曲新業(yè)

（濟(jì)南鐵路誠(chéng)意工程檢測(cè)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

中國(guó)高速鐵路快速發(fā)展，速度350km/h 的鐵路不斷涌現(xiàn)，混凝土方量越來(lái)越大、混凝土強(qiáng)度和耐久性指標(biāo)越來(lái)越高，對(duì)混凝土質(zhì)量的要求更加嚴(yán)格。但伴隨著優(yōu)質(zhì)地材等原材料的衰減，混凝土的各種病態(tài)不斷出現(xiàn)，“黑色泡沫土”只是其中一種，因此在混凝土生產(chǎn)過(guò)程中不僅要嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量，優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，還需要在混凝土澆筑過(guò)程中嚴(yán)格把關(guān)。

“黑色泡沫土”是一種幾乎沒(méi)有任何質(zhì)量和強(qiáng)度并充斥了大量氣泡的混凝土副產(chǎn)品，形狀猶如“發(fā)泡膠”，在工程中沒(méi)有任何用處。在混凝土澆筑過(guò)程中，由于材料、工藝及混凝土離析、環(huán)境條件等多方面的原因往往會(huì)導(dǎo)致混凝土表面產(chǎn)生“黑色泡沫土”，特別是高標(biāo)號(hào)混凝土更易形成“黑色泡沫土”。

1 項(xiàng)目背景

新建濟(jì)南至萊蕪高速鐵路是設(shè)計(jì)速度350km/h的高速鐵路，新建濟(jì)南至萊蕪高速鐵路JLTJ-1 標(biāo)為先期開(kāi)工標(biāo)段，起訖里程DK71+583.55—DK76+261.95，標(biāo)段全長(zhǎng)4.678km，其中路基段長(zhǎng)158m，占標(biāo)段總長(zhǎng)的3.38%；隧道長(zhǎng)4.520km，占標(biāo)段總長(zhǎng)的96.62%。新建濟(jì)南至萊蕪高速鐵路工程JLZQTJ-4 標(biāo)起訖里程為：DK55+655—DK71+583.55，線路長(zhǎng)度15.929km。該標(biāo)段包含橋梁10 座共計(jì)4.531km；隧道4 座共計(jì)7.912km。

在隧道施工過(guò)程中部分仰拱、邊墻混凝土澆筑過(guò)程中發(fā)現(xiàn)混凝土表面出現(xiàn)大量黑灰色氣泡凝固后形成泡沫層，無(wú)強(qiáng)度，泡沫層與混凝土表面分層明顯，剔除黑色泡沫層后就是硬化的混凝土層，混凝土強(qiáng)度明顯偏高。為日后更好地控制混凝土質(zhì)量，避免出現(xiàn)“黑色泡沫土”，現(xiàn)將施工過(guò)程中原材料、混凝土攪拌、混凝土運(yùn)輸、混凝土澆筑等過(guò)程中的質(zhì)量控制措施進(jìn)行研究分析，找出出現(xiàn)“黑色泡沫土”的原因及控制措施。

2 “黑色泡沫土”研究的內(nèi)容及目的

2.1 內(nèi)容

研究“黑色泡沫土”的物理、化學(xué)成分；通過(guò)水泥、粉煤灰、減水劑成分分析，研究“黑色泡沫土”中黑色粉狀物形成原理；通過(guò)減水劑、混凝土拌制研究“黑色泡沫土”中氣泡產(chǎn)生的原理；通過(guò)粉煤灰、水泥與減水劑相容性試驗(yàn)尋找黑色油狀物的具體來(lái)源[1]。

2.2 目的

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)尋找黑色粉狀物的來(lái)源及混凝土“黑色泡沫土”的解決方法。

3 “黑色泡沫土”室內(nèi)試驗(yàn)

第一，原材料，包括：山東山鋁環(huán)境新材料有限公司“山鋁牌”P(pán)·O42.5 水泥；華能萊蕪發(fā)電有限公司I級(jí)粉煤灰；安徽中鐵工程材料科技有限公司聚羧酸系減水劑。

第二，材料成分，表1 為水泥成分，表2 為粉煤灰成分，表3 為減水劑成分，表4 為黑色泡沫土成分。

表4 黑色泡沫土成分

第三，根據(jù)成分分析，“黑色泡沫土”燒失量及二氧化硅含量較高，主要成分均為水泥或粉煤灰中的輕質(zhì)材料。黑色成分、大量氣泡通過(guò)減水劑性能和相容性試驗(yàn)（無(wú)粉煤灰）及試件外觀和顏色可以明確判定是水泥中的成分引起的，經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)水泥廠的助磨劑為原灰（電廠的初級(jí)副產(chǎn)品），對(duì)原灰進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)顯示：低質(zhì)量原灰是“黑色泡沫土”的黑色輕物質(zhì)的主因，其次是粉煤灰引起的。水泥廠剔除原灰后，“黑色泡沫土”已經(jīng)杜絕，沒(méi)有再次出現(xiàn)黑色輕物質(zhì)的情況，但現(xiàn)場(chǎng)還存在不定期的“氣泡層”。

