清水混凝土又稱裝飾混凝土，一次澆注成型，表面平整光滑、色澤均勻、棱角分明、無碰損和污染，只是在表面涂一層或兩層透明的保護劑，顯得十分天然，莊重。本篇建筑學術(shù)論文認為需要根據(jù)橋梁工程結(jié)構(gòu)特點，研究橋梁清水混凝土的設(shè)計方法與勻質(zhì)性控制技術(shù)，改善混凝土工作性能，保證構(gòu)件外觀質(zhì)量，提高結(jié)構(gòu)安全與耐久性，為工程應用提供技術(shù)支撐。

　　推薦期刊：《混凝土》創(chuàng)刊于1979年，《混凝土》雜志是國內(nèi)唯一公開發(fā)行的混凝土行業(yè)專業(yè)期刊，本刊為月刊，主編：戴顯明。《混凝土雜志》的內(nèi)容已涵蓋了國內(nèi)外混凝土行業(yè)的各個方面：一、政策信息、市場動態(tài)、發(fā)展現(xiàn)狀及前景預測;二、新材料、新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝三、生產(chǎn)管理、工程實踐、檢驗標準及性能測試、專利技術(shù)等。集指導性、信息性、技術(shù)性、實用性于一體，在混凝土行業(yè)中起到了宣傳政策、交流經(jīng)驗、傳播知識、溝通信息、為行業(yè)科學發(fā)展服務(wù)的作用。

　　根據(jù)橋梁工程結(jié)構(gòu)特點，提出了橋梁清水混凝土的配合比優(yōu)化設(shè)計方法，制備出粘聚性與包裹性好、流動度佳，且具有優(yōu)良力學性能的C30～C50高性能清水混凝土。通過對混凝土拌合物含氣量、硬化試件不同部位顯微硬度與微觀結(jié)構(gòu)的測試，分析了增粘劑對其勻質(zhì)性的影響規(guī)律。試驗表明：對于C30橋梁清水混凝土，摻5×10-5的纖維素醚或摻6%的硅灰時，混凝土的含氣量不超過2%，漿體旋轉(zhuǎn)粘度值在1 900～2 000 MPa·s之間，試件不同部位顯微硬度值接近，勻質(zhì)性好，結(jié)構(gòu)密實。

　　關(guān)鍵詞：清水混凝土;增粘劑;勻質(zhì)性;顯微硬度

　　清水混凝土分為普通、飾面和裝飾清水混凝土3類，其具有質(zhì)樸厚實、素面朝天的外觀特性，并省掉了抹灰和裝飾等工序，被行業(yè)內(nèi)稱為“綠色混凝土”[14]。清水混凝土已有一定的研究和發(fā)展，但多集中在建筑工程領(lǐng)域，且非常注重其表面平整光滑、棱角分明的藝術(shù)效果[28]。橋梁工程的服役環(huán)境、施工工藝等與建筑工程差異較大，一般采用普通清水混凝土，只要求表面平整光滑且無明顯色差、氣孔等，而對飾面裝飾效果沒有特殊要求，目前有關(guān)橋梁清水混凝土的設(shè)計制備與性能研究還較少，不利于其推廣應用[46]。橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造復雜、配筋率高、預應力鋼束密集，混凝土應具有很好的工作性能以滿足密實施工要求;另外，橋梁不同結(jié)構(gòu)部位的混凝土強度等級不同，但普通混凝土配合比設(shè)計方法缺乏針對性，設(shè)計的不同強度等級混凝土工作性能差異顯著，勻質(zhì)性較差，無法達到工程整體清水效果[4]。

　　周孝軍，等：橋梁清水混凝土設(shè)計方法與勻質(zhì)性控制

　　1原材料

　　PO.425水泥，主要化學成分如表1所示。天然河砂，細度模數(shù)25，含泥量18%，泥塊含量03%。石灰?guī)r質(zhì)碎石，粒徑5～25 mm連續(xù)級配，含泥量04%，針片狀含量17%。V630型清水混凝土專用聚羧酸減水劑。LH70MR非速溶型纖維素醚，分子量20萬。礦物摻合料：I級粉煤灰，細度≤12%(0045 mm方孔篩篩余)，需水量比926%;硅灰，比表面積2×104m2/kg，SiO2含量90%。拌合用水為自來水。

