豎向核心筒結(jié)構(gòu)飾面清水混凝土配合比設(shè)計(jì)研究

陳安東，徐漢英，吳承華，徐雙全，黃揚(yáng)明，尚崇

（1. 杭州市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站，浙江 杭州 310011；2. 中建三局集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310000）

豎向核心筒結(jié)構(gòu)飾面清水混凝土配合比設(shè)計(jì)研究

陳安東1，徐漢英2，吳承華2，徐雙全2，黃揚(yáng)明2，尚崇2

（1. 杭州市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站，浙江 杭州 310011；2. 中建三局集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310000）

混凝土拌合物中的水在生產(chǎn)到施工全過程中的均勻分布是制備清水混凝土的關(guān)鍵，從混凝土和易性上講，混凝土配制的方向是：較高的流動(dòng)性、良好的粘聚性、優(yōu)良的保水性，保水性控制是關(guān)鍵。

清水混凝土；表面顏色；配比調(diào)控；原材料選擇

0 引言

自中國首座大面積清水混凝土建筑——北京聯(lián)想研發(fā)基地建成后，國內(nèi)大型的清水混凝土工程逐漸多了起來，不同清水工程對(duì)清水混凝土品質(zhì)的要求不盡相同。杭州慧展科技項(xiàng)目地下三層、地上共有 17 幢7～11層單體建筑，項(xiàng)目占地面積約5萬 m2，總建筑面積 23.4萬 m2，所有單體的核心筒均為飾面清水混凝土結(jié)構(gòu)，業(yè)主對(duì)該結(jié)構(gòu)部位的混凝土除“內(nèi)實(shí)外光、尺寸準(zhǔn)確、線形直順、色澤一致”的要求外，還提出了“觸感如絲般順滑、散發(fā)出柔和光澤”的外觀需求。

1 混凝土表面顏色均勻的微觀機(jī)理

混凝土的結(jié)構(gòu)是水、外加劑和膠凝材料拌合形成的膠結(jié)物質(zhì)包裹著粗、細(xì)骨料，成型后的混凝土構(gòu)件表面充滿了水泥漿。可以說水泥石的顏色就是混凝土的顏色，一般為灰色，混凝土表面也經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)黑色斑點(diǎn)、黑色條紋、黑線、熊貓眼等變色區(qū)域。

1.1 表面粗糙度對(duì)顏色的影響

心理物理學(xué)家研究表明[1]，人們對(duì)亮度的感覺主要與物體表面對(duì)光的漫反射有關(guān)。粗糙度越小，鏡面反射越明顯，粗糙度大則主要呈現(xiàn)出一定的漫反射特征[2]。當(dāng)混凝土表面的粗糙度小于可見光的波長時(shí)，光將完全鏡面反射[3]，按照這個(gè)原理可實(shí)現(xiàn)鏡面清水混凝土；當(dāng)混凝土表面的粗糙度大于可見波長時(shí)，在一定范圍內(nèi)，粗糙度越大，漫反射光所占的份額越大，混凝土表面觀感更為柔和。

所以，用不同粗糙度的模板制得的混凝土構(gòu)件顏色深淺不同。在保證較高平整度的前提下，相對(duì)粗糙的模板制得的混凝土表面觀感更加柔和。這也就解釋了為什么用鋼、鋁模制作的混凝土表面顏色更易于均勻，而鏡面模板制作的混凝土表面顏色較深。

1.2 表面孔結(jié)構(gòu)對(duì)顏色的影響

混凝土是一種典型的多相多孔材料，其表面水泥石的孔隙主要是經(jīng)水分蒸發(fā)形成，典型尺寸在1～50μm，大部分開孔[4]。不同的溫濕度條件下，水泥石孔隙內(nèi)的含水狀態(tài)不同，當(dāng)自然光照射到混凝土表面后，光被表面孔隙內(nèi)的水吸收折射，含水量越高，漫反射程度越低，表面的顏色越深。

根據(jù)開爾文公式，對(duì)有孔隙的物體而言，其所處周圍空氣的相對(duì)濕度越大、溫度越低，物體內(nèi)孔隙的臨界半徑值（在此半徑值，孔隙內(nèi)可充滿水）越大[3]。所以，冬季或雨季，混凝土的臨界半徑值相對(duì)較大，表面孔隙內(nèi)部含水相對(duì)較多，漫反射程度低，而易呈現(xiàn)黑色。同一溫濕度條件下，表面孔隙孔徑的大小不同，其內(nèi)部含水的狀態(tài)也不盡相同，孔隙相對(duì)小的顏色較深，相對(duì)大的顏色較淺。

