摘要：

根據橋梁工程結構特點，提出了橋梁清水混凝土的配合比優(yōu)化設計方法，制備出粘聚性與包裹性好、流動度佳，且具有優(yōu)良力學性能的C30～C50高性能清水混凝土。通過對混凝土拌合物含氣量、硬化試件不同部位顯微硬度與微觀結構的測試，分析了增粘劑對其勻質性的影響規(guī)律。試驗表明：對于C30橋梁清水混凝土，摻5×10-5的纖維素醚或摻6%的硅灰時，混凝土的含氣量不超過2%，漿體旋轉粘度值在1 900～2 000 MPa·s之間，試件不同部位顯微硬度值接近，勻質性好，結構密實。

關鍵詞：

清水混凝土；增粘劑；勻質性；顯微硬度

中圖分類號：

U444；TU528

文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2015）01011706

Design method and homogeneity control of bridge fairfaced concrete

Zhou Xiaojun1，Mou Tingmin2，Ding Qingjun3，Nie Chuanzhen3

（1School of Architecture and Civil Engineering， Xihua University， Chengdu 610039， P.R.China； 2Sichuan Provincial Transport Department Highway Planning Survey Design and Research Institute， Chengdu 610041， P.R.China； 3State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， P.R.China）

Abstract：

According to the structural characteristics of bridge engineering， the mix optimization design method of bridge fairfaced concrete was presented， and C30～C50 concrete with high cohesion and package， outstanding fluidity and excellent mechanical properties were prepared. Through the test of air content of fresh concrete， micro hardness and micro structure in different parts of hardened concrete specimens， effects of viscositymodifying admixtures on homogeneity of concrete were discussed. The results showed that the composition of bridge fairfaced concrete were relatively homogeneous， and the microstructure were relatively dense. When C30 concrete mixed with 5 × 10-5 cellulose ether or 6% silica fume （mass fraction of cementitious material）， air content of fresh concrete were less than 2%， and slurry viscosity values were between 1 900 and 2 000 MPa·s. Also， the micro hardness values in different parts of hardened concrete specimens were closed. The results were applied in practical bridge engineering， which generally meets the apparent quality requirements of bridge fair faced concrete.

Key words：

fairfaced concrete； viscositymodifying admixture； homogeneity； micro hardness

清水混凝土分為普通、飾面和裝飾清水混凝土3類，其具有質樸厚實、素面朝天的外觀特性，并省掉了抹灰和裝飾等工序，被行業(yè)內稱為“綠色混凝土”[14]。清水混凝土已有一定的研究和發(fā)展，但多集中在建筑工程領域，且非常注重其表面平整光滑、棱角分明的藝術效果[28]。橋梁工程的服役環(huán)境、施工工藝等與建筑工程差異較大，一般采用普通清水混凝土，只要求表面平整光滑且無明顯色差、氣孔等，而對飾面裝飾效果沒有特殊要求，目前有關橋梁清水混凝土的設計制備與性能研究還較少，不利于其推廣應用[46]。橋梁結構構造復雜、配筋率高、預應力鋼束密集，混凝土應具有很好的工作性能以滿足密實施工要求；另外，橋梁不同結構部位的混凝土強度等級不同，但普通混凝土配合比設計方法缺乏針對性，設計的不同強度等級混凝土工作性能差異顯著，勻質性較差，無法達到工程整體清水效果[4]。

因此，需要根據橋梁工程結構特點，研究橋梁清水混凝土的設計方法與勻質性控制技術，改善混凝土工作性能，保證構件外觀質量，提高結構安全與耐久性，為工程應用提供技術支撐。

周孝軍，等：橋梁清水混凝土設計方法與勻質性控制

1原材料

PO.425水泥，主要化學成分如表1所示。天然河砂，細度模數25，含泥量18%，泥塊含量03%。石灰?guī)r質碎石，粒徑5～25 mm連續(xù)級配，含泥量04%，針片狀含量17%。V630型清水混凝土專用聚羧酸減水劑。LH70MR非速溶型纖維素醚，分子量20萬。礦物摻合料：I級粉煤灰，細度≤12%（0045 mm方孔篩篩余），需水量比926%；硅灰，比表面積2×104m2/kg，SiO2含量90%。拌合用水為自來水。

表1水泥化學組成（質量分數，%）

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

SiO2Al2O3CaOFe2O3MgONa2OfCaOSO3Loss

2075591632142024300612115107

2配合比設計

21設計思路

應用于建筑工程領域的清水混凝土，為了實現低含氣量要求，坍落度控制較小，難以滿足橋梁工程混凝土密實施工要求。另外，不同強度等級混凝土的膠凝材料用量不同，采用普通混凝土配合比設計方法制備的混凝土工作性能差異大，勻質性差，易出現色差、氣孔等缺陷，既影響構件表觀質量，又影響耐久性。

