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混凝土简析
摘要：
在土建工程中，混凝土是用途最广、用量最大的建筑材料之一。近百年来，混凝土强度不断的提高成为它主要的发展趋势。发达国家越来越多的使用50MPa以上的高强混凝土。有些远见卓识的专家考虑到某些工程的需要，在提出高强度的同时，也提出耐久性和施工和易性的要求，尤其是近5年，在很多重要工程中都成功地采用高性能混凝土。
关键词：混凝土 耐久性 强度
高性能混凝土具有丰富的技术内容，尽管同业对高性能混凝土有不同的定义和解释，但彼此均认为高性能混凝土的基本特征是按耐久性进行设计，保证拌和物易于浇筑和密实成型，不发生或尽量少发生由温度和收缩产生的裂缝，硬化后有足够的强度，内部孔隙结构合理而有低渗透性和高抗化学侵蚀。
一、基于上述特点，高性能混凝土成为我国近期混凝土技术的主要发展方向。
高性能混凝土的核心是保证耐久性。耐久性对工程量浩大的混凝土工程来说意义非常重要，若耐久性不足，将会产生极严重的后果，甚至对未来社会造成极为沉重的负担。据美国一项调查显示，美国的混凝土基础设施工程总价值约为6万亿美元，每年所需维修费或重建费约为3千亿美元。美国50万座公路桥梁中20万座已有损坏，平均每年有150-200座桥梁部分或完全坍塌，寿命不足20年；美国共建有混凝土水坝3000座，平均寿命30年，其中32%的水坝年久失修；而对二战前后兴建的混凝土工程，在使用30-50年后进行加固维修所投入的费用，约占建设总投资的40%-50%以上。回看中国，我国50年代所建设的混凝土工程已使用40余年。如果平均寿命按30-50年计，那么在今后的10-30年间，为了维修这些建国以来所建的基础设施，耗资必将是极其巨大的。而我国目前的基础设施建设工程规模宏大，每年高达2万亿人民币以上。照此来看，约30-50-年后，这些工程也将进入维修期，所需的维修费用和重建费用将更为巨大。因此，高性能混凝土更要从提高混凝土耐久性入手，以降低巨额的维修和重建费用。
一般混凝土工程的使用年限约为50-100年，不少工程在使用10-20年后，有的甚至使用9年以后，即需要维修。用普通水泥混凝土所完成的工程不能满足耐久性要求的根本原因，在于混凝土本身的内部结构。
二、影响混凝土耐久性的主要因素大致可以分为以下几点：
（一）、在混凝土工程中为了满足混凝土施工工作性要求，即用水量大、水灰比高，因而导致混凝土的孔隙率很高，约占水泥石总体积的25%-40%，特别是其中毛细孔占相当大部分，毛细孔是水分、各种侵蚀介质、氧气、二氧化碳及其它有害物质进入混凝土内部的通道，引起混凝土耐久性的不足。
（二）水泥石中的水化物稳定性不足也会对耐久性产生影响。例如，波特兰水泥水化后的主要化合物是碱度较高的高碱性水化矽酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙。此外，在水化物中还有数量很大的游离石灰，它的强度极低、稳定性极差，在侵蚀条件下，是首先遭到侵蚀的部分。要大幅度提高混凝土的耐久性，就必须减少或消除这些稳定性低的组分，特别是游离石灰。
（三）、根据对影响混凝土耐久性的主要因素的分析，就可以找出提高混凝土耐久性的主要技术途径。如上分析，要提高混凝土的耐久性，必须降低混凝土的孔隙率，特别是毛细管孔隙率，最主要的方法是降低混凝土的拌和用水量。但如果纯粹的降低用水量，混凝土的工作性将随之降低，又会导致捣实成型共所困难，同样造成混凝土结构不致密，甚至出现蜂窝等宏观缺陷，不但混凝土强度降低，而且混凝土的耐久性也同时降低。目前提高混凝土耐久性基本有以下几种方法：
三、 掺入高效减水剂：
