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对现龄普通混凝土强度偏低现象的研究

发表时间：2020/9/23 来源：《基层建设》2020年第17期作者：刘金闯

[导读] 摘要：现龄普通混凝土强度偏低现象是混凝土工程施工中常见和突出问题，特别体现在混凝土早期强度，本文结合北京市某保障性住房工程的实际情况进行了分析研究，研究表明影响现龄普通混凝土强度偏低现象的主要因素有：原材料、配合比、施工过程控制、后期养护条件和龄期等。

        北京中科九千建筑工程质量检测有限公司北京市 100000
        摘要：现龄普通混凝土强度偏低现象是混凝土工程施工中常见和突出问题，特别体现在混凝土早期强度，本文结合北京市某保障性住房工程的实际情况进行了分析研究，研究表明影响现龄普通混凝土强度偏低现象的主要因素有：原材料、配合比、施工过程控制、后期养护条件和龄期等。在对其进行系列理论分析的基础上，对实际工程中影响普通混凝土强度多个材料和配合比因素（水泥、掺合料等）及现场养护情况进行了研究。研究表明混凝土配合比中矿物掺合料的掺量和现场养护时温湿度的控制对现龄普通混凝土强度有较大影响。目前有些混凝土生产厂家为控制成本提高了混凝土配合比中矿物掺合料的掺量，从而降低水泥用量，使得混凝土的早期强度偏低；施工单位对混凝土现场养护时温湿度的控制不到位，使得混凝土的水化热反应不充分，从而也会影响混凝土的早期强度。上述研究基础上对混凝土原材料、配合比、温湿度控制、浇筑养护工艺等进行了系统性的分析，可有效解决现龄普通混凝土强度偏低现象。
        关键词：现龄混凝土；配合比；强度偏低；施工控制
        目前国内因混凝土强度不合格造成建构筑物坍塌和拆除事件屡见不鲜，2010年7月底，位于大兴区旧宫三角地的明悦湾住宅项目，被检查的部分楼栋混凝土存在质量问题，被责令停工整改，该保障房部分在建工程，因混凝土强度未达到设计要求，经检测和专家论证，市、区两级建设行政主管部门决定拆除B、C区6栋楼地上结构部分，另外2栋楼进行局部加固；2016年11月24日江西省宜春市丰城电厂三期在建项目冷却塔施工平台倒塌事故，被称为11•24丰城电厂施工平台倒塌事故。事发当日，在7号冷却塔第50节筒壁混凝土强度不足的情况下，违规拆除模板，致使筒壁混凝土失去模板支护，不足以承受上部荷载，造成第50节及以上筒壁混凝土和模架体系连续倾塌坠落。
        还有很多事件一次次用惨痛的代价提醒着建筑人，如何控制好现龄混凝土的早期强度成为了近年来人们重点关注的话题。本文中从几个方面分析现龄普通混凝土强度偏低现象如何造成的，并对如何弥补和避免现龄普通混凝土强度偏低现象进行了分析研究。
        一混凝土强度的基本原理
        混凝土的强度指标有立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗拉强度等。混凝土的抗压强度最大，抗拉强度最小，因此在建筑工程中主要是利用混凝土来承受压力作用。混凝土的抗压强度是混凝土结构设计的主要参数，也是混凝土质量评定的重要指标。工程中提到的混凝土强度一般指的是混凝土的抗压强度，本文提到的现龄普通混凝土强度也是指的是混凝土的抗压强度。
        二影响混凝土强度的主要因素

        普通混凝土是由水泥、砂子、石子和水按适当比例配合，拌制成拌合物，经一定时间硬化而成的人造石材。在混凝土中，砂子、石子统称为骨料，主要起骨架作用，一般不参与水泥与水的化学反应。水泥与水形成水泥浆，水泥浆包裹在骨料表面并填充其空隙。在混凝土混凝土硬化前，水泥浆主要起润滑作用，赋予混凝土拌合物一定的流动性，以便于施工；水泥浆硬化后主要起胶结作用，将砂、石骨料胶结成为一个坚实的整体，并使混凝土具有一定的强度（见右图）。
        混凝土受压破坏可能有三种形式：骨料与水泥石界面的黏结破坏、水泥石本身的破坏和骨料发生破坏。试验证明，混凝土的受压破坏形式通常是前两种，这是因为骨料强度一般都大大超过水泥石强度和黏结面的黏结强度。所以混凝土强度主要取决于水泥石强度和水泥石与骨料表面的黏结强度。而水泥石强度、水泥石与骨料表面的黏结强度又与水泥标号、水灰比、骨料性质等有密切关系，此外还受施工工艺、养护条件、龄期等多种因素的影响。影响混凝土强度的因素主要有以下几种：
        1.水泥强度等级和水灰比
        水泥强度等级和水灰比是影响混凝土强度最重要的因素。在混凝土配合比相同的条件下所用的水泥强度等级越高，制成的混凝土强度等级也越高；在水泥强度等级相同的情况下，水灰比越小，混凝土强度越高。但是，如果水灰比太小，拌合物过于干硬，无法保证施工质量，将使混凝土中出现较多的蜂窝、孔洞，显著降低混凝土的强度和耐久性。试验证明，混凝土的强度在一定范围内，随水灰比的增大而降低，呈曲线关系，而混凝土强度与灰水比的关系，呈直线关系（见下图）。