實現橋梁清水混凝土高工作性能、高耐久性的設計思路與技術途徑主要有：采用基于分子鏈組成結構設計的專用聚羧酸系減水劑，提高混凝土工作性能，減少用水量，降低含氣量。摻優(yōu)質礦物摻合料，改善混凝土工作性能，優(yōu)化孔結構，增加密實度，減小體積變形[910]。對于低強度等級混凝土（C40及以下），提高礦物摻合料摻量，適當提高砂率；對于高強度等級的混凝土（C50及以上），優(yōu)化減水劑摻量，適當降低水泥用量和砂率，結合增粘劑[1116]，控制漿體粘度，減小集料相對移動，保持不同密度膠凝材料均勻分散，提高混凝土的勻質性。

22配合比與物理力學性能

基于密實骨架堆積理論，根據提出的混凝土配合比設計思路，制備了C30～C50橋梁高性能清水混凝土，配合比與物理力學性能如表2所示?；炷涟耘c流動性好，初始坍落度在200 mm以上、擴展度在500 mm以上，1 h后坍落度仍大于180 mm、擴展度大于420 mm，損失較小，工作性能與力學性能滿足設計要求。

表2混凝土配合比與物理力學性能

Table 2Concrete mix proportion and the physical mechanical properties

標號

配合比/（kg·m-3）

石子砂粉煤灰水泥水外加劑

坍落度/mm

0 h1 h

擴展度/mm

0 h1 h

抗壓強度/MPa

7 d28 d

C301 038785100280152418200185510425355412

C401 10173480340143546215200545460397556

C501 13569580400144768230215580505512672

3勻質性測試分析與討論

以C30混凝土為基準，分別采用纖維素醚與硅灰作為增粘劑，通過對混凝土含氣量、漿體粘度，以及硬化試件3 d齡期時上、中、下不同部位顯微硬度的測試，探討增粘劑對混凝土勻質性的影響規(guī)律，以實現對勻質性的控制。

31測試方法

新拌混凝土含氣量采用LC615A型含氣量測定儀，按《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080—2002）進行測試。漿體粘度采用DVS型旋轉粘度計，按《粘度測試方法》（GB 10247—2008）進行測試。根據《金屬維氏硬度試驗方法》（GB/T 43401—2009），采用HV1000Z顯微硬度計測試混凝土試件3 d顯微硬度值，如圖1、圖2所示。由于粉煤灰活性較低，如其上浮形成富集，則該區(qū)域膠凝材料水化相對較慢，整體強度低，表面顯微硬度均值較其它區(qū)域低。

圖1顯微硬度測試樣品

Fig.1Specimen of micro hardness test

32纖維素醚對勻質性的影響

纖維素醚對混凝土性能的影響如表3所示?？?/p>

圖2顯微硬度測定

Fig.2Micro hardness measurement

見，隨纖維素醚摻量增加，漿體旋轉粘度值與混凝土含氣量隨之上升，流動性下降，硬化試件表面上、下部顯微硬度值之差逐漸減?。ㄈ鐖D3）。當其摻量達到5×10-5（占膠凝材料總量）時，混凝土含氣量為20%，粘度值為1 960 MPa·s，坍落度大于180 mm、擴展度大于500 mm，工作性能較好；試件表面上、下部顯微硬度值之差為1214HV，顯微硬度相當，勻質性較好。而當摻量達到6×10-5時，含氣量與漿體粘度顯著增加，混凝土工作性能劣化明顯，已不能滿足橋梁施工要求。

圖3纖維素醚對試件顯微硬度的影響

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

表3纖維素醚對混凝土勻質性的影響

Table 3Influence of cellulose ether on concrete homogeneity

纖維素醚

摻量/（10-5）

含氣量/

%

粘度值/

（MPa·s）

坍落度/

mm

擴展度/

mm

顯微硬度平均值HV

上部下部上下部差值

0141 3201905509548171817633

2161 5202005509644149665322

3171 84020052512529158023273

4181 9201955801613918362220

5181 96019555018968201821214

6253 000445185

纖維素醚對水泥基材料的增粘效果來自于纖維素醚溶液的粘性[1213]。纖維素醚分子可以吸附和固化一部分拌合水后膨脹，使拌合水粘度增加。同時，其分子鏈之間相互纏繞，形成三維網絡結構，也能增加溶液粘度。從而使得粉煤灰等移動阻力增加，增強了混凝土拌合物的抗分散能力，防止各組分之間分層、離析和泌水，提高混凝土勻質性。但其摻量越高，粘度越大，排氣不暢而導致混凝土含氣量增加，且流動性下降，工作性能退化。當粘度過高后，混凝土流動度損失明顯，需增加用水量以滿足工作性能要求，從而降低混凝土密實度，并對強度造成一定的影響[14]，因此，需嚴格控制其摻量。

33硅灰對勻質性的影響

表4為硅灰對混凝土勻質性影響測試結果。研究表明，隨硅灰摻量提高，漿體旋轉粘度值隨之上升，混凝土的含氣量則下降，坍落度與擴展度下降明顯，硬化混凝土試件表面上、下顯微硬度值差也隨之降低（如圖4所示）。當硅灰摻量為6%時，混凝土的含氣量為15%，漿體旋轉粘度值為1 920 MPa·s，粘度適中，混凝土工作性能良好，試塊表面上、下部顯微硬度值相當接近，勻質性好。而當摻量達到8%時，雖然試塊表面上、下部顯微硬度值基本一致，但混凝土已十分粘稠，流動性與施工性能很差。

