[调研报告]关于混凝土质量控制的几个问题.doc

关于混凝土质量控制的几个问题 本文论述了影响混凝土质量的主要因素，混凝土强度等级与混凝土平均强度值及其标准差的关系，混凝土质量控制的中心环节。文摘 本文论述了影响混凝土质量的主要因素，混凝土强度等级与混凝土平均强度值及其标准差的关系，混凝土质量控制的中心环节。关键词 混凝土强度 等级 影响因素 材料管理 强度测定混凝土是由水泥、砂、石加水拌和均匀而凝固的人造石材，是混凝土结构和钢筋混凝土结构的主要组成材料。它质量的好坏，既影响结构物的安全，又影响结构物的造价，混凝土工程的施工人员必须十分重视混凝土的施工质量。那么，如何才能控制好混凝土质量？混凝土质量控制与哪些因素有关？下面就对有关因素谈点粗浅看法，以供参考。一、 混凝土强度及其主要影响因素混凝土质量的主要指标之一是抗压强度，只有弄清了影响混凝土抗压强度的主要因素，才能采取有效措施，使其达到要求的混凝土抗压强度指标。1 水泥标号对混凝土强度至关重要从混凝土强度表达式fcu.o=Afce(C/W-B)可以看出：混凝土抗压强度与混凝土用水泥的强度fce成正比，按公式计算，当灰水比为定值时用625号水泥配制出的混凝土用325号水泥与制出的混凝土的抗压强度高近两倍，因此混凝土施工时切勿弄错了水泥标号，且存放三个月后的水泥一定要重新测定标号后取用，灰水比对混凝土强度有很大的影响。灰水比与混凝土强度亦成正比，在一定范围内灰水比越大，混凝土强度就越高。灰水比越小，混凝土强度就越低。因此，当灰水比不变时，企业用增加水泥用量（同时按比例增加水用量）来增加混凝土强度是错误的，此时只能增大混凝土和易性，增大混凝土的收缩和徐变这样反而对混凝土强度造成危害。综上所述，影响混凝土抗压强度的主要因素是水泥强度和灰水比，要控制好混凝土质量，最主要的就是控制好水泥质量和混凝土拌合物的灰水比这两个主要环节。2强度还有其它不可忽视的因素。粗骨料品对混凝土强度也有一定的影响。当石子强度相等时，碎石表面比卵石表面粗糙，它与水泥砂浆的粘结性能比卵石强，当灰水比相等或配合比相同时，两种骨料配制的混凝土，碎石混凝土的强度比卵石混凝土高，但卵石混凝土的和易性优于碎石混凝土，因此，普通混凝土配合比设计规程（JGJ5596）的混凝土强度计算公式中反是了两种且骨料的A、B系数：碎石混凝土：fcu.o=0.48ce(C/W-0.52)卵石混凝土：fcu.o=0.50fce(C/W-0.61)按上述强度公式计算，当C/W在2.77以内时，碎石混凝土强度均高于卵石混凝土强度。舅骨料品种（河砂、海砂、山砂）对混凝土强度影响程度比粗骨料小，所以混凝土强度公式没有反映砂种系数，但砂的质量对混凝土强度有影响。因此，砂石质量必须符合混凝土用砂石质量标准（JGJ5292及JGJ5392）的要求。由于施工现场的砂石质量变化较大（如有害杂质含量，砂石本身颗粒坚硬程度，粗细颗粒组份的变化），对混凝土强度和混合物和易性都有直接影响，施工人员不得为了满足和易性对施工工艺的要求随意加水，从而造成灰水比的变化，致使混凝土强度发生较大波动。因此，要求对砂石质量严加控制，尽可能使其与混凝土配合比设计时的原材料质量相符以达到预期的混凝土强度这个目的。一旦砂石质量发生变化，施工时必须及时调整混凝土配合比。