成都天府國際機場項目清水混凝土表面水紋控制技術研究

劉執祥 李清 胡洋 關素敏

【摘要】介紹了在成都天府國際機場項目中關于清水混凝土表面水紋缺陷控制技術的研究工作。研究從清水混凝土表面水紋缺陷形成的原因出發，主要提出了從原材料控制、配合比調整、澆筑施工過程控制以及引入雙親活性水紋缺陷屏蔽技術4個方面來改善清水混凝土表面水紋色差缺陷的問題。得益于以上技術，清水混凝土的施工及交付得以順利完成。

【關鍵詞】清水混凝土;水紋缺陷控制;施工

【中圖分類號】 TU712.3【文獻標志碼】 B

清水混凝土是指一次成型，直接以混凝土原澆筑表面作為飾面的特種混凝土，其表面平整光滑、無明顯色差、棱角分明、無損傷等質量問題，通過自身質感實現清水混凝土的"內實外美"[1]。清水混凝土起源于1835年在肯特的斯旺桑貝建成第一座混凝土住宅，在國外已經歷了近200年的發展。

在我國，清水混凝土隨著混凝土結構的發展不斷得到發展。近年來，伴隨著我國大力倡導節能減排及保護環境的可持續發展戰略，許多國家工程例如首都機場等紛紛采用了清水混凝土。人民環保的主觀意識及綠色建筑的客觀需要使得樸實無華的清水混凝土已經不僅僅局限于道路橋梁等基礎設施工程，在許多民用及工業建筑中也得到了大量應用。被建設部科技司列為"中國首座大面積清水混凝土施工建筑工程"的聯想研發基地，代表著我國清水混凝土發展到了新階段。之后，隨著上海保利大劇院、蘭州城市規劃展覽館、天津大學新體育館、長沙謝子龍影像藝術館等項目的建成，國內興起了又一波清水混凝土的高峰。此外，清水混凝土在國家重點工程港珠澳大橋中也發揮了重要作用。根據設計，東西人工島擋浪墻墻身、敞開段墻身、島上建筑主體結構等均采用了清水混凝土[2]。由于清水混凝土獨特的性能特點，其在基建和民用建筑工程中應用越來越廣泛[3]。

盡管清水混凝土的使用越來越受到工程的青睞，但是清水混凝土的外觀質量問題一直是行業內普遍存在的技術難題。其外觀質量缺陷主要包括7個：①色差問題;②氣泡問題;③花斑紋或粗骨料透明層問題;④表面水紋現象問題;⑤施工縫掛漿、泥漿和砂帶問題;⑥蜂窩、麻面、損傷問題;⑦塑性裂縫問題[4]。在工程中，表面水紋問題較為普遍，控制難度較大[5]，而且表面水紋的出現不僅會嚴重破壞清水混凝土的表面美感，還可能造成混凝土表面耐久性能劣化。因此，本論文主要分析了清水混凝土表面水紋產生的原因，并介紹了在天府國際機場項目中對清水混凝土表面水紋控制技術的研究。

1項目概況

成都天府國際機場是國家"十三五"規劃的4F級國際機場、國際航空樞紐、絲綢之路經濟帶中等級最高的航空港之

一、成都國際航空樞紐的主樞紐，總投資776.99億元。其中高架橋是連接天府國際機場 T1與 T2航站樓及從地下至航站樓出發口的重要通道，高架橋系統土建部分劃分為 T1/T22個施工標段，分別由中國建筑第八工程局有限公司及中國華西企業股份有限公司承建。其中2個標段高架橋的箱梁、墩柱等部位均采用不同強度等級清水混凝土，總共建成了7.3萬 m3的清水混凝土單體建筑物，是目前亞洲地區單體體量最大的清水混凝土建筑物。

2清水混凝土表面水紋缺陷控制技術

2.1清水混凝土表面水紋缺陷產生原因

清水混凝土的表面水紋是指在清水混凝土表面形成了一層與混凝土基體顏色差異較大的水波紋色差。其形成的原因主要有3點：

（1）骨料粒徑選擇不合適，級配不良。由于骨料的最大粒徑偏大，級配不良，容易導致混凝土大顆粒粗骨料聚集，造成混凝土不勻質，經振搗之后容易形成水波紋。

（2）混凝土坍落度不合適。當坍落度偏大時，混凝土容易在振搗過程中泌水，水在混凝土與模板的界面局部聚集，這部分膠凝材料水化程度與其他部位不一致且該部分多余的水蒸發后會在該部位形成空隙從而導致清水混凝土表面水紋的產生;當坍落度偏小時，由于混凝土流動性較差，為了振搗密實減少表面氣泡等缺陷就必須延長振搗時間，無形中就會形成過振，從而也容易形成表面水波紋現象。

（3）形成水紋的成分在清水混凝土表面富集。由于清水混凝土所用材料中存在一定的輕物質，如碳、泥等，在清水混凝土振搗成型過程中，這些輕物質會隨著自由水分泌出富集在清水混凝土的表面，從而形成了較為明顯的表面水紋缺陷。