　　表1水泥化學組成(質(zhì)量分數(shù)，%)

　　Table 1Chemical composition of the cement(mass fraction， %)

　　SiO2Al2O3CaOFe2O3MgONa2OfCaOSO3Loss

　　2075591632142024300612115107

　　2配合比設(shè)計

　　21設(shè)計思路

　　應用于建筑工程領(lǐng)域的清水混凝土，為了實現(xiàn)低含氣量要求，坍落度控制較小，難以滿足橋梁工程混凝土密實施工要求。另外，不同強度等級混凝土的膠凝材料用量不同，采用普通混凝土配合比設(shè)計方法制備的混凝土工作性能差異大，勻質(zhì)性差，易出現(xiàn)色差、氣孔等缺陷，既影響構(gòu)件表觀質(zhì)量，又影響耐久性。

　　實現(xiàn)橋梁清水混凝土高工作性能、高耐久性的設(shè)計思路與技術(shù)途徑主要有：采用基于分子鏈組成結(jié)構(gòu)設(shè)計的專用聚羧酸系減水劑，提高混凝土工作性能，減少用水量，降低含氣量。摻優(yōu)質(zhì)礦物摻合料，改善混凝土工作性能，優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)，增加密實度，減小體積變形[910]。對于低強度等級混凝土(C40及以下)，提高礦物摻合料摻量，適當提高砂率;對于高強度等級的混凝土(C50及以上)，優(yōu)化減水劑摻量，適當降低水泥用量和砂率，結(jié)合增粘劑 [1116]，控制漿體粘度，減小集料相對移動，保持不同密度膠凝材料均勻分散，提高混凝土的勻質(zhì)性。

　　22配合比與物理力學性能

　　基于密實骨架堆積理論，根據(jù)提出的混凝土配合比設(shè)計思路，制備了C30～C50橋梁高性能清水混凝土，配合比與物理力學性能如表2所示。混凝土包裹性與流動性好，初始坍落度在200 mm以上、擴展度在500 mm以上，1 h后坍落度仍大于180 mm、擴展度大于420 mm，損失較小，工作性能與力學性能滿足設(shè)計要求。

　　表2混凝土配合比與物理力學性能

　　Table 2Concrete mix proportion and the physical mechanical properties

　　標號

　　配合比/(kg·m-3)

　　石子砂粉煤灰水泥水外加劑

　　坍落度/mm

　　0 h1 h

　　擴展度/mm

　　0 h1 h

　　抗壓強度/MPa

　　7 d28 d

　　C301 038785100280152418200185510425355412

　　C401 10173480340143546215200545460397556

　　C501 13569580400144768230215580505512672

　　3勻質(zhì)性測試分析與討論

　　以C30混凝土為基準，分別采用纖維素醚與硅灰作為增粘劑，通過對混凝土含氣量、漿體粘度，以及硬化試件3 d齡期時上、中、下不同部位顯微硬度的測試，探討增粘劑對混凝土勻質(zhì)性的影響規(guī)律，以實現(xiàn)對勻質(zhì)性的控制。

　　31測試方法

　　新拌混凝土含氣量采用LC615A型含氣量測定儀，按《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2002)進行測試。漿體粘度采用DVS型旋轉(zhuǎn)粘度計，按《粘度測試方法》(GB 10247—2008)進行測試。根據(jù)《金屬維氏硬度試驗方法》(GB/T 43401—2009)，采用HV1000Z顯微硬度計測試混凝土試件3 d顯微硬度值，如圖1、圖2所示。由于粉煤灰活性較低，如其上浮形成富集，則該區(qū)域膠凝材料水化相對較慢，整體強度低，表面顯微硬度均值較其它區(qū)域低。

　　圖1顯微硬度測試樣品

　　Fig.1Specimen of micro hardness test

　　32纖維素醚對勻質(zhì)性的影響

　　纖維素醚對混凝土性能的影響如表3所示。可

　　圖2顯微硬度測定

　　Fig.2Micro hardness measurement

　　見，隨纖維素醚摻量增加，漿體旋轉(zhuǎn)粘度值與混凝土含氣量隨之上升，流動性下降，硬化試件表面上、下部顯微硬度值之差逐漸減小(如圖3)。當其摻量達到5×10-5(占膠凝材料總量)時，混凝土含氣量為20%，粘度值為1 960 MPa·s，坍落度大于180 mm、擴展度大于500 mm，工作性能較好;試件表面上、下部顯微硬度值之差為1214HV，顯微硬度相當，勻質(zhì)性較好。而當摻量達到6×10-5時，含氣量與漿體粘度顯著增加，混凝土工作性能劣化明顯，已不能滿足橋梁施工要求。