水泥混凝土强度只有在一定的温湿条件下才能保证正常发展，气温低就不行，所以混凝土捣实成型后应按施工规范的规定予以养护。冬季要保温防冻害，夏季要防暴晒脱水。混凝土搅拌要保证各种材料混合均匀，使水泥浆级均匀地包裹粗细骨料表面并填充其空隙使其联结凝聚成整体。目前研究推广的混凝土搅拌新工艺即分次搅拌还可改善混凝土结构和水泥水化条件，是提高混凝土强度的一种新措施。二、 混凝土强度等级与混凝土强度平均值及其标准差的关系混凝土强度等级是根据混凝土强度总体分布的平均值减去1.645倍标准差确定的。这样可以保证混凝土强度标准值具有95%的保证率，低于该标准值的概率不大于5%，充分地保证了结构的安全。从这个定义推定，抽样检验的N组试件的混凝土强度平均值一定大于等于混凝土设计强度等级，而强度平均值的大小取决于施工管理水平，即取决于标准差的大小。假设三个施工单位同样生产20号混凝土。甲单位管理水平很高，统计得混凝土的标准差为2.0N/mm2，n组混凝土强度平均值mfcu=20+1.6452.0=23.29N/mm2；乙单位管理水平中等，统计得混凝土标准差为4.0N/mm2，n组混凝土强度平均值mfcu=20+1.6454.0=26.58N/mm2；丙单位管理水平低劣，统计得混凝土标准差为6.0N/mm2，n组混凝土强度强度平均值mfcu=20+1.6456.0=29.87N/mm2，也就是说，三种施工水平的单位均得按95%的保证率要求控制混凝土的平均强度，即施工质量好（标准差o=2.0N/mm2）的混凝土强度平均值23.29N/mm2与施工质量低劣（标准差o=6.0N/mm2）的混凝土强度平均值29.87N/mm2具有同等的保证率。因此，施工人员必须明确，不只要使混凝土强度平均值大于混凝土强度的变异性，即要尽量使混凝土强度标准差降到最低值，这样，既保证工程质量又降低了工程造价，是真正有效的节约措施。三、 混凝土质量控制的中心环节混凝土质量控制包含两个基本内容：1，使混凝土达到设计要求的强度等级；2，在满足设计要求的质量指标的前提下尽量降低成本。这两条要求实际上是要尽量降低混凝土强度的标准差。混凝土是非匀质性材料，强度有一定离散性，这是客观存在的，但是通过科学管理可以控制其达到较小值。因此，混凝土强度标准差能客观地反映施工单位的管理水平，管理水平越高，标准差越小。可以说，混凝土质量控制实质上是标准差的控制，那么，应从哪几方面着手才能使混凝土强度标准差降低到较小值呢？（一）设计合理的混凝土配合比合理的混凝土配合比必须由试验室通过试验确定。除满足强度、耐久性要求和节约原材料外，应该具有满足施工要求的和易性。所谓混凝土混合物的和易性，是指混凝土混合物在拌和、输送、浇灌、捣实、成型等一系操作过程中，在消耗一定能量条件下使混凝土达到稳定和密实的一种工作性能。以最小能耗达到最稳定、最密实的程度变是最佳的工作性能。在设计混凝土配合比时，应根据砂石材料特性和灰水比调整最佳砂率，使混合物具有施工要求的和易性，即具有较合理的混凝土配合比，才能使混凝土比较容易拌均匀，而且在施工全过程中不致产生离析泌水现象。（二）正确按设计配合比施工按混凝土配合比施工，第一，要及时测定现场砂、石含水率，将试验室配合比正确地换算成施工配合比；第二，材料应进行称量计量，不要用体积配合比；第三，要及时检查原材料是否与配合比设计原材料相符，否则，应及时调整配合比。