浇筑工艺对C50预制箱梁混凝土外观和力学性能的影响分析

潘旭晨　覃茂挺　李顺凯

摘要：文章针对夏季高温季节浇筑的C50预制箱梁混凝土出现分层色差及冷缝的问题，系统研究了混凝土浇筑间隔时间和施工振捣方式对C50混凝土外观及力学性能的影响规律，并采用光学显微镜对新拌混凝土表面随浇筑隔间时间的变化进行微观分析。试验结果表明：硬化混凝土色差随浇筑间隔时间越长而颜色越深，插捣成型方式有利于改善混凝土外观；混凝土力学性能随着浇筑间隔时间的延长而逐步降低，浇筑间隔时间对混凝土抗压强度影响较小，而对混凝土劈裂抗拉强度影响较大。混凝土表面微观分析表明，混凝土表面出现的龟裂纹是导致混凝土冷缝和劈裂抗拉强度下降的主要原因。

关键词：C50混凝土；预制箱梁；冷缝；力学性能

0引言

近年来，随着我国高速公路交通建设的快速发展，预应力混凝土箱梁在我国高速公路建设中得到了广泛的应用［1-2］。目前，对于预制箱梁的要求已不仅仅限于梁体要具有足够的力学性能和耐久性，还对梁体外观质量有着更高的要求［3-5］。夏季高温时期浇筑C50混凝土时，容易受到天气原因、设备故障或其他人为等因素的影响而暂停连续浇筑［6-7］，很容易产生浇筑分层色差，从而导致冷缝问题，这些问题不仅严重影响箱梁的外观质量，还会影响混凝土对钢筋的握裹力、钢筋混凝土结构的整体性以及使用寿命［8-10］。

某预制梁场夏季高温季节生产的30 m跨C50箱梁腹板外侧中间位置出现分层色差及冷缝的问题［11-12］。根据箱梁腹板处分层色差及冷缝出现的位置和当时浇筑情况可以判断，分层位置为腹板混凝土施工时的浇筑面，由于后浇筑混凝土与开始的浇筑混凝土未能有效形成良好的整体，从而导致箱梁混凝土色差和冷缝现象［13-14］。

本文主要从室内模拟试验着手，考虑到夏季高温季节混凝土浇筑间隔时间和施工振捣情况，通过室内试验验证C50箱梁混凝土出现色差和冷缝的现象，研究浇筑间隔时间对不同龄期C50混凝土外观和力学性能的影响规律，并采用光学显微镜观察新拌混凝土表面随浇筑隔间时间的变化情况，分析浇筑间隔时间对混凝土外观及力学性能的影响，为合理控制浇筑间隔时间和改善箱梁混凝土外观质量提供参考。

1 混凝土原材料及试验方法

1.1 混凝土原材料及配合比

1.1.1 混凝土原材料

水泥采用强度等级为P·O42.5的普通硅酸盐水泥其主要物理和力学性能指标如表1和表2所示；机制砂采用石灰岩机制砂，表观密度为2 680 kg/m3，堆积密度为1 630 kg/m3，细度模数为3.1；碎石采用5～25 mm连续级配碎石；减水剂为聚羧酸减水剂，固含量为20%，减水率≥25%。

1.1.2 混凝土配合比及拌和物性能

混凝土配合比及拌和物性能如表3所示。

1.2 试验方法

1.2.1 试件成型

试件采用150 mm×150 mm×150 mm塑料试模。试件分两种方式成型：（1）浇筑第一层（试模高度的一半，75 mm），采用振捣棒不插入第一层混凝土的方式振捣，分别间隔0 min、30 min、60 min和90 min浇筑第二层75 mm；（2）浇筑第一层（试模高度的一半，75 mm），分别间隔0 min、30 min、60 min和90 min浇筑第二层，浇筑时采用振捣棒插入第一层混凝土的方式振捣。

1.2.2 混凝土力学性能试验

按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2019）测试混凝土不同浇筑间隔时间和不同振捣方式的混凝土28 d抗压及劈裂抗拉强度。

1.2.3 新拌混凝土表面变化

采用立体显微镜观察新拌混凝土表面随浇筑隔间时间的变化情况，测试环境为温度30 ℃，相对湿度65%；仪器为Leica Stereo Microscope M205A，其具有变倍比为20.5∶1和光学分辨率高达0.952 μm等特点。

2 试验结果与分析

2.1 不同浇筑间隔时间的硬化混凝土外观

如图1所示为不同浇筑间隔时间（0 min、30 min、60 min和90 min）对硬化后混凝土外观的影响。从图1可以看出，硬化混凝土色差随间隔时间越长而颜色越深。其中，在间隔时间为0 min时，混凝土试块上下层颜色一致；当间隔时间为30 min时，混凝土试块上下层颜色有轻微的差别；而在间隔时间为60 min和90 min时，混凝土试块上下层颜色差别明显，这正好验证了现场工程C50箱梁混凝土出现的色差现象。因此，对于未插捣混凝土，为避免出现混凝土色差，浇筑间隔时间必须＜30 min。

