高速公路機制砂T形預制梁混凝土氣泡分析與研究

虞榮彬

摘要 高速公路T形預制梁是高速公路橋梁結構中重要構件的一部分，由于T梁混凝土配合比、原材料質量、施工工藝等多種因素影響導致預制T梁馬蹄、腹板、翼緣板倒角等位置產生表面氣泡影響預制構件的外觀質量，以九綿高速公路T形預制梁混凝土馬蹄、腹板、翼緣板倒角位置的氣泡為研究對象，根據(jù)工程施工工藝分析氣泡產生原因，通過T梁混凝土配合比、原材料質量、施工工藝分析研究改進措施，減少高速公路T形預制梁混凝土表面氣泡，進而提高橋梁預制外觀質量和混凝土施工質量，為建設高品質高速公路奠定基礎。

關鍵詞 高速公路；機制砂；T形預制梁；氣泡；分析與研究

中圖分類號 TU528.042文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）24-0117-04

0 引言

根據(jù)國家西部大發(fā)展戰(zhàn)略方針，“十四五”規(guī)劃的要求，四川省作為西部發(fā)展的重中之重，加快形成成渝經濟圈交通基礎設施，四川省九寨溝（甘川界）至綿陽公路路基LJ32合同段位于四川省綿陽市、江油市，該項目建成后起點可與甘肅連接，形成一條新的出川通道，終點往南可達重慶，強化甘肅、四川、重慶之間聯(lián)系，對經濟發(fā)展起到積極帶動作用，該線路沿線途徑九寨溝、平武縣、綿陽市、德陽市、遂寧市，也是一條旅游經濟帶，對沿線旅游產業(yè)發(fā)展具有巨大推動作用，更是條增強抗災救災能力的生命通道[1]。因此該條高速公路的混凝土質量不僅要考慮適應性、經濟性、耐久性、安全性，還要考慮外觀美觀性與沿線風土人情、地方文化相得益彰，結構物上跨多、外露結構尺寸、外觀質量尤為重要。

四川省九寨溝（甘川界）至綿陽公路路基LJ32合同段預制T形梁主要是上跨國道S205、高速以及綿陽至江油主干線，沿線旅游景點眾多，T梁預制質量外觀要求非常高，混凝土表面氣泡較多，不僅會影響T梁外觀質量，也會對梁體結構強度和耐久性、安全性產生影響，在預制梁生產過程中，由于預制梁馬蹄、腹板、翼緣板倒角位置的混凝土氣泡與混凝土原材料質量、配合比、施工工藝方法有著密切的關系，因此為保證梁體施工質量與外觀質量，對混凝土氣泡產生原因進行分析研究[2]。

1 預制T形梁馬蹄、腹板、翼緣板倒角混凝土氣泡調查分析

T形預制梁設計強度等級為C50混凝土，長度為50 m，預制采用鋼模板在預制場集中預制，在項目前期預制T梁生產過程中，模板拆除后，梁體馬蹄、腹板、翼緣板倒角位置出現(xiàn)不同程度、形狀大小不一的氣泡，嚴重影響預制T梁早期強度及外觀質量，現(xiàn)場澆筑完成9片T梁后，針對澆筑完成的T梁氣泡產生位置進行統(tǒng)計分析，按照梁底至馬蹄倒角位置長度1 m×高度0.5 m、腹板長度1 m×高度0.5 m、翼緣板倒角長度1 m×翼緣板寬度0.5 m為測區(qū)面積區(qū)域范圍進行統(tǒng)計，測區(qū)位置如圖1所示。

按照直徑小于1 mm、1～5 mm、大于5 mm的氣泡分類統(tǒng)計，在整個統(tǒng)計區(qū)中氣泡分部較多、較大的部位是梁體底部至倒角位置，腹板和翼緣板氣泡分部相對馬蹄位置較少，且直徑和深度較淺，最大氣泡深度達到6 mm，直徑達到12 mm。9片預制T梁氣泡統(tǒng)計如表1所示。