2.2清水混凝土表面水紋缺陷解決措施

針對以上水紋缺陷形成的原因，主要提出了控制措施以解決在清水混凝土施工過程中出現的水紋缺陷問題。

2.2.1原材料控制

為控制清水混凝土表面水紋缺陷，針對骨料、膠凝材料以及外加劑提出了幾點控制措施：

2.2.1.1骨料

粗骨料選用粒徑為5-31.5 mm大碎石及5-10 mm小碎石，含泥量小于0.5%，針片狀含量小于5.0%，試驗大小石比例為8：2;細集料選用Ⅱ區中砂，細度模數為2.6，石粉含量小于10%，含泥量小于0.5%，泥塊含量小于0.2%。按照以上骨料標準配制的清水混凝土如圖1所示，混凝土表面無水紋缺陷。

2.2.1.2膠凝材料

清水混凝土生產使用的膠凝材料主要包括 P042.5R水泥、風選Ⅰ級粉煤灰、s95礦粉、硅灰，以上膠凝材料的技術指標均需要滿足相關標準要求。此外，粉料級配差也容易導致混凝土拌合物工作性能差，進而導致表面水紋缺陷的產生，因此，還需要嚴格控制粉料粒徑，對粉料粒徑的要求如表1所示。

2.2.1.3外加劑

外加劑需要使用專用清水外加劑，并且還應當引入有機硅類消泡劑以消除混凝土表面氣泡。

2.2.2配合比優化

針對表面水紋問題進行清水混凝土配合比優化，主要包括水膠比、砂率、摻和料的調整優化。配合比優化調整設計及實驗結果如表2所示。

由表2可知，水膠比、砂率以及摻和料對清水混凝土工作性能和表面水紋均存在較大影響，具體分析及建議措施如下。

2.2.2.1水膠比

水膠比是混凝土配合比設計的關鍵參數，直接決定混凝土的工作性能、力學性能以及耐久性能。研究發現，對于清水混凝土而言，用水量的多少還會影響混凝土表面水紋。水膠比較低時，新拌混凝土的流動性能較差，澆筑完成后表面易出現大的氣孔等缺陷，而過度的振搗雖然可以減少表面氣孔，但是同時也容易導致形成混凝土表面水紋。水膠比較高時，混凝土流動性較好，無需過度振搗，但是用水量過大會導致新拌混凝土體系中自由水含量較大。混凝土成型后，富余的自由水容易在混凝土和模板的表面富集，從而形成表面水紋。結合實驗研究，為避免表面出現嚴重水紋缺陷，清水混凝土的水膠比應當比同等級的普通混凝土低，單方用水量以不超過170 kg為最佳。

2.2.2.2砂率

砂率的大小會影響混凝土拌合物的粘聚性和包裹性，不利于混凝土的泵送和振搗，從而影響混凝土成型后的表面質量。實驗研究發現，在清水混凝土中，如果使用砂率過小，新拌混凝土不僅不利于施工，其保水性也較差，容易出現泌水現象，進而導致成型后的混凝土表面出現水紋。因此，在設計清水混凝土配合比時，應相比同等級普通混凝土適當提高砂率，一般以提高1%～2%為宜。

2.2.2.3摻和料

摻和料的合理使用可以很好改善混凝土的工作性能、力學性能以及耐久性能。實驗研究發現，由于粉煤灰有減水作用，隨著粉煤灰的摻入，新拌混凝土的流動性增加。但是粉煤灰用量超過15%時，清水混凝土顏色較深，同時容易出現水紋色差。這主要是因為粉煤灰中含有未充分燃燒的輕質碳以及其他雜質，粉煤灰用量較大時，該類物質容易富集到混凝土表面從而造成水紋色差。適當加入礦粉可以對混凝土起到提亮的效果，但是礦粉用量過大容易導致拌合物黏度變大，成型后的混凝土表面顏色變深。硅灰的使用對控制清水混凝土表面的水紋至關重要，硅灰的引入不僅可以改善新拌混凝土的粘度，同時硅灰的保水作用可以保證新拌混凝土漿體中的多余自由水在震搗時不被離析，從而避免了成型后混凝土表面水紋。但是硅灰摻量過大會導致混凝土工作性能劣化、表面色差嚴重，同時也不利于成本控制，用量一般控制在8%以內。為充分發揮各種摻和料的性能優勢以及在相互協同作用下彌補劣勢，建議復合使用摻和料，清水混凝土中摻和料推薦使用摻量為：10%礦粉、5%粉煤灰、5%硅灰。

2.2.3澆筑施工過程控制

清水混凝土澆筑時，混凝土自出料口下落的自由傾落高度不得超過2 m，以防止混凝土離析;禁止混凝土沿模板壁滑下，破壞模板上的脫模劑。所有混凝土澆筑采用水平分層進行，振搗時采用"快插慢拔"的方式，不得出現欠振、漏振、過振;振搗棒的插入深度要大于澆筑層厚度，插入下層混凝土中50～100 mm;每一振點的振動時間，應以混凝土表面不再下沉、無氣泡溢出為止。