2.2 不同振捣方式的硬化混凝土外观

如图2所示为在不同浇筑间隔时间（0 min、30 min、60 min和90 min）采用不同的振捣方式对硬化后混凝土外观的影响。从图2可以看出，在浇筑第二层混凝土时，采用插入第一层混凝土的振捣成型方式可以改善混凝土色差，其中，在间隔时间为30 min时，混凝土试块没有出现色差，与一次性成型的试块外观相当；当间隔时间为60 min时，混凝土试块出现轻微色差；当间隔时间为90 min时，混凝土试块出现了明显的色差，说明在高温和低湿度条件下，采用插入式振捣方式（以下简称插捣）可以改善混凝土色差，但也存在一定的范围。为避免出现混凝土色差，即使采用插入式振捣方式成型，浇筑间隔时间也必须＜60 min。

2.3 澆筑间隔时间对混凝土力学性能的影响

如下页图3所示为不同浇筑间隔时间（0 min、30 min、60 min和90 min）和不同成型方式（未插捣和插捣）对C50混凝土28 d抗压强度的影响。从图3可以看出，不同浇筑间隔时间内混凝土抗压强度值相差不大，其中最大值为67.8 MPa，最小值为65.7 MPa，可以认为浇筑间隔时间对混凝土抗压强度影响较小。由图3可知，在浇筑第二层混凝土时，采用插捣方式的混凝土抗压强度值均大于不插捣的混凝土，其中在间隔时间为30 min时，采用插捣方式的混凝土抗压强度增大1.1 MPa，在间隔时间为90 min时，采用插捣方式的混凝土抗压强度增大1.2 MPa，说明采用插捣成型方式略微增加了混凝土抗压强度。

如图4所示，表示C50混凝土劈裂抗拉强度随浇筑间隔时间的变化情况。从图4可以看出，C50混凝土劈裂抗拉强度随着浇筑间隔时间的延长而逐步降低，由大到小顺序是0 min＞30 min＞60 min＞90 min。在未考虑插捣的情况下，C50混凝土劈裂抗拉强度最大值为4.15 MPa，最小值仅为3.24 MPa。相比于一次性浇筑试件，浇筑间隔时间为30 min、60 min和90 min试件的劈裂抗拉强度分别降低11.5%、16.6%和21.9%，而采用插捣试件的混凝土劈裂抗拉强度仅降低了5.5%、8.9%和14.4%。

在相同的浇筑间隔时间情况下，采取插捣成型方式的混凝土劈裂抗拉强度均高于未插捣混凝土，这归功于插捣成型方式使第一层浇筑混凝土与第二层混凝土形成良好的整体，减少了混凝土内部缺陷的产生，从而得到相对较高的劈裂抗拉强度。因此，为了保证不同浇筑间隔时间混凝土能形成良好的整体，如果未采取插捣方式，最佳间隔浇筑时间必须＜30 min；若采取插捣成型方式措施，最佳浇筑间隔时间应＜60 min。

3 混凝土表面的微观分析

影响C50混凝土外观和力学性能主要是不同浇筑层混凝土及与上一层混凝土的粘结，而粘结与混凝土表面相关。采用LEICA显微镜将混凝土表面放大80倍，观察混凝土浇筑表面特征随时间的变化情况。

如图5所示为采用LEICA显微镜放大80倍观察到混凝土表面随时间的变化情况。从图5可以看出，在高溫和低湿度环境下，随着时间的延长，混凝土表面逐渐产生了龟裂纹的现象，其中，初始时混凝土表面比较光滑，有一些小气泡，在30 min时混凝土表面即开始产生龟裂，而在60 min和90 min时，龟裂纹更为密集且裂纹宽度随时间延长逐渐变宽。分析其原因，主要是本试验采用C50混凝土水胶比较低和粘聚性较好，没有出现泌水现象，在高温和低湿度条件下不能弥补表面蒸发损失的水，导致C50混凝土出现龟裂纹；随着时间延长，表面水份散失越多，裂纹宽度越大。这些表面龟裂纹会阻碍不同浇筑间隔期混凝土的形成良好的整体，导致混凝土冷缝的形成，降低混凝土劈裂抗拉强度，在实际工程实施时应尽量避免出现。

4 结语

根据夏季高温季节浇筑间隔时间对C50混凝土外观和力学性能的研究，分析混凝土表面随浇筑间隔时间的变化情况，可以得出以下结论：

（1）硬化混凝土色差随浇筑间隔时间越长而颜色越深，插捣成型方式有利于改善混凝土外观，因此，为避免出现混凝土色差，浇筑间隔时间应尽量缩短。

（2）混凝土力学性能随着浇筑间隔时间的延长而逐步降低，浇筑间隔时间对混凝土抗压强度影响较小，而对混凝土劈裂抗拉强度影响较大；相比于一次性浇筑试件，浇筑间隔时间为30 min、60 min和90 min的未插捣混凝土劈裂抗拉强度分别降低11.5%、16.6%和21.9%，而采用插捣方式的混凝土劈裂抗拉强度仅降低了5.5%、8.9%和14.4%。

（3）混凝土表面微观分析表明，在高温和低湿度环境下，浇筑间隔时间为30 min时混凝土表面即开始产生龟裂，且随时间延长混凝土表面龟裂纹更为密集，且裂纹宽度变得越宽，这些龟裂纹是导致混凝土冷缝出现和劈裂抗拉强度下降的主要原因。

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作者简介：潘旭晨（1990—），研究方向：桥梁工程施工技术。