預制T梁表面氣泡呈現(xiàn)出密集位置主要是馬蹄、翼緣板倒角部位，馬蹄位置氣泡密集、大小不一且容易形成較大型氣泡，這類倒角位置氣泡主要是由于混凝土在施工澆筑過程中振搗時，靠近模板側面氣泡上浮遷移至倒角位置聚集，由于漿體和骨料結構級配不合理致使混凝土振搗過程中無法讓氣泡順利上浮至梁體表面，在模板拆除后形成密集、大小不一的圓形、橢圓形狀。因此，T梁氣泡的形成主要是因混凝土配合比、原材料質量、施工工藝引起的，下面主要從這幾方面分析和研究氣泡產生的原因。

1.1 砂石材料選用及分析

砂石料是T梁混凝土的重要組成部分，集料包括粗集料和細集料，粗集料主要起到混凝土的支撐作用，細集料主要作用是填充粗集料的空隙。經過對周邊料場的考察，綜合經濟性和質量，預制T梁細集料采用機制砂、粗集料采用5～10 mm和10～20 mm兩種碎石級配合成的碎石[3]。通過對實際生產的機制砂和碎石進行檢測，所用機制砂細度模數(shù)為3.2，屬于粗砂。實際生產的機制砂級配曲線如圖2所示，根據(jù)施工配合比的摻配比例合成的碎石級配曲線如圖3所示。

根據(jù)機制砂細度模數(shù)檢測結果及圖2和圖3可知，機制砂偏粗且級配不良，1.18 mm及2.36 mm篩孔尺寸的累計篩余率超出上限。碎石級配不良，摻配比例不合理，9.5 mm和19 mm篩孔尺寸的累計篩余量超出上限。機制砂顆粒級配不良，不能有效地填充粗集料之間的空隙，導致混凝土的流動性下降，導致氣泡堆積不能有效排出，碎石級配不良同樣會影響混凝土的和易性，導致混凝土不密實，形成自由空隙，為氣泡的產生提供條件。

1.2 外加劑選用及分析

預制T梁混凝土采用的外加劑為四川恒澤建材有限公司生產的聚羧酸高性能減水劑，減水劑的主要組分包括母液、引氣劑、保坍、消泡劑等，其中引氣劑和消泡劑對混凝土氣泡的產生有很大的影響。聚羧酸減水劑本身含氣量較高，大部分是有害氣體，而且混凝土在攪拌和施工過程中會伴隨大量氣泡的產生。消泡劑的引入能快速降低聚羧酸減水劑的含氣量，也能快速破除混凝土攪拌過程中產生的氣泡。因此，選用合適的消泡和引氣的外加劑品種，能有效減少大氣泡，使氣泡穩(wěn)定，改善混凝土的外觀質量。在實際生產過程中，要根據(jù)施工條件、使用環(huán)境、施工工藝等選用合適的外加劑。選用合適的外加劑后，在使用過程中，隨著環(huán)境溫度的變化，減水劑中的消泡和引氣等成分也應適當調整。隨著環(huán)境溫度的升高，外加劑保坍效果下降，保坍成分也要相應調整。

1.3 配合比選用及分析

混凝土配合比設計也是混凝土產生氣泡的原因之一，如果混凝土配合比設計不合理，會導致混凝土中產生大量氣泡，配合比設計就是確定水泥、水、砂石及外加劑的比例關系，水膠比、單位用水量和砂率是混凝土配合比設計的三個基本參數(shù)[4]?；炷僚浜媳仍O計應滿足混凝土強度、工作性、耐久性和經濟性。在選定好原材料后，根據(jù)設計文件及規(guī)范要求，進行混凝土的試配，T梁混凝土理論配合比如表2所示，設計坍落度為160±20 mm，聚羧酸高性能減水劑摻量為1.2%。

