高強自密實清水混凝土表觀性能影響因素的研究

孟書靈，王子萌，盧霄，李凱

（1. 長安大學，陜西 西安 710000；2. 中建西部建設新疆有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

現如今，混凝土往往需要承擔多種不同的任務以滿足日漸豐富的需求，高強自密實清水混凝土應運而生。自密實清水混凝土將自密實和清水兩種技術結合在一起，是一種便于施工且具有裝飾效果的新型綠色混凝土，具有很高的研究和應用價值。高強自密實清水混凝土的研究成果應用有利于降低能耗、減少人力和物力投入、降低建筑物的二次裝修費用，具有較高的社會和經濟效益[1]。清水自密實混凝土既要有自密實混凝土的高流動性，能不經振搗或少振搗而自動流平并充滿模板、包裹鋼筋，并能夠不離析、不泌水，又要有清水混凝土的表面平整光滑、色澤均勻、棱角分明、無碰損和污染的特點[2]。因此既需解決自密實混凝土大流動性與清水混凝土小坍落度之間的矛盾，又要解決自密實混凝土漿體量大可能帶來的浮漿和氣泡難以排出與清水混凝土要求的表觀一致及基本無氣泡的矛盾[3]。本文針對此問題，進行混凝土配合比設計優化、表觀性能試驗，工作性及耐久性能試驗等一系列研究工作，最終提出可合理有效結合自密實與清水特性的混凝土制備方案。

1 混凝土原材料

1.1 水泥

選用吉木薩爾縣天宇華鑫水泥開發有限公司生產的 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥。基本性能：標稠用水量25.5%，安定性合格，3d 抗壓強度 28.4MPa，28d 抗壓強度 49.1MPa，氯離子含量 0.02%，符合相關技術標準要求。

1.2 礦物摻合料

選用五家渠鑫澤新型環保建材有限公司生產的Ⅱ級粉煤灰。細度 22.5%，燒失量 2.8%，需水量比 101%，氯離子含量 0.01%，符合相關技術標準。

選用寶鑫盛源建材有限公司生產的 S75 級礦粉。比表面積 380m2/g，流動度比 99%，28d 活性指數 81%，符合相關技術標準。

1.3 骨料

選用新疆和砼源建材有限公司生產的河砂，細度模數 3.4，5～20mm 卵石。

1.4 外加劑

江蘇博特聚羧酸系高性能減水劑。

1.5 脫模劑

采用市場上選購的機油、色拉油、水性脫模劑、油性脫模劑。

1.6 模板

采用符合標準規格表面光滑的鋼模具及塑膠模具做對比，重復使用時需清理模具內表面殘留的雜質。

2 試驗過程及數據處理

2.1 配合比設計

本次試驗所澆筑的結構為圓柱體模型，其半徑、高度分別為 60cm、200cm。采用絕對體積法，考慮水膠比對自密實混凝土設計強度的影響和自密實性能的影響，通過自密實混凝土應用技術規程中配合比設計要求，獲得的 C50 自密實清水混凝土初步配合比并進行試配試驗，數據見表 1。

2.2 各因素對混凝土性能影響試驗

在此基礎上控制變量分別研究了膠材種類、膠材總量、摻合料摻量、細骨料細度模數及砂率對混凝土的表觀性能影響，詳見表 2～5。

由表 2 可以發現隨著膠材總量的增大，在 600kg/m3拌合物工作性能達到了頂峰，在這之后由于混凝土粘度較大，會損失一部分工作性能，在坍落度、擴展度沒有較大變化的情況下，倒坍及 T500時間有較為明顯的延長，不利于自密實混凝土的填充性能。

表3 膠凝材料種類對混凝土自密實性能影響

由表 3 可以發現隨著礦粉摻量的提高，混凝土擴展度逐漸減小且倒坍時間延長，L 型槽用時沒有太大改變。說明礦粉摻量的提高增大了混凝土的粘度和剪切力且礦粉沒有粉煤灰對混凝土拌合物性能的改善作用，對自密實性能不利。

由表 4 可知，隨著砂的細度模數增大，即砂的粒徑增大，在保證坍落度、擴展度的同時，T500、倒坍用時減少，L 型槽時間小幅降低，混凝土自密實性能逐漸提高，粘度逐漸降低。但在細度模數達到 3.3 時坍落度出現損失，繼續增長則不利于施工。

由表 5 可知，砂率控制在 44%～48% 內可在保證坍落度、擴展度的同時減少倒坍及 T500時間，即能使混凝土表現出良好的流動性和粘聚性，控制砂率在 44% 為最佳。

故優化配合比，得到滿足要求的 C50 自密實混凝土配合比，見表 6。

表4 細骨料細度模數對混凝土自密實性能影響

表5 砂率對自密實混凝土性能影響

2.3 各類脫模劑作用機理

在綜合現有普遍的施工情況下，通過查閱文獻資料并結合工程實際進行篩選，選用了機油、色拉油、油性脫模劑、水性脫模劑進行清水混凝土表觀性能的對比試驗。

（1）參考現有工程脫模工藝，選用乳化劑對廢機油進行分散乳化作脫模劑，其作用機理為簡單分解機油，并使機油和水形成的體系的表面能降低，在模板與混凝土之間起機械潤滑作用，從而克服兩者之間的黏結力而達脫模效果。乳化后的脫模劑為黑色乳狀液，本身在色澤上會出現問題[4]。同時，乳化劑并不能有效解決廢機油中的灰塵、其他雜油和機件磨損產生的金屬粉末等雜質，也不能降低廢機油中的毒性。因此乳化后機油雖然價格低廉，卻并不適用于清水混凝土工程的脫模。