（一）、在保证混凝土拌和物所需流动性的同时，尽可能降低用水量，减少水灰比，使混凝土的总孔隙，特别是毛细管孔隙率大幅度降低。水泥在加水搅拌后，会产生一种絮凝状结构。在这些絮凝状结构中，包裹着许多拌和水，从而降低了新拌混凝土的工作性。施工中为了保持混凝土拌和物所需的工作性，就必须在拌和时相应地增加用水量，这样就会促使水泥石结构中形成过多的孔隙。当加入减水剂的定向排列，使水泥质点表面均带有相同电荷。在电性斥力的作用下，不但使水泥体系处于相对稳定的悬浮状态，还在水泥颗粒表面形成一层溶剂化水膜，同时使水泥絮凝体内的游离水释放出来，因而达到减水的目的。许多研究表明，当水灰比降低到0.38以下时，消除毛细管孔隙的目标便可以实现，而掺入高效减水剂，完全可以将水灰比降低到0.38以下。
（二）、 掺入高效活性矿物掺料：普通水泥混凝土的水泥石中水化物稳定性的不足，是混凝土不能超耐久的另一主要因素。在普通混凝土中掺入活性矿物的目的，在于改善混凝土中水泥石的胶凝物质的组成。活性矿物掺料中含有大量活性Si02及活性Al203，它们能和波特兰水泥水化过程中产生的游离石灰及高碱性水化矽酸钙产生二次反映，生成强度更高、稳定性更优的低碱性水化矽酸钙，从而达到改善水化胶凝物质的组成，消除游离石灰的目的，使水泥石结构更为致密，并阻断可能形成的渗透路。此外，还能改善集料与水泥石的界面结构和界面区性能。这些重要的作用，对增进混凝土的耐久性及强度都有本质性的贡献。
（四） 消除混凝土自身的结构破坏因素：除了环境因素引起的混凝土结构破坏以外，混凝土本身的一些物理化学因素，也可能引起混凝土结构的严重破坏，致使混凝土失效。例如，混凝土的化学收缩和干缩过大引起的开裂，水化性过热过高引起的温度裂缝，硫酸铝的延迟生成，以及混凝土的碱骨料反映等。因此，要提高混凝土的耐久性，就必须减小或消除这些结构破坏因素。限制或消除从原材料引入的碱、S03、C1- 等可以引起破坏结构和侵蚀钢筋物质的含量，加强施工控制环节，避免收缩及温度裂缝产生，以提高混凝土的耐久性。
四、 保证混凝土的强度：
尽管强度与耐久性是不同概念，但又密切相关，它们之间的本质联系是基于混凝土的内部结构，都与水灰比这个因素直接相关。在混凝土能充分密实条件下，随着水灰比的降低，混凝土的孔隙率降低，混凝土的强度不断提高。与此同时，随着孔隙率降低，混凝土的抗渗性提高，因而各种耐久性指标也随之提高。在现在的高性能混凝土中，除掺入高效减水剂外，还掺入了活性矿物材料，它们不但增加了混凝土的致密性，而且也降低或消除了游离氧化钙的含量。在大幅度提高混凝土强度的同时，也大幅度地提高了混凝土的耐久性。此外，在排除内部破坏因素的条件下，随着混凝土强度的提高，其抵抗环境侵蚀破坏的能力也越强。高性能混凝土在配制上的特点是低水灰比，选用优质原材料，除水泥、水和骨料外，必须掺加足够数量的矿物集料和高效减水剂，减少水泥用量，减少混凝土内部孔隙率，减少体积收缩，提高强度，提高耐久性。
五、混凝土工程中的耐久性问题
强度和耐久性是混凝土结构的两个重要指标,因以往工程中习惯上只重视混凝土的强度,或片面追求高强度而忽视混凝土的耐久性.混凝土的耐久性是使用期内结构保证正常功能的能力,关系结构物的使用寿命,随着结构物老化和环境污染的加重,混凝土耐久性问题已引起了各主管部门和广大设计,施工部门的重视.
曾有调查表明,国内大多数工业建筑在使用25-30年后即需大修,处于严酷环境下的建筑物的使用寿命仅15-20年,桥梁,港口等基础设施工程尤其严重.许多工程建成后几年就出现钢筋锈蚀,混凝土开裂.有专家指出,我国大干基础设施工程建设的高潮还需延续,而由于忽视耐久性问题,迎接我们的还会有大修的高潮,其耗费将倍增于工程建设时的投资.而其原因却往往是由于混凝土耐久性不足引起的.