1.4 施工工藝選用及分析

混凝土T形預制梁，采用集中預制廠預制，底模采用臺座+不銹鋼安裝配置，側模采用定型鋼模板，混凝土澆筑前涂刷脫模劑，側模上固定附著式振搗器，布置高度從梁底往上50 cm處，腹板及翼緣板采用直徑50 mm的插入式振搗棒進行振搗。梁體混凝土澆筑時，采用龍門吊+料斗配合進行澆筑，澆筑時分三層次進行，梁體底板至馬蹄倒角往上10 cm、腹板至翼緣板倒角處、翼緣板到梁頂面，澆筑時附著式振搗器與震動棒交替進行，插入式振搗棒振搗時，混凝土澆筑厚度控制在50 cm以內。

由于施工工藝導致T形梁產生氣泡，主要原因：一是脫模劑采用了油性脫模劑，鋼模涂刷脫模劑后，不能形成一層黏稠的薄膜緊貼在模板表面，油性脫模劑對混凝土振搗時產生的氣泡具有一定吸附作用，導致氣泡無法在振搗過程中移浮至梁頂面排出；二是混凝土澆筑時振搗高度和時間未掌握好，分層澆筑厚度過大，附著式振搗器安裝在同一水平線，振搗范圍有限、震動功率偏小，插入式振搗棒振搗時，分層高度過大、工人振搗時間過長或者過短，混凝土內部的氣泡就越不容易排出。振搗時間過長，會使得混凝土內部的微小氣泡在機械作用下出現(xiàn)嚴重的破滅重組，使得混凝土出現(xiàn)不密實而導致自然孔洞的形成，或是產生出不規(guī)則的較大氣泡。振搗時間過短，大小氣泡都不能及時拋出，集聚在模板側形成氣泡群。

2 預制T梁氣泡原因分析、解決方法以及結果分析

2.1 砂石材料原因及解決辦法

針對細集料細度模數(shù)大和顆粒級配不良對混凝土氣泡的影響，調整了機制砂加工場的篩孔尺寸，增加了1.18 mm以下的顆粒，使機制砂的細度模數(shù)在2.6～2.9之間，同時調整了碎石加工場的篩孔尺寸，并調整了5～10 mm和10～20 mm碎石的摻配比例。

調整后的機制砂細度模數(shù)為2.8，屬于中砂，通過圖3和圖4的級配曲線可知，調整后砂子級配更加合理，實際顆粒級配曲線在Ⅱ區(qū)范圍，調整后的碎石級配良好，其各個粒徑的累計篩余均滿足規(guī)范中5～20 mm碎石級配要求。

2.2 外加劑原因及解決辦法

為了控制混凝土外觀質量，調整外加劑中消泡、引氣及其他組分的比例，消除混凝土中多余氣泡，降低含氣量。原外加劑中消泡組分的摻量為0.05%，調整后外加劑中的消泡組分為0.07%，外加劑調整后的混凝土工作性能對比如表3所示。

通過表3可知，適量的增加外加劑中消泡組分的摻量，混凝土中的氣泡能有效減少，含氣量明顯下降，同時改善了混凝土流動性、保水性、黏聚性，降低了混凝土坍落度損失，更加有利于混凝土的澆筑施工和混凝土氣泡的排出，提高了預制T梁表面光澤度，氣泡明顯減少。

2.3 配合比原因及解決辦法

根據(jù)砂石材料和外加劑的調整，同時進行了混凝土配合比的優(yōu)化，在保證混凝土強度及工作性能的前提下，適當減少膠凝材料用量，增大水膠比，有利于減少氣泡。配合比優(yōu)化前后的混凝土工作性能對比如表4所示。

通過表4可知，配合比調整后，混凝土坍落度由190 mm增大到200 mm，混凝土擴展度由480 mm增大到520 mm，含氣量由3.4降低到2.1。由此說明配合比優(yōu)化后有效降低了混凝土的黏度，增大了混凝土流動性能，減少了混凝土內部摩擦阻力，有利于氣泡的上浮和排出。