另外，冬季或雨季，混凝土表層易形成一層水膜，會(huì)降低自然光的反射光量。

1.3 表面結(jié)構(gòu)致密性對(duì)顏色的影響

Doris Strehlein[3]的研究表明：混凝土表面的黑色與孔溶液中的氫氧化鈣向表面的遷移、積聚與結(jié)晶有關(guān)?；炷脸尚驮缙?，氫氧化鈣部分溶解在水泥石的孔溶液中，脫模后，混凝土表面的水分開始蒸發(fā)，濕度下降，混凝土內(nèi)部和表面形成濕度梯度，產(chǎn)生濕度驅(qū)動(dòng)力，使得氫氧化鈣隨孔溶液向表面遷移、積聚、沉淀。氫氧化鈣凝膠體的遷移，使得混凝土表面孔隙中的含鈣量增加，孔道被堵塞并形成封閉狀的表面以及表面鄰近部位致密的微觀結(jié)構(gòu)，表面也變得更加平整，粗糙程度小于自然光的可見波長，而出現(xiàn)黑色斑點(diǎn)。

另外，螺桿洞、模板拼縫以及結(jié)構(gòu)下部分別易形成熊貓眼、黑線、黑色條紋等外觀缺陷，如圖1～3所示。筆者認(rèn)為，螺桿洞與模板拼縫處存在小量的空隙，水分散失相對(duì)慢，表面與內(nèi)部形成了連續(xù)的濕度梯度引起了內(nèi)部的氫氧化鈣向該處集聚。剪力墻上的黑色條紋多分布于中下部，且間距與鋼筋間距一致，每條條紋從中間向兩側(cè)變淡。經(jīng)分析，此類黑色條紋的出現(xiàn)，是中下部混凝土在振搗或上部新澆筑混凝土的壓力下產(chǎn)生了少量泌水，聚集在鋼筋附近，使得該處的水量相比其他位置要多。拆模前，隨著水化的進(jìn)行或模板的吸水作用，氫氧化鈣的遷移、集聚、結(jié)晶相比更多，進(jìn)而產(chǎn)生黑色條紋。

圖1 熊貓眼

圖2 拼縫處的黑線

圖3 黑色條紋

2 清水混凝土工作性能分析

模板是影響清水混凝土品質(zhì)的首要因素，可遵循較高平整度、吸水率均勻且低、略微粗糙的選用原則。其次是混凝土表面的孔隙結(jié)構(gòu)，兩者相輔相成，缺一不可。

根據(jù)光漫射原理，在保證混凝土表面具有一定粗糙度的基礎(chǔ)上，混凝土表面顏色的均勻性體現(xiàn)為表面硬化水泥石孔隙結(jié)構(gòu)的均勻性，進(jìn)一步體現(xiàn)為各組分在混凝土中的均勻性，尤其是水。前面提到，表面水泥石中的微孔、毛細(xì)孔主要是經(jīng)水分蒸發(fā)形成的，那么，混凝土拌合物中的水從攪拌、運(yùn)輸、泵送、入模以及振搗成型等眾多過程中的均勻分布就顯得尤為重要。

清水混凝土工作性能分析見圖4。

圖4 清水混凝土工作性能分析

3 清水混凝土配合比調(diào)控技術(shù)

3.1 和易性對(duì)混凝土性能的影響

混凝土拌合物的和易性包括流動(dòng)性、粘聚性、保水性。設(shè)計(jì)混凝土?xí)r，首先應(yīng)確定目標(biāo)工作性能，根據(jù)實(shí)際工況、不同構(gòu)件、不同澆筑振搗方式等選擇相對(duì)適宜的和易性。

流動(dòng)性是保證混凝土混合均勻的主要性能，流動(dòng)性太差，粉料在混合時(shí)容易黏附、抱團(tuán)；流動(dòng)性太好，容易漿骨分離，即使混合均勻，在出料、運(yùn)輸、泵送、振搗等過程中，均易產(chǎn)生分層離析。粘聚性是指混凝土的各組分之間具有一定的粘聚力，使得混凝土在振動(dòng)狀態(tài)或壓力條件下不容易發(fā)生水與骨料的分離，是抵抗分層離析的能力，或者說是維持均勻性的能力。保水性是新拌混凝土保持內(nèi)部水分的能力，混凝土各部位水的多寡決定了孔隙結(jié)構(gòu)的大小，可以說，保水性是清水混凝土制備的關(guān)鍵性能。

