桥梁清水混凝土的设计方法与匀质性控制技术

    清水混凝土分为普通、饰面和装饰清水混凝土３类，其具有质朴厚实、素面朝天的外观特性，并省掉了抹灰和装饰等工序，被行业内称为“绿色混凝土”［１－４］。清水混凝土已有一定的研究和发展，但多集中在建筑工程领域，且非常注重其表面平整光滑、棱角分明的艺术效果［２－８］。桥梁工程的服役环境、施工工艺等与建筑工程差异较大，一般采用普通清水混凝土，只要求表面平整光滑且无明显色差、气孔等，而对饰面装饰效果没有特殊要求，目前有关桥梁清水混凝土的设计制备与性能研究还较少，不利于其推广应用［４－６］。桥梁结构构造复杂、配筋率高、预应力钢束密集，混凝土应具有很好的工作性能以满足密实施工要求；另外，桥梁不同结构部位的混凝土强度等级不同，但普通混凝土配合比设计方法缺乏针对性，设计的不同强度等级混凝土工作性能差异显着，匀质性较差，无法达到工程整体清水效果［４］。

　　因此，需要根据桥梁工程结构特点，研究桥梁清水混凝土的设计方法与匀质性控制技术，改善混凝土工作性能，保证构件外观质量，提高结构安全与耐久性，为工程应用提供技术支撑。

　　１原材料

    ＰＯ．４２．５水泥，主要化学成分如表１所示。天然河 砂，细 度 模 数２．５，含 泥 量１．８％，泥 块 含 量０．３％。石灰岩质碎石，粒径５～２５ｍｍ连续级配，含泥量０．４％，针片状含量１．７％。Ｖ６３０型清水混凝土专用聚羧酸减水剂。ＬＨ－７０ＭＲ非速溶型纤维素醚，分子量２０万。矿物掺合料：Ｉ级粉煤灰，细度≤１２％（０．０４５ｍｍ方孔筛筛余），需水量比９２．６％；硅灰，比表面积２×１０４ｍ²／ｋｇ，ＳｉＯ２含量９０％。拌合用水为自来水。

　　２配合比设计

　　２．１设计思路

　　应用于建筑工程领域的清水混凝土，为了实现低含气量要求，坍落度控制较小，难以满足桥梁工程混凝土密实施工要求。另外，不同强度等级混凝土的胶凝材料用量不同，采用普通混凝土配合比设计方法制备的混凝土工作性能差异大，匀质性差，易出现色差、气孔等缺陷，既影响构件表观质量，又影响耐久性。

　　实现桥梁清水混凝土高工作性能、高耐久性的设计思路与技术途径主要有：采用基于分子链组成结构设计的专用聚羧酸系减水剂，提高混凝土工作性能，减少用水量，降低含气量。掺优质矿物掺合料，改善混凝土工作性能，优化孔结构，增加密实度，减小体积变形［９－１０］。对于低强度等级混凝土（Ｃ４０及以下），提高矿物掺合料掺量，适当提高砂率；对于高强度等级的混凝土（Ｃ５０及以上），优化减水剂掺量，适当降低水泥用量和砂率，结合增粘剂［１１－１６］，控制浆体粘度，减小集料相对移动，保持不同密度胶凝材料均匀分散，提高混凝土的匀质性。

　　２．２配合比与物理力学性能

　　基于密实骨架堆积理论，根据提出的混凝土配合比设计思路，制备了Ｃ３０～Ｃ５０桥梁高性能清水混凝土，配合比与物理力学性能如表２所示。混凝土包裹性与流动性好，初始坍落度在２００ｍｍ以上、扩展度在５００ｍｍ以上，１ｈ后坍落度仍大于１８０ｍｍ、扩展度大于４２０ｍｍ，损失较小，工作性能与力学性能满足设计要求。


    ３匀质性测试分析与讨论

　　以Ｃ３０混凝土为基准，分别采用纤维素醚与硅灰作为增粘剂，通过对混凝土含气量、浆体粘度，以及硬化试件３ｄ龄期时上、中、下不同部位显微硬度的测试，探讨增粘剂对混凝土匀质性的影响规律，以实现对匀质性的控制。