2.4 施工工藝原因及解決辦法

（1）選用合理的脫模劑。根據(jù)原因分析，脫模劑不應該選取油性脫模劑。在高速公路橋梁混凝土工程中，通常選用一種高端模板漆作為脫模劑。這種模板漆涂刷于模板表面后具有良好的脫模性能且附著力強、硬度高、韌性和耐堿耐磨性能好，同時還能解決鋼模板存放易生銹、混凝土表面有氣泡、混凝土表面易污染、脫模清模困難等難題。因此，將油性脫模劑更改為模板漆，減少混凝土產生氣泡數(shù)量，保證預制T梁外觀質量。

（2）預制T梁混凝土振搗方法和附著式振搗位置改進。在混凝土澆筑過程中，進行振搗時，應該進行分層布料，分層振搗。混凝土的澆注應該按照一定的順序、厚度和方向分層澆筑，從梁的一端逐層循序進展至另一端向相反方向投料，分層下料、振搗，每層厚度控制在30～40 cm，否則氣泡不容易從混凝土內部向上排除。附著式振搗器安裝時采取梅花形布置，振搗頻率采用150 Hz，振搗時間控制在8～12 s。

將直徑50 mm插入式振搗棒更換為直徑70 mm振搗棒，根據(jù)這個有效振搗范圍，督促工人在振搗過程中嚴格按照分層、步距進行振搗，做到“快插慢拔”，注意把握振搗時間，看混凝土表面密實且無大量氣泡產生時停止振搗，現(xiàn)場時間宜控制在16～22 s。T梁端部由于預應力錨具及加密鋼筋較密，建議打開附著式振搗器時，采用直徑30 mm的插入式振動棒加固振搗，保證混凝土密實，腹板及翼緣板澆筑嚴格按照以上層厚和振搗方式，先澆筑完成馬蹄，分層澆筑腹板、頂板，振搗時間以混凝土表面不出現(xiàn)氣泡為宜，嚴格控制保證混凝土氣泡能排出。

2.5 分析結果

通過砂石材料、外加劑、配合比以及施工工藝等原因分析，措施調整改善，預制T梁馬蹄、腹板以及翼緣板倒角位置氣泡有了明顯改善，九綿高速公路混凝土工程榮獲局優(yōu)質工程獎。根據(jù)調整后的方法措施生產出10#～18#梁氣泡統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如表5所示。

由表5可以得出直徑＜1 mm氣泡數(shù)量減少了80.17%，直徑1～5 mm氣泡數(shù)量減少了87.2%，直徑＞5 mm氣泡數(shù)量減少了97.95%，最大直徑的氣泡由改進前12 mm降至5 mm，最大深度由改進前6 mm降至3 mm，預制T梁強度及外觀質量都得到了質的提高，改進效果突出。

3 結束語

機制砂預制T梁過程中，氣泡產生原因分析和研究表明，混凝土T梁表面氣泡形成是受到多方面原因影響造成的，其中，砂石料級配能優(yōu)化、改善混凝土流動性，有利于氣泡排出，外加劑中引氣劑和消泡劑的成分對于氣泡尺寸有較大影響，混凝土配合比中膠凝材料用量對混凝土的黏度影響能直接影響氣泡轉移的阻力，施工工藝中振搗及振搗方法也會造成氣泡不能有效排出。

參考文獻

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[2]林云雁， 周小冬. 混凝土構件表面產生氣泡原因及防治措施[J]. 大眾科技， 2009（8）： 68+44.

[3]李云， 黑金龍， 吳東林， 等. T梁混凝土氣泡產生原因與防治措施研究[J]. 山西建筑， 2021（20）： 131-133.

[4]尹小鴿， 龔洪亮， 趙楚. 影響混凝土外觀質量的因素及改善措施[J]. 四川水利， 2019（4）： 26-29+32.