关于特大桥混凝土质量系统控制的思考

王俊如，王瑞燕

(1重庆城建控股(集团)有限责任公司，重庆 400013；2重庆交通大学 土木学院，重庆 400074)

引言

重庆既是山城，也是江城，桥梁对跨越山水起着重要作用。主城嘉陵江和长江上已建、在建和拟建特大桥数十座，重庆也因此成为中国的桥都。然而近年来特大桥施工过程中屡屡出现的裂缝问题引起了建设各方对混凝土及其性能与桥梁结构匹配性的高度关注。从系统的角度控制混凝土质量，保证混凝土品质与特大桥结构的匹配性，降低混凝土开裂敏感性，对结构的耐久性、安全性具有重要意义[1]。

1 特大桥对混凝土性能的要求

随着特大桥结构设计承载力提高，设计跨度增加，加之桥梁景观设计的要求也越来越高，桥梁的结构形式及内部应力体系日趋复杂，结构断面尺寸更多地表现出大体积特征。混凝土的早期水化放热、强度发展过程、变形等对桥梁结构的早期开裂、耐久性等都将产生重要的影响；同时，环境条件的恶化也对结构的耐久性产生不利的影响，这就对用于桥梁结构的混凝土材料的技术性能提出了更高的要求。用于特大桥的混凝土，应根据不同结构部位及施工工艺等，对混凝土拌和物工作性能、力学性能（特别是长期强度）、耐久性、体积稳定性、开裂敏感性等有重点地予以设计和保证。

2 混凝土在特大桥结构应用中存在的主要问题

近年来，特大桥混凝土结构施工过程中出现开裂的现象屡见不鲜，如何从系统的角度提高混凝土与桥梁结构的匹配性，需要设计、施工、混凝土生产企业乃至水泥及外加剂等生产企业各环节共同关注。就混凝土材料而言，在特大型桥梁结构的应用中存在的问题主要有以下几方面。

2.1 水泥品质与特大桥结构混凝土品质及施工要求匹配性不佳

作为混凝土的重要组成材料，水泥的品质与混凝土综合技术性能有着密切的关联性。我国建国以来对水泥标准进行了4次修订，修订的过程也反映了水泥品质的变化过程。水泥品质变化的趋势是:水泥熟料中早强成分C3S、C3A增多，水泥细度进一步增大。

图1 水泥细度对水泥与减水剂相容性的影响[2]

图2 水泥细度对水泥开裂敏感性的影响[2]

图3 水泥细度及矿物组成对混凝土长期发展的影响[2]

图1结果表明，水泥的细度增大，水泥与减水剂的相容性降低；图2结果表明，水泥细度增大，水泥开裂敏感性随之增大；图3结果表明，水泥细度增大，水泥中早强成分增加，混凝土早期强度高，但后期强度增长缓慢，甚至出现后期强度衰退。

在目前的市场条件下，混凝土生产及桥梁施工各方对水泥的选择是被动的，甚至建设各方常常忽略水泥品质对混凝土性能的影响，在施工过程中一旦出现开裂等问题，都习惯性地从外加剂、混凝土配合比、搅拌站、施工方等找原因。事实上，水泥品质与混凝土生产、施工的适应性对特大桥结构开裂的影响非常大。我国现行通用硅酸盐水泥质量标准对水泥细度、早期强度等指标只有下限要求，但无上限控制，导致普通型和早强型水泥在性能上基本没有实质区别，市场供应的水泥以早强型水泥为主。水泥品质的变化趋势，导致水泥品质与特大桥混凝土的高性能匹配性不佳，这在很大程度上影响了混凝土品质与特大桥工程结构的适应性，这也是造成目前特大桥结构施工过程中开裂的重要原因之一。国内外大量研究结果表明，近年来结构不断增多的早期开裂和过早劣化现象与水泥品质变化趋势有关。

2.2 活性掺和料的影响

特大桥结构普遍采用高性能混凝土，泵送施工。以目前的技术条件，实现混凝土高性能的技术措施是双掺技术，即大掺量的活性掺和料（或复合掺和料）和高效外加剂。通过高效外加剂改变混凝土拌和物的流变性能，降低水胶比；通过掺入大掺量矿物掺和料改变水化产物组成以提高耐久性。双掺技术在对混凝土性能有益改善的同时，也带来一些负面的问题:（a）组分多，掺和料本身的质量波动，增加了施工过程控制难度；（b）若混凝土搅拌时间不够，存在拌和物匀质性问题；（c）大掺量矿物掺和料使胶凝材料中SO3不足而引起凝结过程变化、体积不稳定等的问题。