　　圖3纖維素醚對試件顯微硬度的影響

　　Fig.3Influence of cellulose ether on micro hardness of the specimens

　　表3纖維素醚對混凝土勻質(zhì)性的影響

　　Table 3Influence of cellulose ether on concrete homogeneity

　　纖維素醚

　　摻量/(10-5)

　　含氣量/

　　%

　　粘度值/

　　(MPa·s)

　　坍落度/

　　mm

　　擴展度/

　　mm

　　顯微硬度平均值HV

　　上部下部上下部差值

　　0141 3201905509548171817633

　　2161 5202005509644149665322

　　3171 84020052512529158023273

　　4181 9201955801613918362220

　　5181 96019555018968201821214

　　6253 000445185

　　纖維素醚對水泥基材料的增粘效果來自于纖維素醚溶液的粘性[1213]。纖維素醚分子可以吸附和固化一部分拌合水后膨脹，使拌合水粘度增加。同時，其分子鏈之間相互纏繞，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也能增加溶液粘度。從而使得粉煤灰等移動阻力增加，增強了混凝土拌合物的抗分散能力，防止各組分之間分層、離析和泌水，提高混凝土勻質(zhì)性。但其摻量越高，粘度越大，排氣不暢而導致混凝土含氣量增加，且流動性下降，工作性能退化。當粘度過高后，混凝土流動度損失明顯，需增加用水量以滿足工作性能要求，從而降低混凝土密實度，并對強度造成一定的影響[14]，因此，需嚴格控制其摻量。

　　33硅灰對勻質(zhì)性的影響

　　表4為硅灰對混凝土勻質(zhì)性影響測試結(jié)果。研究表明，隨硅灰摻量提高，漿體旋轉(zhuǎn)粘度值隨之上升，混凝土的含氣量則下降，坍落度與擴展度下降明顯，硬化混凝土試件表面上、下顯微硬度值差也隨之降低(如圖4所示)。當硅灰摻量為6%時，混凝土的含氣量為15%，漿體旋轉(zhuǎn)粘度值為1 920 MPa·s，粘度適中，混凝土工作性能良好，試塊表面上、下部顯微硬度值相當接近，勻質(zhì)性好。而當摻量達到8%時，雖然試塊表面上、下部顯微硬度值基本一致，但混凝土已十分粘稠，流動性與施工性能很差。

　　圖4硅灰對試件顯微硬度的影響

　　Fig.4Influence of silica fume on micro hardness of the specimens

　　硅灰增強混凝土漿體粘度的關(guān)鍵在于其顆粒形態(tài)效應與分散作用[10]。硅灰的比表面積大，顆粒呈球形狀，平均粒徑細小，約比水泥顆粒粒徑小兩個數(shù)量級，比粉煤灰顆粒粒徑小一個數(shù)量級，其具有高度的分散性和較大的表面能。因此，硅灰可以充分的填充在水泥與粉煤灰顆粒之間，減少填充水量，降低孔隙率，同時也能堵塞漿體泌水通道，阻礙粉煤灰的移動，從而提高漿體硬化后的密實度與均勻性。硅灰的火山灰活性較強，可迅速與漿體中的水反應，形成較多的絮凝結(jié)構(gòu)，使?jié){體粘度，降低流動性，增加集料相對移動的阻力，保持混凝土各組分分布的均勻性。另外，由于硅灰顆粒比表面積大，雖然其摻加減少了填充水量，但同時也需要增加表層水的用量，因此在摻量過多的情況下，致使?jié){體密度變大，粘度過高，導致混凝土流動性下降明顯，工作性能劣化明顯。

