清水混凝土在桥梁建筑中的配合比设计

　　清水混凝土又称装饰混凝土，一次浇注成型，表面平整光滑、色泽均匀、棱角分明、无碰损和污染，只是在表面涂一层或两层透明的保护剂，显得十分天然，庄重。本篇建筑学术论文认为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。

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　　根据桥梁工程结构特点，提出了桥梁清水混凝土的配合比优化设计方法，制备出粘聚性与包裹性好、流动度佳，且具有优良力学性能的C30～C50高性能清水混凝土。通过对混凝土拌合物含气量、硬化试件不同部位显微硬度与微观结构的测试，分析了增粘剂对其匀质性的影响规律。试验表明：对于C30桥梁清水混凝土，掺5×10-5的纤维素醚或掺6%的硅灰时，混凝土的含气量不超过2%，浆体旋转粘度值在1 900～2 000 MPa·s之间，试件不同部位显微硬度值接近，匀质性好，结构密实。

　　关键词：清水混凝土;增粘剂;匀质性;显微硬度

　　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”[14]。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[28]。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[46]。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著，匀质性较差，无法达到工程整体清水效果[4]。

　　周孝军，等：桥梁清水混凝土设计方法与匀质性控制

　　1原材料

　　PO.425水泥，主要化学成分如表1所示。天然河砂，细度模数25，含泥量18%，泥块含量03%。石灰岩质碎石，粒径5～25 mm连续级配，含泥量04%，针片状含量17%。V630型清水混凝土专用聚羧酸减水剂。LH70MR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%(0045 mm方孔筛筛余)，需水量比926%;硅灰，比表面积2×104m2/kg，SiO2含量90%。拌合用水为自来水。

　　表1水泥化学组成(质量分数，%)

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

　　SiO2Al2O3CaOFe2O3MgONa2OfCaOSO3Loss

　　2075591632142024300612115107

　　2配合比设计

　　21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[910]。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 [1116]，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。

　　22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200 mm以上、扩展度在500 mm以上，1 h后坍落度仍大于180 mm、扩展度大于420 mm，损失较小，工作性能与力学性能满足设计要求。

　　表2混凝土配合比与物理力学性能

　　Table 2Concrete mix proportion and the physical mechanical properties

　　标号

　　配合比/(kg·m-3)

　　石子砂粉煤灰水泥水外加剂

　　坍落度/mm

　　0 h1 h

　　扩展度/mm

　　0 h1 h

　　抗压强度/MPa

　　7 d28 d

　　C301 038785100280152418200185510425355412

　　C401 10173480340143546215200545460397556

　　C501 13569580400144768230215580505512672

　　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3 d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。

　　31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DVS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 43401—2009)，采用HV1000Z显微硬度计测试混凝土试件3 d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。

　　图1显微硬度测试样品

　　Fig.1Specimen of micro hardness test

　　32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

　　图2显微硬度测定

　　Fig.2Micro hardness measurement

　　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20%，粘度值为1 960 MPa·s，坍落度大于180 mm、扩展度大于500 mm，工作性能较好;试件表面上、下部显微硬度值之差为1214HV，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著增加，混凝土工作性能劣化明显，已不能满足桥梁施工要求。

　　图3纤维素醚对试件显微硬度的影响

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

　　表3纤维素醚对混凝土匀质性的影响

　　Table 3Influence of cellulose ether on concrete homogeneity

　　纤维素醚

　　掺量/(10-5)

　　含气量/

　　%

　　粘度值/

　　(MPa·s)

　　坍落度/

　　mm

　　扩展度/

　　mm

　　显微硬度平均值HV

　　上部下部上下部差值

　　0141 3201905509548171817633

　　2161 5202005509644149665322

　　3171 84020052512529158023273

　　4181 9201955801613918362220

　　5181 96019555018968201821214

　　6253 000445185

　　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[1213]。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。

　　33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15%，浆体旋转粘度值为1 920 MPa·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。

　　图4硅灰对试件显微硬度的影响

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

　　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。

　　34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。

　　表4硅灰对混凝土匀质性的影响

　　Table 4Influence of silica fume on concrete homogeneity

　　硅灰掺量/%

　　含气量/%

　　粘度值/

　　(MPa·s)

　　扩展度/

　　mm

　　坍落度/

　　mm

　　显微硬度平均值HV

　　上部下部上下部差值

　　0141 3205501909536172077671

　　2221 12060020010626171016484

　　4211 52051020015459185863127

　　6151 9205101701762018185565

　　818300150208082086052

　　图5掺纤维素醚试件SEM图(×5 000)

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

　　图6掺硅灰试件SEM图(×5 000)

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

　　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(>220 mm)，粘聚性差，匀质性不良，导致振捣后粉煤灰上浮。

　　图7不掺增粘剂混凝土

　　Fig.7Concrete mixture without viscositymodifying admixture

　　图8不掺增粘剂墩柱

　　Fig.8Pier column pouring by concrete without viscositymodifying admixture

　　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160～180 mm，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。

　　图9掺增粘剂混凝土

　　Fig.9Concrete mixture mixed with viscositymodifying admixture

　　图10掺增粘剂墩柱

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

　　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。

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文章名称： 清水混凝土在桥梁建筑中的配合比设计

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