图4 SO3含量对砂浆体积稳定性的影响

图4表明，在砂浆/混凝土中掺入大掺量活性掺和料（图4胶凝材料中矿渣和粉煤灰总掺量为40%），应对胶凝材料体系中的SO3进行优化以提高体积稳定性。

2.3 集料质量对混凝土性能的影响

混凝土中用量最多的原材料是集料，集料在混凝土中的重要作用是稳定体积。由于国内大多数砂石生产企业不执行砂石标准，也无人监管砂石质量，相关工程技术人员对砂石材料在混凝土中的重要作用认识不够，与发达国家相比，国内的集料普遍粒形差、级配不良、空隙率高、含泥含粉量较大。集料质量的这种差异导致我国混凝土中的水泥用量和拌和水用量比发达国家至少多用20%以上[3]，集浆比减小也使混凝土体积稳定性变差，开裂敏感性高；这也是导致特大桥混凝土施工过程中结构开裂的重要原因。

图5 集料体积含量对混凝土收缩的影响

从图5可以看出，混凝土中集料体积含量增大，混凝土收缩值减小，体积稳定性提高。

图6 砂率对混凝土断裂能的影响

图7 砂率对混凝土断裂韧度的影响

图6、图7表明，提高混凝土中粗集料的体积含量，由于粗集料的桥锁作用，有利于提高混凝土的断裂能和断裂韧度，对混凝土结构中裂缝的发展具有阻裂作用。

因此，对用于特大桥混凝土中的集料，应保证其具有良好的粒形和级配，从而降低混凝土中胶凝料用量，降低浆集比，降低混凝土开裂倾向，提高混凝土抗裂性能。

2.4 商品混凝土交付验收问题

特大桥梁结构中普遍使用商品混凝土，这就将混凝土的生产和施工人为地分成了两个控制节段。商品混凝土一般以拌和物工作性和28d强度为交付和验收指标，而仅这两方面的技术要求，满足不了现场施工对混凝土在桥梁结构中的行为控制。一但结构出现裂缝等问题，谁更应该为工程质量负责成为一个无法进行责任划分的难题。

3 特大桥混凝土质量的系统控制

混凝土的性能是混凝土在具体工程中表现出的行为，对工程特点和服役环境具有很强的针对性。混凝土的高性能不是只要有配合比就能生产出来的，而是由包括原材料控制、拌和物生产制备、设计、施工全过程控制来实现的，需要从设计、施工、混凝土搅拌站及各原材料生产等整个工程所有环节系统控制才能保证。就混凝土材料而言，为保证混凝土具有与特大桥结构相匹配的技术性能，应从严格控制原材料质量出发，确保混凝土配合比参数满足高性能混凝土设计参数要求，从而实现特大桥混凝土质量的系统控制。

（1）用于特大桥的水泥，在满足现行《通用硅酸盐水泥》GB175-2007国家标准前提下，建议细度不大于350m2/kg，熟料中C3S含量不大于55%、C3A含量不大于8%。配制特大桥C50、C60混凝土时，优先选择P.O42.5等级水泥。必要的时候应对用于特大桥水泥的早期强度上限、水化热等提出明确的要求[4]。

（2）水泥中的碱含量控制不仅是为了预防混凝土碱-集料反应，同时碱含量会影响混凝土开裂敏感性，低碱含量的水泥其开裂敏感性小。用于特大桥的水泥，碱含量（以Na2O计）不大于0.6%。

（3）用于特大桥的水泥，在现行水泥国家标准基础上，应对其与外加剂相容性、开裂敏感性等进行检验和控制。

（4）掺入较大掺量活性掺和料配制特大桥高性能混凝土时，应同时考虑掺和料的大量掺入对胶凝材料体系中SO3的稀释作用及由此产生的对混凝土拌和物凝时间、体积稳定性的影响。胶凝材料体系中的SO3含量应与C3A含量、碱含量相匹配。

（5）集料作为混凝土的重要组成材料，对混凝土的体积稳定性有重要作用，同时集料的桥锁作用对提高混凝土的断裂韧度、阻止微裂缝的发展有重要作用。用于特大桥混凝土的集料应选用级配、粒形良好的坚洁集料。在满足砂石材料相关标准基础上，用于特大桥的粗集料，松装空隙率不宜大于42%，以保证特大桥混凝土中浆集比不大于35:65，砂率不大于45%，从而保证特大桥高性能混凝土的体积稳定性等与结构相匹配的综合技术性能。

（6）对商品混凝土的验收，仅按混凝土拌和物工作性和28d强度验收难以满足特大桥混凝土施工对混凝土品质的要求，应将单方混凝土用水量、浆集比、砂率等指标列入商品混凝土验收要求。

[1]阎培渝，廉慧珍.用整体论方法分析混凝土的早期开裂及其对策[J].建筑技术，2003(1):15-18.

[2]廉慧珍，韩素芳.现代混凝土需要什么样的水泥[J].水泥，2006(9):13-18.

[3]廉慧珍.砂石质量是影响混凝土质量的关键[J].混凝土世界，2012(8):28-32.

[4]王俊如，王瑞燕，刘强.石板坡长江大桥复线桥高性能混凝土质量控制[J].重庆建筑，2008（4）:7-10.