六、混凝土结构耐久性问题的分析
混凝土耐久性问题,是指结构在所使用的环境下,由于内部原因或外部原因引起结构的长期演变,最终使混凝土丧失使用能力.即所为的耐久性失效,耐久性失效的原因很多,有抗冻失效,碱-集料反应失效,化学腐蚀失效,钢筋锈蚀造成结构破坏等.下面作具体分析.
七、混凝土的冻融破坏
当结构处于冰点以下环境时,部分混凝土内孔隙中的水将结冰,产生体积膨胀,过冷的水发生迁移,形成各种压力,当压力达到一定程度时,导致混凝土的破坏.混凝土发生冻融破坏的最显著的特征是表面剥落,严重时可以露出石子.
混凝土的抗冻性能与混凝土内部的孔结构和气泡含量多少密切相关.孔越少越小,破坏作用越小,封闭气泡越多,抗冻性越好.
影响混凝土抗冻性的因素,除了孔结构和含气量外,还包括:混凝土的饱和度,水灰比,混凝土的龄期,集料的孔隙率及其间的含水率等.。
八、混凝土的拌制
尽量采用二次搅拌法,裹砂法,裹砂石法等工艺,提高混凝土拌合料的和易性,保水性,提高混凝土强度,减少用水量;大体积混凝土的浇筑振捣应控制混凝土的温度裂缝,收缩裂缝,施工裂缝,建立混凝土的浇筑振捣制度,提高混凝土密实度和抗渗性,重视混凝土振捣后的表面工序,并加强养护,以减少混凝土裂缝.混凝土的施工过程对控制构件外观裂缝,施工裂缝至关重要,应加强施工质量管理,特殊季节施工的混凝土结构,尚应采取特殊措施.
九、 结构的日常维护
结构在使用阶段,应注意检测,维护和修理,对处于露天和恶劣环境下的基础设施工程更应如此,,建立检测和评估体系,及时发现,及时修理,确保混凝土结构的正常使用。
参考文献：1、《混凝土结构的耐久性设计方法》 陈肇元 编 《建筑技术》（m）
2、《建筑施工技术》
公路工程地质信息
(一)强夯法处理液化地基的施工管理
江苏北部(如徐州、宿迁等)地区广泛分布废黄河泛滥沉积物，一般以亚砂土、亚粘土—细砂为主，埋层浅，地下水位高，天然地基承载力低，在地震作用下易产生液化现象。地基液化是引起构筑物破坏的主要形式，同时该地区又受到我省主要的地震危险带—郯庐地震带的影响，因此在该地区国道主干线京福、徐宿、连徐、宁宿徐、沂淮等高速公路建设中不可避免的遇到大面积液化地基处理问题。根据《公路工程抗震设计规范》(JTJ004—89)，对高速公路必须进行液化地基处理，这是减轻地震灾害的根本性措施。因此，如何控制和管理好处理液化地基的施工，做到既经济有效又安全可靠，对保证高速公路建成后的正常运营、减轻地震灾害具有重大现实意义。
1 液化地基的国内外研究概况
地基液化分析与处理一直是土动力学的主要研究课题之一。液化一词最早见于1920年Hazen.A的《动力冲填坝》用来说明卡拉弗拉斯冲填坝的毁坏。1936年Casagrande首先给出了砂土液化的判别方法——临界孔隙比法。上世纪50年代，各国学者对砂土液化进行了广泛研究，主要包括：砂土液化的机理，砂土液化的预估方法，砂土液化的地基处理等。
所谓液化是指由于孔隙水压增加及有效应力降低而引起粒状材料(砂土、粉土甚至包括砾石)由固态转变成液态的过程。影响液化的因素有：①颗粒级配，包括粘粒、粉粒含量，平均粒径d50；②透水性能；③相对密度；④结构；⑤饱和度；⑥动荷载，包括振幅、持时等。
我国《工业与民用建筑抗震设计规范》(TJ11—78)根据1971年以前8次大地震的数据，参考美国、日本的有关研究成果给出了以临界标准贯入击数为指标的砂土液化判别公式。现行规范《建筑抗震设计规范》(GBJ11—89)通过对海城、唐山地震的系统研究，结合国外大量资料，对原规范进行了修改，采用了两步评判原则，并对临界标贯击数公式进行了修改，使之更符合实际。在国标《岩土工程勘察规范》(GB50021—94)中，对此又进行了补充，给出了液化比贯入阻力临界值和液化剪切波速临界值公式，用来进行液化判别。在公路工程中，基本上沿用上术两步评判原则，采用了临界标贯击数判别方法，并根据公路工程中的研究成果，给出了临界标贯击数的计算公式。这些规范在我国工程界得到了广泛应用。