        瑞士学者保罗米，通过大量试验研究，应用数理统计的方法，提出了混凝土强度与水泥强度等级及水灰比之间的关系式，即混凝土强度公式。

        利用上述的强度公式可解决以下两个问题：一是当所采用的水泥强度等级已定，欲配制某种强度的混凝土时，可以估算应采用的水灰比值；二是当已知所采用的水泥强度等级和水灰比时，可以估计混凝土28天可能达到的立方体抗压强度。
        2.养护的温度与湿度
        混凝土强度的增长过程，是水泥的水化和凝结硬化的过程，必须在一定的温度和湿度条件下进行。混凝土如果在干燥环境中养护，混凝土会失水干燥而影响水泥的正常水化，甚至停止水化。这不仅严重降低混凝土的强度，而且会引起干缩裂缝和结构疏松，从而影响耐久性。而在湿度较大的环境中养护混凝土，则会使混凝土的强度提高。
        在保证足够湿度的情况下，养护温度不同，对混凝土强度影响也不同。温度升高，水泥水化速度加快，混凝土强度增长也加快；温度降低，水泥水化作用延缓，混凝土强度增长也较慢。当温度降至0℃以下时，混凝土中的水分大部分结冰，不仅强度停止发展，而且混凝土内部还可能因结冰膨胀而破坏，使混凝土的强度大大降低。
        为了保证混凝土的强度持续增长，必须在混凝土成型后一定时间内，维持周围环境有一定的温度和湿度。冬天施工，尤其要注意采取保温措施；夏天施工的混凝土，要经常洒水保持混凝土试件潮湿。
        3.养护时间（龄期）
        混凝土在正常养护条件下，强度将随龄期的增长而提高。混凝土的强度在最初的3～7d内增长较快，28d后逐渐变慢，只要保持适当的温度和湿度，其强度会一直有所增长。一般以混凝土28d的强度作为设计强度值。
        4.骨料的种类、质量、表面状况
        当骨料中含有杂质较多，或骨料材质低劣、强度较低时，会降低混凝土的强度。表面粗糙并富有棱角的骨料，与水泥石的黏结力较强，可提高混凝土的强度。所以在相同混凝土配合比的条件下，用碎石拌制的混凝土强度比用卵石拌制的混凝土强度高。
        5.试验条件
        试验条件，如试件尺寸、试件承压面的平整度及加荷速率等，都对测定混凝土的强度有影响。试件尺寸越小，测得的强度越高；尺寸越大，测得的强度越低。试件承压面越光滑平整，测得的抗压强度越高；如果受压面不平整，会形成局部受压使测得的强度降低。因此，在测定混凝土的强度时，必须严格按照国家规范规定的试验规程进行，以确保试验结果的准确性。
        北京地区混凝土试块尺寸一般规定为（100×100×100）mm的立方体，并要求检验检测机构在试验过程中全程录像，进一步确保其试验结果的准确性。
        三工程实践
        1.工程概况
        北京市某保障性住房工程总建筑面积15余万平米，该工程涉及保障性住宅、公共建筑和地下车库于一体的多功能综合性工程，该工程地下部分有大体积混凝土和普通混凝土，涉及混凝土强度等级：C30、C35、C40等。因该工程某栋楼基础底板连续5组标准养护28天的混凝土试块出现不合格情况，建设单位组织监理单位、施工单位、混凝土供应商和检验检测机构对该批混凝土不合格情况进行了全面分析。
        2.原材料分析：
        该批混凝土浇筑方量较大，设计强度等级为C35 P8，依据标准要求制作标准养护28天混凝土试块5组，结合检验检测机构出具的检测报告对该批次混凝土强度进行了数理统计（见下表）：