混凝土结构工程施工及验收规范（GB5020492）第4、3、1条规定，混凝土原材料按重量计的允许偏差，不得超过下列规定：1 水泥、混合材料2%2 粗细骨料3%3 水、外加剂2%规范规定水和水泥的重量误差允许2%，粗细集料的重量误差允许3%，强调了影响混凝土强度的主要因素（灰水比），说明水和水泥的称量误差应比砂石集料小。砂石集料的含水率应在总用水量中扣除，水和水泥均应称量，水不应凭经验加，水泥不应以袋计量，才能严格控制混凝土的灰水比。通过计算我们可以得到以下结论：水和水泥计量误差是降低混凝土强度的主要原因。例如：设原配合比每立方米混凝土用525号水泥400kg，水为20kg,水称量正误差2%则为204kg，水泥负误差2%为392kg，灰水比由400200=2变为392204=1.92，分别代入碎石混凝土强度f cu.o=0.48fce(C/W-0.52)验算。原配合比混凝土强度f cu。o=0.481.1352.5(2-0.52)=42.14N/mm2误称水和水泥后的强度f cu。o=0.481.1352.5(1.92-0.52)=39.87N/mm2两者相比，混凝土强度相对降低值为（42.14-39.87）/42.14=0.054,即5.4%。依此类推，常用标号水泥配制的混凝土，水计量的正误差110%，不同组合时的混凝土强度降低值就会计算出不同的结果。砂石集料负误差、混凝土制成量系数降低将造成多用水泥。假定每立方米混凝土材料总量为2450kg，其中水200kg，水泥厂400kg，则砂石总用量角为1850kg。按规范规定，砂、石集料允许负误差点%计算，少称砂石55.5kg（18503%），折合绝对体积20.94L(升)（砂石密度按2.65计算，则V=55.5/2.65=20.94），要用水泥浆来填充。灰水比为2时水与水泥的体积比分量为：0.61:0.39，这时将大用水泥25.32kg（20.940.393.1=25.32kg）。若砂石正误差3%，即多称了砂石55.5kg，由于砂子吸水将降低混凝土和易性，工人会随意加水，使其达到要求的和易性而降低混凝土强度。总之，砂石应进行称量，绝对不得用体积计量，因为砂石体积不但随装料方式发生变化，而且随含水量变化而产生的显著波动，也会造成混凝土制成量系数不够而多用水泥。（三）加强混凝土原材料管理施工现场混凝土原材料与混凝土配合比设计用原材料相同，因为混凝土原材料的变异将造成混凝土强度的变异。施工人员应经常检查原材料质量，如果发生殿堂现象，应立即检查原因和采取措施。为了减少原材料变异对混凝土强度变异的影响，材料最好定点供应并定期或按规定检查材料的质量。（四）进行混凝土强度的快速测定混凝土施工程序较多，从原料准备、配料到搅拌和浇灌各个工艺都可能造成混凝土强度的变异；材料质量的变异对混凝土强度影响更大，为了保证混凝土质量，最好在浇注前就能比较准确地预报混凝土28天强度，这样才能效避免混凝土工程质量事故。目前国内试行混凝土强度快速测定法控制混凝土质量的手段比较多，如沸水法，80oC热水法、55oC温水法、水灰比分析法、成熟度法等，都能在一定程度上起到控制混凝土质量作用。但有的不能及时起到控制作用，有的方法烦杂而且使用范围受到限制，不能得到广泛推广。