筆者認(rèn)為，制備清水混凝土應(yīng)：（1）保證混凝土具有較高的流動(dòng)性。（2）根據(jù)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)、粗骨料的粒徑和粒型以及采用的振搗方式等，確定良好的粘聚性。比如骨料粒徑偏大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高粘聚性，以維持混凝土內(nèi)部各組分在振搗后的均勻性，當(dāng)粗骨料粒徑較小的時(shí)候，可適當(dāng)降低粘聚性。（3）確保優(yōu)良的保水性，混凝土若有泌水現(xiàn)象，一方面，易引起氣泡、砂線、水波紋等質(zhì)量缺陷，另一方面，泌水引起水分在混凝土各部分的不均勻分布，易引起顏色的不均勻。

圖5是本項(xiàng)目拌制的混凝土狀態(tài)。

另外，做清水混凝土試配時(shí)，可關(guān)注塑性粘度的指標(biāo)。

圖5 本項(xiàng)目混凝土和易性狀態(tài)

3.2 配合比參數(shù)對(duì)混凝土性能的影響

3.2.1 適宜的漿體量

漿體量，直接影響清水混凝土力學(xué)性能、氣泡排除難易程度、表面光澤程度及表面顏色均勻性等重要指標(biāo)?；炷帘砻骖伾木鶆蛐杂伤嗍木鶆蛐詻Q定，在水膠比不變的情況下，漿體越多，其拌合物的流動(dòng)性越大，在適宜粘度的條件下，混合均勻的能力越強(qiáng)。骨料顆粒表層包裹的漿體越厚，水在水泥石中形成的孔隙結(jié)構(gòu)越易于均勻。

清水混凝土的配制應(yīng)適當(dāng)提高其漿體量，提高漿骨比。

3.2.2 砂率

配制清水混凝土，砂的品質(zhì)、級(jí)配以及砂率的選擇非常重要，尤其是在無摻合料的情況下，砂率對(duì)混凝土拌合物和易性的影響非常大。適宜的砂率不但填滿了石子間的空隙，還能保證骨料間有一定厚度的砂漿層，以減少骨料之間的摩擦力，使新拌混凝土獲得良好的流動(dòng)性[5]。砂率較低時(shí)，新拌混凝土的流動(dòng)較小，粘聚性和保水性變差，振搗過程中容易泌水影響混凝土的外觀。

另外，清水混凝土的漿體量較大，考慮到漿體不至于因石子大小不一而集中進(jìn)而產(chǎn)生黑色斑點(diǎn)，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大砂率以保證漿體的均勻性，增大漿體厚度，削弱邊界效應(yīng)。

3.2.3 用水量

水是混凝土表面孔隙形成的關(guān)鍵組分，配制清水混凝土，應(yīng)同水膠比適當(dāng)增加用水量，即增加漿體用量，但需確?；炷辆哂辛己玫谋Ｋ阅堋?/p>

3.2.4 坍損

從攪拌站生產(chǎn)到澆筑要經(jīng)歷一段時(shí)間，這段時(shí)間短則.5h，長則2～3h。在這段時(shí)間內(nèi)拌合物逐漸變稠，流動(dòng)性逐漸降低。坍落度的損失，一方面，影響混凝土的流動(dòng)性，流動(dòng)性降低，塑性粘度增加，混凝土的混合均勻的能力降低；另一方面，運(yùn)輸過程中的坍落度損失易不均勻，各組分的分布也易于不均勻。入泵混凝土和易性的不均勻性必將造成后期混凝土表面顏色的差異。

4 原材料選擇方法與機(jī)理

4.1 水泥

一般情況下，制備清水混凝土采用的是普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度一般不低于 42.5MPa。作為膠凝材料的主要成分，凝結(jié)后形成的水泥石的顏色基本決定了混凝土的顏色。因此，在選擇水泥的時(shí)候，首先應(yīng)保證水泥的顏色和技術(shù)參數(shù)基本一致。同一工程的水泥應(yīng)為同一廠家、同一品牌、同一強(qiáng)度等級(jí)。

