中促使水灰比变小小，而这种情况也占了现场监测的大部分。(2)由于水分蒸发会造成新拌混凝土工作性变差，而施工方为了保持混凝土的工作性，人为加大用水量，造成水灰比变大。

图8 坍落度预测数学方程

图9 水灰比预测数学方程

图10 28 d强度预测数学方程

5 结论

在调整配合比的基础上，将预测数学方程由一元线性方程修改为二元多项式方程进行预测，大大提高了预测的准确性，相关系数均提高为0.9804、0.9785、0.966，均在0.96之上，可以认为在适当调整配合比，改变数学方程建立模型以后，基本满足内蒙古特定干燥大温差条件混凝土质量超前控制的要求。

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1008-3383(2012)11-0055-03

2012-06-12