　　３．１测试方法

　　新拌混凝土含气量采用ＬＣ６１５Ａ型含气量测定仪，按《普 通 混 凝 土 拌 合 物 性 能 试 验 方 法 标 准》（ＧＢ／Ｔ　５００８０—２００２）进 行 测 试。浆 体 粘 度 采 用ＤＶ－Ｓ型 旋 转 粘 度 计，按 《粘 度 测 试 方 法 》（ＧＢ　１０２４７—２００８）进行测试。根据《金属维氏硬度试验方法》（ＧＢ／Ｔ　４３４０．１—２００９），采用ＨＶ－１０００Ｚ显微硬度计测试混凝土试件３ｄ显微硬度值，如图１、图２所示。由于粉煤灰活性较低，如其上浮形成富集，则该区域胶凝材料水化相对较慢，整体强度低，表面显微硬度均值较其它区域低。

　　３．２纤维素醚对匀质性的影响

　　纤维素醚对混凝土性能的影响如表３所示。可见，随纤维素醚掺量增加，浆体旋转粘度值与混凝土含气量随之上升，流动性下降，硬化试件表面上、下部显微硬度值之差逐渐减小（如图３）。当其掺量达到５×１０－５（占胶凝材料总量）时，混凝土含气量为２．０％，粘度值为１　９６０ＭＰａ·ｓ，坍落度大于１８０ｍｍ、扩展度大于５００ｍｍ，工作性能较好；试件表面上、下部显微硬度值之差为１２．１４　ＨＶ，显微硬度相当，匀质性较好。而当掺量达到６×１０－５时，含气量与浆体粘度显着增加，混凝土工作性能劣化明显，已不能满足桥梁施工要求。

　　纤维素醚对水泥基材料的增粘效果来自于纤维素醚溶液的粘性［１２－１３］。纤维素醚分子可以吸附和固化一部分拌合水后膨胀，使拌合水粘度增加。同时，其分子链之间相互缠绕，形成三维网络结构，也能增加溶液粘度。从而使得粉煤灰等移动阻力增加，增强了混凝土拌合物的抗分散能力，防止各组分之间分层、离析和泌水，提高混凝土匀质性。但其掺量越高，粘度越大，排气不畅而导致混凝土含气量增加，且流动性下降，工作性能退化。当粘度过高后，混凝土流动度损失明显，需增加用水量以满足工作性能要求，从而降低混凝土密实度，并对强度造成一定的影响［１４］，因此，需严格控制其掺量。

　　３．３硅灰对匀质性的影响

　　表４为硅灰对混凝土匀质性影响测试结果。研究表明，随硅灰掺量提高，浆体旋转粘度值随之上升，混凝土的含气量则下降，坍落度与扩展度下降明显，硬化混凝土试件表面上、下显微硬度值差也随之降低（如图４所示）。当硅灰掺量为６％时，混凝土的含气量为１．５％，浆体旋转粘度值为１　９２０ＭＰａ·ｓ，粘度适中，混凝土工作性能良好，试块表面上、下部显微硬度值相当接近，匀质性好。而当掺量达到８％时，虽然试块表面上、下部显微硬度值基本一致，但混凝土已十分粘稠，流动性与施工性能很差。

　　硅灰增强混凝土浆体粘度的关键在于其颗粒形态效应与分散作用［１０］。硅灰的比表面积大，颗粒呈球形状，平均粒径细小，约比水泥颗粒粒径小两个数量级，比粉煤灰颗粒粒径小一个数量级，其具有高度的分散性和较大的表面能。因此，硅灰可以充分的填充在水泥与粉煤灰颗粒之间，减少填充水量，降低孔隙率，同时也能堵塞浆体泌水通道，阻碍粉煤灰的移动，从而提高浆体硬化后的密实度与均匀性。硅灰的火山灰活性较强，可迅速与浆体中的水反应，形成较多的絮凝结构，使浆体粘度，降低流动性，增加集料相对移动的阻力，保持混凝土各组分分布的均匀性。

　　另外，由于硅灰颗粒比表面积大，虽然其掺加减少了填充水量，但同时也需要增加表层水的用量，因此在掺量过多的情况下，致使浆体密度变大，粘度过高，导致混凝土流动性下降明显，工作性能劣化明显。