筆者認(rèn)為還應(yīng)關(guān)注水泥的礦物摻合料摻量、水泥的硬化時(shí)間、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量等。首先，水泥都有一定量的礦物摻合料，尤其是粉煤灰，有的水泥生產(chǎn)出來的混凝土是青灰色，有的則是灰黃色，對(duì)混凝土成型的顏色影響較大；其次，水泥的硬化時(shí)間不宜過早但也不宜遲；最后，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量對(duì)混凝土的結(jié)構(gòu)和性能的影響較大，宜選擇標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量相對(duì)低的水泥，用水量的增加會(huì)導(dǎo)致混凝土孔隙率增加，同時(shí)會(huì)增大泌水的可能性，影響水分在混凝土內(nèi)部的均勻性。

實(shí)際工程中，考慮到水泥供應(yīng)批次的不確定性，水泥應(yīng)選定性能最為穩(wěn)定的品牌。

4.2 粉煤灰

粉煤灰的顏色可以從乳白色變到黑色，用在混凝土中，其顏色會(huì)顯現(xiàn)于混凝土結(jié)構(gòu)表面。采用灰黑色的粉煤灰，混凝土構(gòu)件會(huì)相比偏黑。在選擇粉煤灰時(shí)，應(yīng)盡可能選擇與水泥顏色相近的粉煤灰，一般以淺灰較細(xì)粉煤灰為宜。粉煤灰顆粒越細(xì)越能均勻有效地填充到水泥顆粒的孔隙之中，堵截混凝土內(nèi)的泌水通道，減少漿體內(nèi)的液體流動(dòng)，提升混凝土的保水性，且對(duì)混凝土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有明顯的效果[6]，對(duì)清水混凝土的制備有積極的意義。優(yōu)質(zhì)的粉煤灰用于混凝土中，有利于增強(qiáng)混凝土的表面密實(shí)度和光滑度。

但是，目前國內(nèi)的粉煤灰質(zhì)量波動(dòng)較大，當(dāng)難以保證其穩(wěn)定性時(shí)，建議不摻。

4.3 礦粉

礦粉來源于煉鋼廠的水淬高爐礦渣，含有很多的金屬離子，其中包括鐵和銅。有些礦粉會(huì)發(fā)生變藍(lán)綠現(xiàn)象，如水化產(chǎn)生的含結(jié)晶水的硫酸亞鐵（俗稱綠礬）為淺綠色，五水合硫酸銅為藍(lán)色，會(huì)引起混凝土外觀顏色變化。當(dāng)然也不是所有的礦粉都會(huì)變色。

筆者建議，配制清水混凝土，礦粉應(yīng)少摻或不摻，以在全過程中不引起泌水為原則。

4.4 粗骨料

清水混凝土對(duì)骨料的要求較高，粗骨料是混凝土的主要架構(gòu)材料，它的粒型、粒徑與級(jí)配對(duì)混凝土的均勻性、尤其是對(duì)拌合物的間隙通過性和填充性有較大的影響[7]。

筆者認(rèn)為，清水混凝土用石子粒形應(yīng)圓潤，石子粒徑不宜超過 20mm。混凝土和易性的三個(gè)指標(biāo)中，流動(dòng)性和粘聚性之間存在矛盾，豎向結(jié)構(gòu)中混凝土的流動(dòng)性應(yīng)適當(dāng)增加，粘聚性不宜太大（不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，粘度控制不同），但石子粒徑較大，要保證石子在豎向結(jié)構(gòu)中分布均勻，避免嚴(yán)重下沉，混凝土的粘性則要適當(dāng)提高，所以石子的粒徑宜小不宜大。如圖6所示，為某失敗的2.7m 高豎向清水剪力墻構(gòu)件敲除后的碎塊，剪力墻上部呈現(xiàn)基本無石子，中部石子以豆石為主，下部石子多，從混凝土表面顏色上講，構(gòu)件從上至下顏色逐漸加深。

4.5 細(xì)骨料

清水混凝土配比中應(yīng)選用潔凈的天然砂，細(xì)度模數(shù)控制在中砂的范圍。經(jīng)試驗(yàn)證明，當(dāng)砂率偏小時(shí)，混凝土的粘聚性及保水性較差，進(jìn)行坍落度試驗(yàn)時(shí)易發(fā)生離析、跑漿；當(dāng)提高混凝土的砂率時(shí)，混凝土的粘聚性和保水性則相應(yīng)提高，其包裹性好，無跑漿。在保證良好的粘聚性和包裹性的基礎(chǔ)上，砂的級(jí)配對(duì)混凝土的保水性或泌水性有較大的影響。