2 高等级公路可液化地基处理方案的确定。
液化地基处理恰当与否，关系到整个工程的质量、投资和进度。因此其重要性已越来越多地被人们所认识。对于高速公路这样大面积处理可液化土而言，强夯法和干振碎石桩法是首选的处理手段。当全液化地基路段较长，需处理面积大，公路沿线外缘较近范围内无村庄，无重要构造物时，强夯法是比较理想的地基处理方法。
强夯法处理地基是20世纪60年代末Menard技术公司首先创立的，该方法将80…400kN重锤从落距6—40m处自由落下，给地基以冲击和振动，从而提高地基土的强度并降低其压缩性。强夯法常用来加固碎石、砂土、粘性土、杂填土、湿隐性黄土等各类地基土。由于其具有设备简单、施工速度快、适用范围广、节约三材、经济可行、效果显著等优点，经过20多年来的应用与发展，强夯法处理地基受到各国工程界的重视，并得以迅速推广，取得了较大的经济效益和社会效益。
由于强夯处理的对象(即地基土)非常复杂，一般认为不可能建立对各类地基土均适合的具有普遍意义的理论，但对地基处理中经常遇到的几种类型土，还是有规律可循的。实践证明，用强夯法加固地基，一定要根据现场的地质条件和工程作用要求，正确选用强夯参数，一般通过试验来确定以下强夯参数：
(1)有效加固深度：有效加固深度既是选择地基处理方法的重要依据，又反映了处理效果。
(2)单击夯击能：单击夯击能等于锤重×落距。
(3)最佳夯击能：从理论上讲，在最佳夯击能作用下，地基土中出现的孔隙水压力达到土的自重压力，这样的夯击能称最佳夯击能。因此可根据孔隙水压力的叠加值来确定最佳夯击能。在砂性土中，孔隙水压力增长及消散过程仅为几分钟，因此孔隙水压力不能随夯击能增加而叠加，可根据最大孔隙水压力增量与夯击次数关系来确定最佳夯击能。
夯点的夯击次数，可按现场试夯得到的夯击次数和夯沉量关系曲线确定，应同时满足下列条件：(①夯坑周围地面不应发生过大隆起；②不因夯坑过深而发生起锤困难；③每击夯沉量不能过小，过小无加固作用。夯击次数也可参照夯坑周围土体隆起的情况予以确定，就是当夯坑的竖向压缩量最大，而周围土体的隆起最小时的夯击数。对于饱和细粒土，击数可根据孔隙水压力的增长和消散来决定，当被加固的土层将发生液化时的击数即为该遍击数，以后各遍击数也可按此确定。
(4)夯击遍数：夯击遍数应根据地基土的性质确定，地基土渗透系数低，含水量高，需分3—4遍夯击，反之可分两遍夯击，最后再以低能量“搭夯”一遍，其目的是将松动的表层土夯实。
(5)间歇时间：所谓间歇时间，是指相邻夯击两遍之间的时间间隔。Menard指出，一旦孔隙水压力消散，即可进行新的夯击作业。
(6)夯点布置和夯点间距：为了使夯后地基比较均匀，对于较大面积的强夯处理，夯击点一般可按等边三角形或正主形布置夯击点，这样布置比较规整，也便于强夯施工。由于基础的应力扩散作用，强夯处理范围应大于基础范围，其具体放大范围，可根据构筑物类型和重要性等因素考虑确定。
夯点间距可根据所要求加固的地基土性质和要求处理深度而定。当土质差、软土层厚时应适当增大夯点间距，当软土层较薄而又有砂类土夹层或土夹石填土等时，可适当减少夯距。夯距太小，相邻夯点的加固效应将在浅处叠加而形成硬层，影响夯击能向深部传递。
3 强夯法处理液化地基的质量控制与管理
3.1 施工单位选择
对参与施工的强夯施工单位，各施工标段中标单位要先审查其施工资质、信誉和业绩，并附有前业主对该单位的书面评价报告；任何单位不得将强夯分包给个人施工。各中标单位将经初步筛选合格的施工队伍形成书面推荐报告，经驻地监理审核后，上报主管部门，经批准后方可进场。进场后不得再分包或转包，否则，驻地监理工程师将责令分包单位立即退场，损失自负。