经上述分析，我认为促凝压蒸养法能比较及时地发现施工质量问题，它能在1、5小时内比较准确地预报混凝土28天强度，发现问题可以及时处理，建议用此作为混凝土现场施工的一种质量控制手段。 混凝土碱骨料反应问题及预防措施2005年 02月11日由于我国过去水泥含碱量一般不高，加以自50年代起30余年来一直生产高混合材水泥，例如在七十年代曾大量生产使用的矿渣400号水泥，其中矿渣含量高达60-70%，有这么多的活性混合材，即使某厂水泥熟料当时含碱量稍高，砂石中有相当数量的活性成分，由于活性混合材可以起到消化缓解碱的作用，因而在八十年代以前我国一般土建工程尚未见碱骨料反应对工程损害的报告，以致许多设计、施工工程技术人员对碱骨料反应问题还比较生疏，有必要作一些基本情况的介绍。一、什么是水泥混凝土的碱骨料反应碱骨料反应是混凝土原材料中的水泥、外加剂、混合材和水中的碱（Na2O或K2O）与骨料中的活性成分反应，在混凝土浇筑成型后若干年（数年至二、三十年）逐渐反应，反应生成物吸水膨胀，使混凝土产生内部应力，膨胀开裂，导致混凝土失去设计性能。由于活性骨料经搅拌后大体上呈均匀分布，所以一旦发生碱骨料反应，混凝土内各部分均产生膨胀应力，将混凝土自身膨胀，发展严重的只能拆除，无法补救，因而被称为混凝土的癌症。二、碱骨料反应的分类和机理1、碱硅酸反应1940年美国加利福尼亚州公路局的斯坦敦，首先发现碱骨料反应，引起世界混凝土工程界的重视，这种反应就是碱酸反应。碱硅酸反应是水泥中的碱与骨料中的活性氧化硅成分反应产生碱硅酸盐凝胶或称碱硅凝胶，碱硅凝胶固相体积大于反应前的体积，而且有强烈的吸水性，吸水后膨胀引起混凝土内部膨胀应力；而且碱硅凝胶吸水后进一步促进碱骨料反应的进展，使混凝土内部膨胀应力增大，导致混凝土开裂，发展严重的会使混凝土结构崩溃。能与碱发生反应的活性氧化硅矿物有蛋白石，玉髓、鳞石英、方英石、火山玻璃及结晶有缺欠的石英以及微晶、隐晶石英等，而这些活性矿物广泛存在于多种岩石中，因而迄今为止，世界各国发生的碱骨料反应绝大多数为碱硅酸反应。2、碱碳酸盐反应1955年加拿大金斯敦城人行路面发生大面积开裂，怀疑是碱骨料反应，用美国ASTM标准的砂浆棒法和化学法试验，属于非活性骨料。后经研究，斯文森于1957年提出一种与碱硅酸反应不同的碱骨料反应碱碳酸盐反应。一般的碳酸岩石灰石和白云石是非活性的，只有象加大金斯敦这种泥质石灰质白云石，才发生碱碳酸盐反应。碱碳酸盐反应的基理与碱硅反应完全不同，在泥质石灰质白云石中含粘土和方解石较多，碱与这种碳酸钙镁反应时，将其中白云石（MgCO3）转化为水石Mg(OH)2，水镁石晶体排列的压力和粘土吸水膨胀，引起混凝土内部应力，导致混凝土开裂。碱碳酸盐反应在斯文森提出后，在美国的印地安纳，弗吉尼亚、衣华达等州和其它国家也发现有这种类型的反应，近几年在我国的山东省和山西省也发现有过这种类型的反应。3、碱硅酸盐反应1965年基洛物对加拿大的诺发，斯科提亚地方的混凝土膨胀开裂进行研究发现：（1）形成膨胀岩石属于粘土质岩、千枚岩等层状硅酸盐矿物；（2）膨胀过程较碱硅酸反应缓慢得多；（3）能形成反应环的颗粒非常少；（4）与膨胀量相比析出的碱硅胶过少。又进一步研究，发现诺发斯科提亚地方的碱性膨胀岩中，蛭石类矿物的基面间沉积物是可浸出的，在沉积物被浸出后吸水，使基面间距由10A增大到12A致使体积膨胀，引起混凝土内部膨胀应力；因此认为这类碱骨料反应与传统的碱硅酸反应不同，并命名为碱硅酸盐反应。