圖4硅灰對試件顯微硬度的影響

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

硅灰增強混凝土漿體粘度的關鍵在于其顆粒形態(tài)效應與分散作用[10]。硅灰的比表面積大，顆粒呈球形狀，平均粒徑細小，約比水泥顆粒粒徑小兩個數量級，比粉煤灰顆粒粒徑小一個數量級，其具有高度的分散性和較大的表面能。因此，硅灰可以充分的填充在水泥與粉煤灰顆粒之間，減少填充水量，降低孔隙率，同時也能堵塞漿體泌水通道，阻礙粉煤灰的移動，從而提高漿體硬化后的密實度與均勻性。硅灰的火山灰活性較強，可迅速與漿體中的水反應，形成較多的絮凝結構，使?jié){體粘度，降低流動性，增加集料相對移動的阻力，保持混凝土各組分分布的均勻性。另外，由于硅灰顆粒比表面積大，雖然其摻加減少了填充水量，但同時也需要增加表層水的用量，因此在摻量過多的情況下，致使?jié){體密度變大，粘度過高，導致混凝土流動性下降明顯，工作性能劣化明顯。

34微觀結構分析

分別對摻5×10-5纖維素醚和摻6%硅灰量的混凝土試件進行破碎，取其上、中、下3個不同部位的砂漿樣品進行了SEM觀測，結果如圖5、圖6所示?？梢钥闯?，在兩類試件中集料與水化產物界面過渡區(qū)較飽滿，結構密實，基本沒有微裂縫；上、中、下3個不同部位的粉煤灰分布較均勻，未出現粉煤灰上浮富集現象?？梢姡ㄟ^摻加適量增粘劑，控制漿體粘度，可保持混凝土良好的工作性能，且能有效避免粉煤灰上浮，提高混凝土的勻質性。

表4硅灰對混凝土勻質性的影響

Table 4Influence of silica fume on concrete homogeneity

硅灰摻量/%

含氣量/%

粘度值/

（MPa·s）

擴展度/

mm

坍落度/

mm

顯微硬度平均值HV

上部下部上下部差值

0141 3205501909536172077671

2221 12060020010626171016484

4211 52051020015459185863127

6151 9205101701762018185565

818300150208082086052

圖5摻纖維素醚試件SEM圖（×5 000）

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

圖6摻硅灰試件SEM圖（×5 000）

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

4工程應用

四川省遂廣高速公路橋梁工程的主梁、墩柱均采用清水混凝土設計方案，施工初期，混凝土設計制備時未進行勻質性控制，墩柱（C30）在混凝土分層澆筑處出現了明顯的色差和分層，取混凝土拌合物靜置后發(fā)現表面有明顯深色漂浮物，如圖7、圖8所示。分析認為，混凝土中粉煤灰摻量高且為顏色偏深的二級灰，坍落度較大（>220 mm），粘聚性差，勻質性不良，導致振搗后粉煤灰上浮。

圖7不摻增粘劑混凝土

Fig.7Concrete mixture without viscositymodifying admixture

圖8不摻增粘劑墩柱

Fig.8Pier column pouring by concrete without viscositymodifying admixture

根據項目研究成果，采用密實骨架堆積法對集料組成進行設計，適當調整砂率，采用專用外加劑，摻加2×10-5～3×10-5纖維素醚（對已進場的外加劑，復摻5×10-5纖維素醚），提高混凝土拌合物粘度，增強粘聚性與粘結力。并適當延長混凝土拌合物的攪拌時間，實時測試混凝土拌合物的工作性能，根據實際情況對外加劑摻量、用水量以及增粘組分摻量進行調整，保持混凝土澆筑時坍落度在160～180 mm，且混凝土施工過程中加強振搗與養(yǎng)護。調整后的混凝土勻質性較好，靜置后或澆筑振搗過程中均未出現粉煤灰上浮，墩柱、主梁表面光亮、色澤均一，外觀效果得到有效改善，如圖9、圖10所示。

圖9摻增粘劑混凝土

Fig.9Concrete mixture mixed with viscositymodifying admixture

圖10摻增粘劑墩柱

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

5結論

1）根據橋梁結構特點，提出了橋梁清水混凝土的配合比設計思路與高性能化技術途徑，制備出均質性好且工作性能與力學性能優(yōu)良的C30～C50高性能清水混凝土，并應用于實際橋梁工程。

2）通過對混凝土拌合物含氣量、硬化試件不同部位的顯微硬度與微觀結構的測試研究表明：對于C30橋梁清水混凝土，當摻5×10-5纖維素醚或摻6%硅灰時，混凝土含氣量不超過2%，密實性好；漿體旋轉粘度值在1 900～2 000 MPa·s之間，粘度適中，工作性能較好；試件表面不同部位顯微硬度值接近，混凝土勻質性好。以纖維素醚或硅灰為增粘劑，可以有效調整漿體粘度，改善混凝土的勻質性，提高密實度。

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（編輯王秀玲）