　　３．４微观结构分析

　　分别对掺５×１０－５纤维素醚和掺６％硅灰量的混凝土试件进行破碎，取其上、中、下３个不同部位的砂浆样品进行了ＳＥＭ观测，结果如图５、图６所示。可以看出，在两类试件中集料与水化产物界面过渡区较饱满，结构密实，基本没有微裂缝；上、中、下３个不同部位的粉煤灰分布较均匀，未出现粉煤灰上浮富集现象。可见，通过掺加适量增粘剂，控制浆体粘度，可保持混凝土良好的工作性能，且能有效避免粉煤灰上浮，提高混凝土的匀质性。

　　４工程应用

　　四川省遂广高速公路桥梁工程的主梁、墩柱均采用清水混凝土设计方案，施工初期，混凝土设计制备时未进行匀质性控制，墩柱（Ｃ３０）在混凝土分层浇筑处出现了明显的色差和分层，取混凝土拌合物静置后发现表面有明显深色漂浮物，如图７、图８所示。分析认为，混凝土中粉煤灰掺量高且为颜色偏深的二级灰，坍落度较大（＞２２０ｍｍ），粘聚性差，匀质性不良，导致振捣后粉煤灰上浮。

　　根据项目研究成果，采用密实骨架堆积法对集料组成进行设计，适当调整砂率，采用专用外加剂，掺加２×１０－５～３×１０－５纤维素醚（对已进场的外加剂，复掺５×１０－５纤维素醚），提高混凝土拌合物粘度，增强粘聚性与粘结力。并适当延长混凝土拌合物的搅拌时间，实时测试混凝土拌合物的工作性能，根据实际情况对外加剂掺量、用水量以及增粘组分掺量进行调整，保持混凝土浇筑时坍落度在１６０～１８０ｍｍ，且混凝土施工过程中加强振捣与养护。调整后的混凝土匀质性较好，静置后或浇筑振捣过程中均未出现粉煤灰上浮，墩柱、主梁表面光亮、色泽均一，外观效果得到有效改善，如图９、图１０所示。

　　５结论

　　１）根据桥梁结构特点，提出了桥梁清水混凝土的配合比设计思路与高性能化技术途径，制备出均质性好且工作性能与力学性能优良的Ｃ３０～Ｃ５０高性能清水混凝土，并应用于实际桥梁工程。

　　２）通过对混凝土拌合物含气量、硬化试件不同部位的显微硬度与微观结构的测试研究表明：对于Ｃ３０桥梁清水混凝土，当掺５×１０－５纤维素醚或掺６％硅灰时，混凝土含气量不超过２％，密实性好；浆体旋转粘度值在１　９００～２　０００ ＭＰａ·ｓ之间，粘度适中，工作性能较好；试件表面不同部位显微硬度值接近，混凝土匀质性好。以纤维素醚或硅灰为增粘剂，可以有效调整浆体粘度，改善混凝土的匀质性，提高密实度。

　　参考文献：

　　［１］李强，李辛民，孟闻远，等．我国清水混凝土技术发展现状、存在问题及对策［Ｊ］．建筑技术，２００７，３８（１）：６－８．Ｌｉ　Ｑ，Ｌｉ　Ｘ　Ｍ，Ｍｅｎｇ　Ｗ　Ｙ，ｅｔ　ａｌ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｆｉｎｉｓｈｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｏｕｒ　ｃｏｕｎｔｒｙ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄ　ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ［Ｊ］．Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７，３８（１）：６－８．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）

　　［２］陈晓芳．高性能饰面清水混凝土及其施工技术的研究［Ｄ］．广州：华南理工大学，２０１１．

　　［３］Ｈｕｒｄ　Ｍ　Ｋ．Ａｖｏｉｄｉｎｇ　ａｒｇｕｍｅｎｔｓ　ｏｖｅｒ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌｃｏｎｃｒｅｔｅ［Ｊ］．Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，１９９０（９）：２８－３０．

　　［４］黄路．城市高架桥混凝土外观质量控制［Ｄ］．重庆：重庆交通大学，２００８．