对此，国际学术界有争论。我国学者唐明述对此也进行研究，他从全国各地收信了上百种矿物及岩石样品，从矿物和岩石学角度详细研究了其碱活性程度。研究表明，所有层状结构的硅酸盐矿物如叶蜡石、蛇纹岩、伊里石、绿泥石、云母、滑石、高岭石、蛭石等均不具碱活性，有少数发生碱膨胀的，经仔细研究，其中均含有玉髓、微晶石英等含活性氧化硅性氧化硅矿物，从而证明这仍属于碱硅酸反应。这一结论与基洛特起初发现的四个特点也并不矛盾。这个研究报告在第8届国际碱骨料反应学术会议上发表后，得到许多知名学者的赞同。但由于这种反应膨胀进程缓慢，用常规检验碱硅酸反应的方法无法判断其活性；因此，在进行骨料活性和碱骨料反应膨胀检验时，还必须与一般碱硅酸反类型有所区别。三、碱骨料反应的发生原因（条件）和特征混凝土工程发生碱骨料反应需要具有三个条件。首先是混凝土的原材料水泥、混合材、外加剂和水中含碱量高；第二是骨料中有相当数量的活性成分；第三是潮湿环境，有充分的水分或湿空气供应。早在1940年，斯坦敦用加利福尼亚州骨料作砂浆棒膨胀试验时，就发现水泥含碱量愈高，碱骨料反应的膨胀量愈大，在水泥含碱量低于0.6%时，就可以避免发生碱骨料反应。后来在其他许多国家试验，由于骨料反应。后来在其他许多国家试验，由于骨料反应的活性不同，有时水泥含碱量低于0.4%氧化钠当量，也有发生碱骨料反应膨胀量大的情况；但水泥含碱量高于0.6%称为高碱水泥已为大多数国家接受。随着水泥工业出现含不同混合材的水泥以及混凝土愈来愈多地掺用各种外加剂，以及日本、英国使用海砂配制混凝土，发现混凝土各种原材料成分中的碱（Na2O、K2O），均可导致发生碱骨料对工程的损害。有关活性骨料，经世界各国许多学者四十余年的研究归纳具有碱活性的骨料如表1所示：表1中所列含有碱活性的岩石，除最下一行的碳酸岩外，基本上都是含活性二氧化硅的矿物。从表中所列活性成分看，一种是无定形（非晶体）二氧化硅，如蛋白石，火山玻璃；一种是结晶不完整的二氧化硅，如玉髓、磷石英、微晶石英等，另一种是结晶完整，例如花岗岩为深成岩，其中石英结晶很完整，但由于地壳变动，受挤压力产生晶格扭曲变形，当其中应变石英含量大于30%时，就会发生碱活性。还有一种层状页硅酸盐，属于现在有争议的碱硅酸盐反应活性骨料。最后一个条件就是潮湿多水，愈是在潮湿多水的环境条件下碱骨料反应对工程的损害发展愈快，往往在同一个混凝土工程，混凝土配制材料具务碱骨料反应的条件，在这个工程潮湿多水的部位首先发生碱骨料反应损害，在其它部位则发展缓慢。受碱骨料反应膨胀开裂的工程从外观上看，在少钢筋约束的部位为网状裂缝，在受钢筋约束的部位多沿主筋方向开裂，在很多情况下可以看到从裂缝溢出白色或透明胶体的痕迹。在同一工程中潮湿部位发展严重也是其外观特征之一。最后判断还需要从受害的工程取芯样鉴定。