        混凝土试件破损后照片：

        第一组                                第二组

        第三组                                      第四组

        第五组
        根据混凝土试件破损后的照片判断该批混凝土受压破坏形式为：骨料与水泥石界面的黏结强度和水泥石本身的破坏，混凝土中无明显蜂窝、孔洞，骨料均匀分布，其中无明显杂质，对该批混凝土进行了现场随机性抽取混凝土芯样的方式，未发现振捣不密实和蜂窝、麻面现象。由此判断该批混凝土试件的制作和原材料符合要求。
        3.混凝土配合比
        该批次混凝土为普通混凝土，在分析该批次混凝土配合比通知单时发现，该批次混凝土的配合比与该工程的大体积混凝土配合比的水泥用量较为接近，掺合料用量较大（见下表）。

        众所周知，大体积混凝土结构断面较厚，表面系数相对较小，所以水泥发生的热量聚集在结构内部不易散失，为了降低其内部结构的水化热反应时间，采用双掺混凝土技术很好的控制了其内部温度，但是其混凝土强度增加较缓慢，养护龄期较长，标准要求养护龄期应为60天。近年来，混凝土建材行业内出现了大掺量和双掺混凝土，双掺混凝土是目前最受混凝土供应商推崇的做法，也是目前常见的混凝土配比，双掺混凝土大大降低了水泥的用量，同时又提高了混凝土在某方面的特性。
        如果普通混凝土双掺较大会造成混凝土早期强度上升较慢，严重时可能达不到该混凝土的设计强度，虽然节省了成本，但是未达到设计强度。
        4.施工过程控制
        查阅相关施工资料，施工单位对混凝土浇筑有严格的管理制度和施工流程（部分摘取）：
        1）质检员、试验员、混凝土供应商管理人员对第1车和取样车辆进行坍落度的测定，每班不少于3次，若发现不符合要求的，立即调整；
        2）施工中应在浇筑地点按规定进行混凝土取样、制作试块、养护，并按规定进行试验，保证试块的真实有效、有代表性；
        3）混凝土分层浇灌，振捣上层混凝土时需插入下层50mm，以保证接缝严密，振捣时要快插慢拔，振点平行移动，使混凝土均匀、密实，不得漏振、欠振。
        4）混凝土大面积振捣后，先用长刮尺按标高刮平，在初凝前再人工收平，消除混凝土干缩、沉缩和塑性收缩产生的表面裂缝，增加混凝土内部的密实度，然后再终凝前用磨光机磨平，这样既能较好的控制混凝土表面龟裂，又能减少混凝土表面水分散发。
        5.现场养护控制
        该工程基础底板施工正处初夏季节，环境温度较高，环境相对湿度较小，核查该工程现场养护情况不到位，未按上述要求进行养护作业，部分结构直接裸露暴晒，现场混凝土表面碳化严重，局部碳化深度高达3.5mm，部分构件经回弹法检测混凝土强度未达到设计强度。
        环境湿度对混凝土的强度有着很大影响，在混凝土养护期间每天浇水养护3～4次，采取浇水、喷淋洒水等措施，应重点加强混凝土的湿度和温度控制，尽量减少表面混凝土的暴露时间，及时对混凝土暴露面进行紧密覆盖，防止表面水分蒸发。这样能使混凝土充分得到水分进行水化热反应，从而提高混凝土强度。
        6.总结
        出现混凝土试块不合格后，施工单位及时加强混凝土的后期养护工作，苫盖裸露混凝土，经过一段时间的浇水养护，建设单位委托检验检测机构对该部位的混凝土钻取混凝土芯样检测，最终判断为合格，并要求施工单位加强现场的管理，对混凝土供应商提出要求，调整混凝土配合比，对该工程后期施工的混凝土强度加强早期控制。
        结论：在工程现场施工过程中，我们经常遇到现龄混凝土强度偏低现象，可以通过混凝土试块的抗压强度和现场回弹法检测混凝土强度来判断其强度等级，以便为后期的工程质量控制提供依据。当出现混凝土强度偏低时，应严控混凝土供应商的原材料和配合比，加强现场的施工过程的控制，加强现场的温湿度养护工作，以免造成更大的经济损失。
        参考文献：
        [1]现代混凝土材料理论与应用中国建筑业协会混凝土分会2012年3月第2版
        [2]建筑材料化学工业出版社2005年1月第1版