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

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表面粗糙度對顏色的影響心理物理學(xué)家研究表明，人們對亮度的感覺主要與物體表面對光的漫反射有關(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。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，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。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，對有孔隙的物體而言，其所處周圍空氣的相對濕度越大、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。所以，冬季或雨季，混凝土的臨界半徑值相對較大，表面孔隙內(nèi)部含水相對較多，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，孔隙相對小的顏色較深，相對大的顏色較淺。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)致密性對顏色的影響研究表明：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脸尚驮缙冢瑲溲趸}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。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。3清水混凝土配合比調(diào)控技術(shù)3.1和易性對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、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。

另外，做清水混凝土試配時(shí)，可關(guān)注塑性粘度的指標(biāo)。3.2配合比參數(shù)對混凝土性能的影響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。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?。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0.5h，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。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，且對混凝土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有明顯的效果，對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、粒徑與級配對混凝土的均勻性、尤其是對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，砂的級配對混凝土的保水性或泌水性有較大的影響。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)級配；砂：細(xì)度模數(shù)2.4；水：自來水；減水劑：MASTERGLENIUMSKY8325；減縮劑：MASTERLIFESRA815。混凝土配合比及工作性能結(jié)果見表1。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?；炷帘砻骖伾木鶆蛐允紫润w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