表1 各国已发现碱活性矿物岩石岩 石 活 性 组 分火成岩 花岗岩花岗闪长岩紫苏花岗岩 应变石英含量30%浮石流纹石安山石英安岩粗面岩黑曜岩火山凝灰岩 酸至中性富二氧化硅的火山玻璃体鳞岩英玄武岩 玉髓、蛋白石变质岩 片岩片麻岩 应变石英含量30%石英岩 应变石英含量30%，燧石含量5%角页岩千枚岩泥板岩 页硅酸盐、变石英沉积岩 砂岩 应变石英、燧石含量5%硬砂岩 页硅酸岩、应变石英燧石（球状）（板状） 微晶石英、玉髓、蛋白石硅藻土 蛋白石、微晶石英碳酸岩 泥质白云石、页硅酸岩四、碱骨料反应的预防方法碱骨料反应条件是在混凝土配制时形成的，即配制的混凝土中只有足够的碱和反应性骨料，在混凝土浇筑后就会逐渐反应，在反应产物的数量吸水膨胀和内应力足以使混凝土开裂的时候，工程便开始出现裂缝。这种裂缝和对工程的损害随着碱骨料反应的发展而发展，严重时会使工程崩溃。有人试图用阻挡水分来源的方法控制碱骨料反应的发展，例如笔者见过的日本从大孤到神户的高速公路松原段陆地立交桥，桥墩和梁发生大面积碱骨料反应开裂，日本曾采取将所有裂缝注入环氧树脂，注射后又将整个梁、桥墩表面全用环氧树脂涂层封闭，企图通过阻止水分和湿空气进入的方法控制碱骨料反应的进展，结果仅仅经过一年，又多处开裂。因此世界各国都是在配制混凝土时采取措施，使混凝土工程不具备碱骨料反应的条件。主要有以下几种措施。1、控制水泥含碱量自1941年美国提出水泥含量低于0.6%氧气化钠当量（即Na2O+0.658K2O）为预防发生碱骨料反应的安全界限以来，虽然对有些地区的骨料在水泥含量低于0.4%时仍可发生碱骨料反应对工程的损害，但在一般情况下，水泥含量低于0.6%作为预防碱骨料反应的安全界限已为世界多数国家所接受，已有二十多个国家将此安全界限列入国家标准或规范。许多国家如新西兰、英国、日本等国内大部分水泥厂均生产含碱量低于0.6%的水泥。加拿大铁路局则规定，不讼是否使用活性骨料，铁路工程混凝土一律使用含碱量低于0.6%的低碱水泥。2、控制混凝土中含碱量由于混凝土中碱的来源不仅是从水泥，而且从混合材、外加剂、水，甚至有时从骨料（例如海砂）中来，因此控制混凝土各种原材料总碱量比单纯控制水泥含碱量更重要。对此，南非曾规定每m3混凝土中总碱量不得超过2.1kg，英国提出以每m3混凝土全部原材料总碱量（Na2O当量）不超过3kg，已为许多国家所接受。3、对骨料选择使用如果混凝土含碱量低于3kg/m3，可以不做骨料活性检验，如果水泥含碱量高或混凝土总碱量高于3kg/m3，则应对骨料进行活性检测，如经检测为活性骨料，则不能使用，或经与非活性骨料按一定比例混合后，经试验对工程无损害时，方可按试验规定的比例混合使用。4、掺混合材掺某些活性混合材可缓解、抑制混凝土的碱骨料反应。根据各国试验资料，掺S10%的硅灰可以有效的抑制碱骨料反应，据悉冰岛自1979年以来，一直在生产水泥时掺57.5%硅灰，以预防碱骨料反应对工程的损害。另外掺粉煤灰也很有效，粉煤灰的含碱量不同，经试验，即使含碱量高的粉煤灰，如果取代30%的水泥，也可有效地掏碱骨料反应。另外常用的抑制性混合材还有高炉矿渣，但掺量必须大于50%才能有效地抑制碱骨料反应对工程的损害，现大美、英、德诸国对高炉矿渣的推荐掺量均为50%以上。5、隔绝水和湿空气的来源如果在担心混凝土工程发生碱骨料反应的部位能有效地隔绝水和空气的来源，也可以取得缓和碱骨料反应对工程损害的效果。五、我国土建工程的碱骨料反应的问题我国水利工程从50年代起就吸取了美国派克大坝等许多土建工程因碱骨料反应破坏而拆除重建的教训，明确规定凡较大水利划等号开采骨料时都要求进取这行活性检验及专家论证，并采取掺大量混合材的水泥以及在现场