3.2 施工准备
编写施工组织设计，经驻地监理组审查，监理组提出书面审查意见，报总监代表审批同意方可施工。
3.3 施工管理
(1)施工单位要按设计图要求编制夯点编号图，编号图要清晰、规范、科学。
(2)施工单位必须制定严格的安全管理措施，现场操作人员必须戴安全帽，并对施工机械定期作安全检查。在强夯区四周要设置醒目的危险警告标志和安全管理措施，不允许行人和非施工车辆进入强夯区，以确保操作员、过往行人和车辆的安全。
(3)施工单位要对强夯机械进行编号，每台强夯机械必须持有监理组发放的《施工许可证》方可进行强夯施工。
(4)施工单位除在强夯机械上挂《施工许可证》外，还必须挂有《机械操作主要人员》和《施工技术参数》两块醒目的牌子，进行机械操作的主要人员必须挂牌上岗。
(5)施工单位要制定施工要点供现场人员执行。
(6)铺设垫层前要对原地面进行清表并整平，且要按每20米一个断面，每个断面5个规定测点，测量清表后标高。
(7)用水准仪测量垫层铺设前、后的对应测点标高，初步确定垫层厚度，每20米一个断面，每个断面5个规定测点，再按每断面挖1处深坑，进一步确定垫层厚度(控坑必须在测点位置上)。
(8)垫层宽度按每20米一处用钢尺丈量。
(9)按设计要求进行夯点布置，夯点定位布置用钢尺按100%的频率丈量。
(10)夯锤必须过磅称重。夯击能在强夯施工前必须检测，并满足设计要求。每夯击100次，用钢尺量一次夯锤落距。
(11)施工单位必须及时排出夯坑内积水。
(12)主、副、满夯的间隙时间要根据现场情况作必要的调整，但间隙时间必须满足72小时。需要调整间隙时间由现场监理工程师确定。
(13)遇到不需拆迁的高压电线时，施工单位必须安排集中施工的方案，市高指向供电部门申请临时停电。
(14)施工人员要认真做好强夯施工记录，记录要求清楚、真实。
(15)施工人员必须注意观察已处理路段，发现异常情况及时报告驻地监理组和有关部门。
(16)在强夯区内的构造物必须在强夯完成后，才能进行构造物的下部施工。
4 用强夯法处理砂土液化地基的质量检验评定
4.1 基本要求
碎石垫层的碎石规格和质量必须符合设计要求。强夯施工必须按夯击点确定的技术参数进行。以各个夯击点的夯击数作为施工控制数值。
4.2 实测项目表
表1 强夯法处理砂土液化地基实测项目表
项次
检查
项目规定值
或允许偏差
检查方法和频率
规定分
1
夯击能
不小于设计
1次/工点查施工记录
15
2
夯击次数
符合设计
查施工记录
15
3
垫层厚度
不小于设计
4处/200m
15
4
垫层宽度
不小于设计
4处/200m
15
5
标贯击数
符合设计
2处/工点
20
6
瑞利波
≥200m/s
1处/工点
20
注：(1)标准贯入试验，按需3点/5000�且不少于3点进行。孔位随机
布置。特殊地段适当加密。
(2)瑞利波法(SSW)按1点/40m，在中心线两侧各15m处交叉布点。
4.3 外观鉴定
(1)填筑碎石垫层前必须清表、整平，无明显凸凹点，整平不符合要求扣2分。
(2)夯坑内积水应及时排除，不符合要求扣2分。
(3)夯后场地应平整，无局部隆起，不符合要求扣2分。
4.4 分项工程质量等级评定
(1)分项工程评分在85分及以上者为优良；70~85分者为合格；70分以下者为不合格。
(2)若标贯击数、瑞利波不合格时，则该分项工程不合格，可进行加固处理，再重新评定其质量等级。
5 结语
在京福、徐宿、宁宿徐等高速公路液化地基强夯加固的施工实践中，由于建设、监理及施工单位的高度重视，严格按有关质量要求和“施工指导意见”进行控制，尤其对强夯参数的确定都是经反复试验论证后，选择合适的参数指导施工，使强夯法处理液化地基段达到了设计要求，从已建成的高速公路处理路段的工后路基沉降观测看，处理段液化地基强夯加固达到了预期目的。