4 “氣泡層”形成原因

“氣泡層”顧名思義是上浮于混凝土表面的一層或幾層氣泡或存在混凝土中的含有氣泡的不密實(shí)結(jié)構(gòu)，氣泡會(huì)降低混凝土承載能力。大的氣泡多了之后，混凝土不能包裹好鋼筋，與空氣、水接觸后，混凝土耐腐蝕性降低，影響結(jié)構(gòu)外觀和質(zhì)量。

氣泡的來(lái)源可以分為：一是原材料引入（粗、細(xì)骨料、水等）；二是混凝土拌和站攪拌過(guò)程中引入；三是混凝土運(yùn)輸、澆筑過(guò)程中引入；四是膠凝材料與減水劑不相容產(chǎn)生氣泡；五是混凝土和易性差。對(duì)上述存在的問(wèn)題逐一分析。

4.1 原材料原因

4.1.1 粉煤灰脫硫不充分

由于粉煤灰脫硫工藝不充分或燃燒不充分等原因，在混凝土表面形成一層油脂，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生氣泡無(wú)法排出，氣泡附著輕質(zhì)材料，堆積在混凝土表面，形成灰色泡沫層。

4.1.2 水泥助磨劑不合格

水泥廠采用質(zhì)量低下的原灰、礦渣、鋼渣等在燃燒不充分的條件下，在混凝土表面形成一層油脂，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生氣泡無(wú)法排出，氣泡附著輕質(zhì)材料，堆積在混凝土表面，形成灰色泡沫層[2]。

4.1.3 減水劑、引氣劑引入

很多減水劑氣泡含量過(guò)高或試拌過(guò)程中加入了與膠凝材料不相容的化工原料都能造成氣泡過(guò)多。

引氣劑能顯著改善新鮮混凝土拌和物的勻質(zhì)性和施工性能，也使混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性得到增強(qiáng)，但實(shí)際情況是低質(zhì)量的引氣劑非但沒(méi)有改善混凝土的和易性，反而造成混凝土廢氣泡激增。

4.2 混凝土拌和站攪拌、運(yùn)輸過(guò)程中引入

在混凝土生產(chǎn)過(guò)程中，粗、細(xì)骨料、水等在攪拌、運(yùn)輸過(guò)程中將空氣引入。

4.3 膠凝材料與外加劑不相容產(chǎn)生氣泡

粉煤灰、水泥、減水劑之間不相容，按照一定比例將粉煤灰、水泥、減水劑加水?dāng)嚢琛！惰F路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（TB 10424—2018）中減水劑含氣量技術(shù)要求增加了3%～6%規(guī)格要求，目前施工中，減水劑規(guī)格均為3%～6%，導(dǎo)致混凝土含氣量偏高，產(chǎn)生大量氣泡，同時(shí)粉煤灰或水泥與減水劑混合過(guò)程中產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)出現(xiàn)大量氣泡，在混凝土水化過(guò)程中輕質(zhì)材料（石粉、粉煤灰）隨水泡、氣泡上浮至表層，形成灰色泡沫層。

5 “黑色泡沫土”形成過(guò)程原因分析

5.1 原材料

5.1.1 水泥中的助磨劑應(yīng)要求水泥廠選擇質(zhì)量合格且穩(wěn)定的原材料，在混凝土試拌過(guò)程和生產(chǎn)過(guò)程中水泥廠家應(yīng)全程參與，調(diào)整水泥助磨劑、混合材料種類(lèi)。

5.1.2 膠凝材料與減水劑的相容性按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行試拌試驗(yàn)合格后方可使用。當(dāng)水泥出現(xiàn)質(zhì)量波動(dòng)時(shí)，也應(yīng)逐批與外加劑進(jìn)行相容性試驗(yàn)。

5.1.3 粗骨料選擇粒形良好、級(jí)配合理、質(zhì)地堅(jiān)固、吸水率低、線膨脹系數(shù)小的潔凈碎石，重點(diǎn)關(guān)注空隙率試驗(yàn)，選擇空隙率最小的二、三級(jí)配的碎石。

5.1.4 細(xì)骨料選擇級(jí)配合理（細(xì)度模數(shù)為2.3～3的中砂），質(zhì)地堅(jiān)固，吸水率、空隙率小的細(xì)骨料，空隙率與砂率相對(duì)應(yīng)。

5.2 混凝土配比

混凝土試配過(guò)程中除了滿足基本的方法要求外，重點(diǎn)關(guān)注膠凝材料與減水劑的相容性和空隙率。膠凝材料過(guò)多會(huì)造成混凝土黏度增加，大氣泡不易排出，可以用添加粉煤灰或是礦粉解決。