圖6 某失敗剪力墻構(gòu)件的上中下現(xiàn)象

4.6 外加劑

選用外加劑時(shí)，要著重考慮外加劑與膠凝材料的適應(yīng)性、泌水性，能否有效控制混凝土的坍落度損失。所用的外加劑，應(yīng)控制引氣劑的用量，不能產(chǎn)生較大的氣泡。另外，由于脂肪族減水劑顏色較深且易造成混凝土后期泌水，做清水混凝土配比時(shí)應(yīng)避免選用脂肪族外加劑。

目前，清水混凝土常常使用以聚羧酸為代表的高性能減水劑。根據(jù)工程需要復(fù)配聚羧酸外加劑時(shí)，尤其注意要從聚羧酸減水劑原液性能、緩凝劑品種、消泡劑及引氣劑效果、粘稠效果解決清水混凝土中的常見病，得到新拌混凝土良好的和易性和工作性，保持漿體的適合粘度，在滿足硬化混凝土的各方面性能指標(biāo)的前提下，著重解決混凝土泌水和表面的氣孔、水線、麻面和蜂窩等問題。

4.7 水

清水混凝土宜采用不含雜質(zhì)的飲用水，本工程采用的是自來水。

5 本工程選用的配合比及性能

水泥：海螺 52.5R；

石：5～15mm連續(xù)級(jí)配；

砂：細(xì)度模數(shù)2.4；

水：自來水；

減水劑：MASTER GLENIUM SKY 8325；

減縮劑：MASTER LIFE SRA 815。

混凝土配合比及工作性能結(jié)果見表1。

表1 混凝土配合比及工作性能要求

6 小結(jié)

（1）模板是影響清水品質(zhì)的首要因素，選擇模板時(shí)應(yīng)注重剛度、表面粗糙度、吸水率等因素，選擇模板時(shí)應(yīng)有目的性，并非越貴越好。

（2）混凝土的制備是影響清水混凝土品質(zhì)的第二重要因素，與模板相輔相成，缺一不可。混凝土表面顏色的均勻性首先體現(xiàn)在表面結(jié)構(gòu)的粗糙程度上，其次體現(xiàn)在混凝土表面水泥石孔隙結(jié)構(gòu)的均勻上。

（3）清水混凝土的配制，從和易性上講，首重保水性控制，其次為流動(dòng)性，最后為粘聚性，三者之間存在一定的矛盾和聯(lián)系，相輔相成。

（4）混凝土表面黑色的形成多因內(nèi)部與表面形成了濕度梯度，引起氫氧化鈣向表面遷移、集聚。一方面，除從混凝土著手外，還需要從施工措施的角度控制拆模前混凝土表面水分散失的不均勻性；另一方面，拆模時(shí)間不宜太晚，使得拆模后混凝土表面的干燥面盡早內(nèi)遷，阻斷氫氧化鈣向表面遷移。

（5）由于混凝土各項(xiàng)性能之間的矛盾與聯(lián)系，需要通過外加劑、膠凝材料、粗細(xì)骨料的選擇以及有效的配合比設(shè)計(jì)使得混凝土具有較低的塑性粘度，確保混凝土不出現(xiàn)泌水、離析等問題。

[1]Todd, J.T.; J.F; Mingplla,E.:Lightness constancy in the presence of specular highlights.Psychological Science 15(2004),S. 33-39;

[2]張穎茹，李恩普，任駒，等．不同粗糙度表面雙向反射分布函數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究[J]．激光技術(shù)，2010,34(5): 717-720．

[3]Doris Strehlein,Peter Schiessl．沈榮熹譯．清水混凝土表面黑色斑紋的特征與形成機(jī)理[J]．商品混凝土，2009(5): 56-60．

[4]趙鐵軍．滲透型涂料表面處理與混凝土耐久性（第一版）[M]．北京：科學(xué)出版社，2009．

[5]高禮雄，榮輝，孫國文．現(xiàn)代混凝土配合比設(shè)計(jì)與質(zhì)量控制新技術(shù)（第一版）[M]．北京：中國鐵道出版社，2015．

[6]胡紅梅，馬保國．混凝土礦物摻合料（第一版）[M]．北京：中國電力出版社，2016．

[7]李悅．自密實(shí)混凝土技術(shù)與工程應(yīng)用（第一版）[M]．北京：中國電力出版社，2013．

陳安東，男，高級(jí)工程師，杭州市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站副站長。

［通訊地址］浙江省杭州市拱墅區(qū)莫干山路100號(hào)耀江國際大廈 B 座 12層（310011）