2.2.4雙親活性水紋屏蔽技術

根據形成清水混凝土表面水紋的局部成分差異和水紋缺陷形成的原因，借鑒表面化學理論，本研究提出了通過選擇合適的具有雙親效果的脂肪醇聚氧乙烯醚、月桂醇聚氧乙烯醚等微量改良劑來改善清水混凝土表面水紋缺陷問題。脂肪醇聚氧乙烯醚、月桂醇聚氧乙烯醚是無色液體或蠟狀物，它們均具有較高的表面活性，能把水的表面張力降低至29 mN/m。醚類改良劑作為一種表面活性劑具有雙親效果，其分子鏈一面親水一面親油，使用其作為水紋屏蔽材料，可以使得膠凝材料中油性的輕物質被固化在基體內部，不會隨自由水一起泌出到混凝土表面形成水紋，減少在混凝土表面富集的幾率，形成清水混凝土水紋屏蔽技術。

圖2和圖3分別表示摻入外加劑摻量0.4%的水紋屏蔽材料后，清水混凝土的工作性能以及混凝土表觀質量。由圖可知，采用以上控制措施制備得到的清水混凝土的塌落/擴展度為210 mm/520 mm，工作性能較好，成型后表面顏色均勻無明顯水紋色差。

3工程應用情況

成都天府國際機場航站區高架橋系統土建部分劃分為T1/T22個施工標段，一標段橋梁工程主要包含航站高架橋、轉換區高架橋2個部分，共5座、橋梁總長1647.42 m。其中，航站高架橋包括航站高架上引橋、T1航站高架橋共2座橋梁;轉換區高架橋包括 T1轉換區高架橋、T2轉換區高架橋、T轉換區高架橋共3座橋梁。T1標段站前高架平面示意如圖4所示。

本標段航站高架上引橋、T1航站高架橋、T2轉換區高架橋、T轉換區高架橋，全部設計為魚腹式現澆箱梁，共計17聯，最大跨徑為39.047 m，共計約42000 m2。所有箱梁均采用 C50清水混凝土，工程概況見表3。

T2標段航站樓站前高架橋由 T2航站高架橋和下引橋兩部分組成，如圖5所示。

T2航站高架橋全長360 m，橋墩采用2 m×2 m混凝土方墩，5號墩、8號墩右側、9號墩為擴大基礎，座于地下結構頂板上，其余為樁承臺基礎，樁徑2.5 m，承臺厚2.5 m。航站高架下引橋全長333 m，橋墩采用2 m×2 m混凝土方墩，橋臺采用擋土式橋臺;0號墩為擴大基礎，座于地下結構頂板上，其余為樁承臺基礎，樁徑2.5 m，橋臺為樁承臺基礎，樁徑1.2 m，承臺厚1.8 m、2.5 m。

以上橋梁結構墩柱部分全部采用 C40清水混凝土，工程概況如表4所示。

上文所提及的關于清水混凝土表面水紋的控制措施均在該項目中得到成功應用，圓滿地完成了超大體積清水混凝土工程的建造工作。如圖6所示，工程最終交付的清水混凝土顏色均勻，表面無明顯水紋色差，獲得了業主的一致好評和認可。

4小結

本文主要介紹了在成都天府機場項目中關于清水混凝土表面水紋控制技術的研究工作。主要得出4個結論：

（1）嚴格控制原材料質量，使用符合質量要求的砂石骨料、膠凝材料以及外加劑。

（2）配合比設計時，應當嚴格控制用水量，一般小于170 kg/m3;砂率應當適當提高1%～2%;摻和料應當復合使用，推薦使用摻量為：10%礦粉、5%粉煤灰、5%硅灰。

（3）澆筑采用水平分層進行，振搗時采用"快插慢拔"的方式，不得出現欠振、漏振、過振。每一振點的振動時間，應以混凝土表面不再下沉、無氣泡溢出為止。

（4）使用脂肪醇聚氧乙烯醚作為改良劑，按照外加劑0.4%的摻量加入到混凝土中可以達到水紋屏蔽的作用。

得益于以上技術，成都天府機場項目中清水混凝土的施工及交付得以順利完成，并得到了施工方和業主的一致好評。

參考文獻

[1]陳東，王瑋，胡洋.石灰石粉對清水混凝土性能的影響研究[J].廣東建材，2022，38（2）：11-13.

[2]陳克偉，孫振平，王成啟，等.港珠澳大橋環島擋浪墻素清水混凝土裂縫控制技術研究[J].新型建筑材料，2019，46（4）：1-4.

[3]俞海勇，王瓊，李春霞.清水混凝土的技術特點和應用前景[J].上海建設科技，2008（5）：69-70.

[4]劉先亮，張榮華.清水混凝土質量影響因素分析研究[J].四川建材，2022，48（4）：3-5.

[5]吳永紅，周華松，段軍朝.武漢火車站飾面清水混凝土外觀質量保障措施[J].施工技術，2008（11）：20-22.