5.3 混凝土生產(chǎn)

拌和站生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照施工配比執(zhí)行，嚴(yán)禁在生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工過(guò)程中肆意加水，施工時(shí)要滿足坍落度和流動(dòng)性的要求，在澆筑混凝土?xí)r先進(jìn)行混凝土坍落度和流動(dòng)度試驗(yàn)，否則不得澆筑。在滿足坍落度和流動(dòng)性且水灰比在合理范圍內(nèi)（不會(huì)對(duì)后期混凝土的振搗產(chǎn)生影響和不產(chǎn)生對(duì)可避免的結(jié)構(gòu)表面有害的氣泡）可以加入少量外加劑（如減水劑、引起劑）。外加劑的用量、水的用量這兩者都要符合規(guī)范要求。

在規(guī)定時(shí)間內(nèi)混凝土攪拌要均勻，當(dāng)發(fā)現(xiàn)混凝土和易性差使用外加劑進(jìn)行調(diào)整時(shí)，應(yīng)在30min 內(nèi)摻加外加劑。否則外加劑攪拌不均勻起不到相應(yīng)的作用，反而對(duì)混凝土和易性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成影響。需要特別強(qiáng)調(diào)的是，混凝土攪拌站的技術(shù)工作人員在進(jìn)行二次調(diào)配時(shí)，要均勻攪拌，使新加的外加劑均勻分布在原來(lái)的混凝土拌和物中。同時(shí)也要保證混凝土的和易性、坍落度、流動(dòng)度都滿足要求。攪拌時(shí)間也不能過(guò)長(zhǎng)，不得超過(guò)混凝土攪拌規(guī)范時(shí)間。為了提高均勻性，要用機(jī)械攪拌[3]。

5.4 混凝土澆筑、振搗問(wèn)題，振搗力度不夠氣泡不易排出

混凝土澆筑過(guò)程中經(jīng)常會(huì)用到地泵或天泵。天泵的泵送效率應(yīng)與混凝土最大粒徑相適應(yīng)；泵送下料口宜能移動(dòng)且混凝土自由傾落高度不宜超過(guò)2m。

現(xiàn)場(chǎng)管理人員要督促、監(jiān)督到位，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工敷衍了事、不按照施工程序步驟施工的人員要嚴(yán)厲批評(píng)并給予及時(shí)糾正。施工步驟和注意事項(xiàng)是：應(yīng)分層布料，分層振搗。

5.5 脫模劑問(wèn)題

選用質(zhì)量差的脫模劑，會(huì)造成氣泡排不出。選擇質(zhì)量好的脫模劑，在混凝土澆筑、振搗的過(guò)程中，質(zhì)量高的脫模劑有利于氣泡的流動(dòng)并沿著模板流動(dòng)上升并排出。

5.6 模板問(wèn)題

首先，模板的選取要光滑且優(yōu)質(zhì)耐腐蝕?；炷涟韬臀锸菈A性的且具有腐蝕性，如果模板是劣質(zhì)的，不僅不能起到模具的作用而且會(huì)造成混凝土拌和物流失，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。其次，模板要選用通氣性好的，促進(jìn)有害氣泡的排出。

5.7 二次振搗和二次收面

二次振搗的混凝土是要接近于初凝階段的混凝土，這個(gè)時(shí)間階段的混凝土在強(qiáng)度上較第一次澆筑時(shí)有所增大，所以要用高頻率的振搗棒才會(huì)振搗均勻，新添加的外加劑才會(huì)均勻分布在混凝土攪拌物中。

二次收面可以消除表面氣泡和浮漿，減少混凝土裂縫。

6 結(jié)論

綜上所述，流動(dòng)性、和易性優(yōu)質(zhì)的混凝土，避免“黑色泡沫土”應(yīng)采取以下措施：

第一，水泥中的助磨劑應(yīng)與廠家協(xié)商選擇質(zhì)量合格且穩(wěn)定的原材料（粉煤灰、礦粉、鋼渣等），在混凝土試拌過(guò)程和生產(chǎn)過(guò)程中水泥廠家應(yīng)全程參與，當(dāng)發(fā)現(xiàn)混凝土出現(xiàn)黑色物質(zhì)時(shí)應(yīng)及時(shí)與水泥廠家溝通調(diào)整配方。第二，粉煤灰脫硫工藝不完善或燃燒不充分已經(jīng)成為剔除黑色“黑色泡沫土”關(guān)鍵。第三，減水劑的含氣量宜選擇在小于3%以下。第四，配合比試配過(guò)程中原材料的相容性和空隙率是關(guān)鍵指標(biāo)，尤其是膠凝材料和減水劑的相容性。第五，現(xiàn)場(chǎng)相應(yīng)的管理也是重中之重。