（2）油性脫模劑（如水包油或油包水型乳化類脫模劑）涂于模板后可迅速干燥成膜，除了具有機械潤滑作用，在混凝土與模板之間還起隔離作用而脫模。雖然其與水性脫模劑相比效果較差。但油脂含量高、耐高溫性強、防凍凝點低等優點決定了油性脫模劑在實際工程運用中可以更好地適應環境因素影響。

表6 優選配合比設計及混凝土性能

（3）水性脫模劑（如脂肪酸類化學脫模劑）可使模板表面具有憎水性，與模內新拌混凝土中的游離氫氧化鈣起皂化反應，生成具有物理隔離作用的非水溶性皂，既起潤滑作用，又可延緩模板接觸面上混凝土的凝固而利于脫模[5]。

對比油脂類脫模劑，水性脫模劑具有優異的防腐、防銹功能，可減緩模板置于室外環境的生銹速度，延長其工作時間；水性脫模劑在磨具表面形成的漆膜表面光潔度好，自然形成瓷釉，易于脫膜和清理，提高工效；耐磨、附著力好，可多次重復使用；適用廣泛，可用于鋼模、木模、竹模等。但同時，成本高且不宜在陽光直射下貯存，易受環境影響也成為了該類脫模劑的缺點。

2.4 表觀性能試驗

本試驗以脫模劑種類、振搗時間、成型所選模具等為主要控制變量。通過測試不同變量下混凝土拌合物和易性、含氣量、表觀性能、耐久性能等，探究清水混凝土實際工程中有利于橋梁墩柱等大型預制構件的表觀性能的施工工藝。依據 JGJ 169—2009《清水混凝土應用技術規程》、DB11/T 698—2009 《清水混凝土預制構件生產與質量標準》進行清水混凝土表觀性能評判。具體結果見表 7。

表7 振搗時間及成型模具對混凝土表觀性能影響

圖1 塑膠模具成型表觀性能

圖2 鋼模具成型表觀性能

經對比可得，在相同模具的條件下，隨著振搗時間的增加，混凝土試塊表面的氣泡數量隨之減少，并且采用水性及油性脫模劑的試塊表觀性能較普通機油有明顯改善，見圖 1、圖 2。考慮到自密實混凝土不離析、不泌水的特點，最終選擇以 15s 為最佳振搗時間開展后續試驗。對比圖 1-2、2-3，可以發現采用鋼模具油性脫模劑的試塊雖然有一定油污影響，但在氣泡數量和大小上與塑膠模具水性脫模劑相似。圖 2-2 的試塊最符合清水混凝土相關標準的外觀要求。結論：在相同振搗時間下，使用鋼模具并采用水性脫模劑進行的清水混凝土表觀模擬試驗相較其他對比組氣孔數量較少，表觀性能突出。

對于油性脫模劑，市面常見的機油、色拉油及化工廠生產的專用油性脫模劑，都存在一定程度的粘稠、流掛現象嚴重、附著的灰塵不易清理等通病。如圖 1-1、2-1，即使選用良好的模板可以達到減少表面氣泡數量的目的，仍不能改變油漬流掛對表觀性能的影響。為解決該問題，現場施工多選用專業的噴涂設備以減小影響，因此試驗室效果方面，油性脫模劑脫模效果雖稍遜于水性脫模劑，但考慮經濟成本與施工環境適應性等因素，油性脫模劑優勢更大[6]。

2.5 力學性能及耐久性試驗

在優選配合比的基礎上控制成型工藝，并進行力學性能及耐久性能方面的試驗。

經試驗得知，進行脫模劑品種及成型模具的優選，試塊的強度沒有明顯改變。但在抗氯離子遷移及抗凍融等耐久性方面較普通成型工藝（機油、塑膠模具）有一定改善，提升幅度在 5% 左右。這是由于混凝土的含氣量較低，整體更加密實，減少了硬化混凝土中的空隙，反饋到混凝土耐久性能中表現明顯[7-8]。

3 總結

（1）較 C50 普通混凝土，本配比控制膠材總量范圍為 580～600kg/m3、粉煤灰與礦粉比例為 20%:10%、細骨料細度模數在 2.7～3.0 之間、砂率控制在 44%～48% 時在降低自密實混凝土成本的同時，有助于混凝土清水表觀性能的實現。

表8 強度及耐久性數據

（2）為防止自密實混凝土過振離析，振搗時間不宜過長，控制在 15s 較為合理。實際工程施工中，在鋼筋密集的地方，如箱梁的齒塊、底腹板交接處等可以適當延長振搗時間。

（3）在選用了不同成型模具及脫模劑進行研究發現，上述變量對混凝土抗壓強度影響不大，但對耐久性有一定影響。從對混凝土性能影響、經濟效益及對環境適應性等方面考慮，選用專用油性脫模劑以及鋼模具的組合成型模式。