　　34微觀結(jié)構(gòu)分析

　　分別對摻5×10-5纖維素醚和摻6%硅灰量的混凝土試件進行破碎，取其上、中、下3個不同部位的砂漿樣品進行了SEM觀測，結(jié)果如圖5、圖 6所示。可以看出，在兩類試件中集料與水化產(chǎn)物界面過渡區(qū)較飽滿，結(jié)構(gòu)密實，基本沒有微裂縫;上、中、下3個不同部位的粉煤灰分布較均勻，未出現(xiàn)粉煤灰上浮富集現(xiàn)象。可見，通過摻加適量增粘劑，控制漿體粘度，可保持混凝土良好的工作性能，且能有效避免粉煤灰上浮，提高混凝土的勻質(zhì)性。

　　表4硅灰對混凝土勻質(zhì)性的影響

　　Table 4Influence of silica fume on concrete homogeneity

　　硅灰摻量/%

　　含氣量/%

　　粘度值/

　　(MPa·s)

　　擴展度/

　　mm

　　坍落度/

　　mm

　　顯微硬度平均值HV

　　上部下部上下部差值

　　0141 3205501909536172077671

　　2221 12060020010626171016484

　　4211 52051020015459185863127

　　6151 9205101701762018185565

　　818300150208082086052

　　圖5摻纖維素醚試件SEM圖(×5 000)

　　Fig.5SEM test results of specimens mixed with cellulose ether(5 000 times)

　　圖6摻硅灰試件SEM圖(×5 000)

　　Fig.6SEM test results of specimens mixed with silica fume(5 000 times)

　　4工程應用

　　四川省遂廣高速公路橋梁工程的主梁、墩柱均采用清水混凝土設(shè)計方案，施工初期，混凝土設(shè)計制備時未進行勻質(zhì)性控制，墩柱(C30)在混凝土分層澆筑處出現(xiàn)了明顯的色差和分層，取混凝土拌合物靜置后發(fā)現(xiàn)表面有明顯深色漂浮物，如圖7、圖8所示。分析認為，混凝土中粉煤灰摻量高且為顏色偏深的二級灰，坍落度較大(>220 mm)，粘聚性差，勻質(zhì)性不良，導致振搗后粉煤灰上浮。

　　圖7不摻增粘劑混凝土

　　Fig.7Concrete mixture without viscositymodifying admixture

　　圖8不摻增粘劑墩柱

　　Fig.8Pier column pouring by concrete without viscositymodifying admixture

　　根據(jù)項目研究成果，采用密實骨架堆積法對集料組成進行設(shè)計，適當調(diào)整砂率，采用專用外加劑，摻加2×10-5～3×10-5纖維素醚(對已進場的外加劑，復摻5×10-5纖維素醚)，提高混凝土拌合物粘度，增強粘聚性與粘結(jié)力。并適當延長混凝土拌合物的攪拌時間，實時測試混凝土拌合物的工作性能，根據(jù)實際情況對外加劑摻量、用水量以及增粘組分摻量進行調(diào)整，保持混凝土澆筑時坍落度在160～180 mm，且混凝土施工過程中加強振搗與養(yǎng)護。調(diào)整后的混凝土勻質(zhì)性較好，靜置后或澆筑振搗過程中均未出現(xiàn)粉煤灰上浮，墩柱、主梁表面光亮、色澤均一，外觀效果得到有效改善，如圖9、圖10所示。

　　圖9摻增粘劑混凝土

　　Fig.9Concrete mixture mixed with viscositymodifying admixture

　　圖10摻增粘劑墩柱

　　Fig.10Pier column pouring by concrete mixed with viscositymodifying admixture

　　5結(jié)論

　　1)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點，提出了橋梁清水混凝土的配合比設(shè)計思路與高性能化技術(shù)途徑，制備出均質(zhì)性好且工作性能與力學性能優(yōu)良的C30～C50高性能清水混凝土，并應用于實際橋梁工程。

　　2)通過對混凝土拌合物含氣量、硬化試件不同部位的顯微硬度與微觀結(jié)構(gòu)的測試研究表明：對于C30橋梁清水混凝土，當摻5×10-5纖維素醚或摻6%硅灰時，混凝土含氣量不超過2%，密實性好;漿體旋轉(zhuǎn)粘度值在1 900～2 000 MPa·s之間，粘度適中，工作性能較好;試件表面不同部位顯微硬度值接近，混凝土勻質(zhì)性好。以纖維素醚或硅灰為增粘劑，可以有效調(diào)整漿體粘度，改善混凝土的勻質(zhì)性，提高密實度。