清水混凝土在市政桥梁工程中的应用

廖志良

【摘 要】单位从清水混凝土表面常见缺陷及可能产生的原因、施工验收标准、原材料选用与控制、配合比设计与验证、施工工艺、养护、修补、成品保护等全过程精心考虑、严格控制、全面布局。

【关键词】全过程；精心考虑；严格控制；全面布局

清水混凝土俗称无表面装饰的混凝土（也称绿色混凝土），是指混凝土构筑物拆模后，不再对其表面进行装修，视觉上保持其混凝土本色。上海S26-2标入城段工程桥梁则是由北通往世界进口博览会中心的交通要道，设计方提出该桥立柱为高2m～23m，长*宽为2.1m*1.8m双立柱形式；盖梁采用双立柱带预应力大挑臂盖梁形式，强度等级为C40，业主为了充分体现上海绿色环保理念，此部位均采用清水混凝土现浇施工，表面要求平整光洁、线条顺直、而且要有一种悦目的混凝土本色，将混凝土表面的色差控制到最小。中铁大桥局施工单位从清水混凝土表面常见缺陷及可能产生的原因、施工验收标准、原材料选用与控制、配合比设计与验证、施工工艺、养护、修补、成品保护等全过程精心考虑、严格控制、全面布局，于博览会开幕式前100天胜利完成。

一、表面常见质量缺陷及可能产生的原因

施工前，单位根据以往经验、结合本工程具体情况，充分考虑混凝土表面可能出现以下七个类型：

（1）色差。产生原因：搅拌时间不够；原材料变化及配料偏差；浇筑过程中的离析作用；模板不同吸收作用或模板漏浆，脱模剂施工不均匀或养护不稳定。

（2）蜂窝麻面。产生原因：细骨料不足；振捣不充分；接缝不密闭。

（3）气泡。产生原因：混凝土拌合物含砂过多；模板不吸水或模板表面湿润性能不良；振捣不足；外加剂中引气剂含量过多。

（4）黑斑。产生原因：脱模剂不纯或使用过量；来自模板上的铁锈。

（5）花纹或粗骨料的透明层。产生原因：混凝土含砂低；胶结材料偏少；粗骨料粒形不好；光滑或扭曲的模板；振捣过度。

（6）表面泌水现象。产生原因：砂率小；外加剂添加过量；坍落度太大；模板吸水能力和刚度不够或表面有水。

（7）表面裂纹。产生原因：混凝土单方用水量过大；水灰比太大；模板吸收能力差；养护不够；脱模太早。

二、清水混凝土施工验收标准

依据现行《混凝土结构工程施工及验收规范》、《清水混凝土应用技术规程》标准，建设、监理单位协商依据实际情况又增加三个标准进行施工控制和验收：

（1）平整度、垂直度的控制：表面平整度不大于2mm，层间垂直度不大于3mm。

（2）表面观感：杜绝出现蜂窝麻面，基本消除表面气泡。混凝土表面气孔直径介于0.8mm～2mm，不应出现2.5mm以上的气孔。

（3）颜色均匀一致，色调为青灰色。

三、原材料选用与控制

清水混凝土最大特点是颜色一致、无色差，首先在视觉上给人一种美感。施工关键除原材料选择外还应遵循两个原则，一是是否有利于改善混凝土拌合物的和易性，减少离析和泌水；二是是否有利于提高混凝土硬化后的视觉效果。

（1）水泥

1.1水泥含碱量，由于清水混凝土缺乏装饰层的保护，受自然环境的影响较大，混凝土中大部分的碱来自于水泥，防止硬化后的混凝土经干湿循环会在混凝土表面泛碱，影响外观颜色，所以优先考虑碱含量低的水泥。

1.2水泥颜色对混凝土的颜色起决定作用，水泥颜色的选择要看水泥水化反应后的颜色与清水混凝土要求颜色是否接近，既使用同一水泥厂家，也会因生产工艺或掺合料不同导致水泥的颜色差异，尽量选择有较大生产规模，能保证连续、稳定供货，确保配制出的混凝土颜色一致的厂家。

1.3水泥保水性、水泥与外加剂的适应性对混凝土也起关键作用，如果保水性好、适应性好将有利于提高混凝土拌合物的保水性，保坍性，减少离析和泌水。

1.4水泥水化热，水化热是混凝土发生温度变化而导致体积变化的主要根源。通过调整配合比可以大量降低普通水泥的单方用量，起到减小水化温升的差异。

本单位工程选择C3A含量低、C2S含量高的“海螺”牌P.O42.5水泥，碱含量≤0.49%，细度≤330m2/kg，水化后形成的混凝土颜色为明快的青灰色调。其化学成分见表1。

（2）粉煤灰

现清水混凝土常掺入粉煤灰，因其有三大效应：形态效应、活性效应和微集料效应。这三个效应共存于一体且相互影响，對清水混凝土不仅有效节省成本，还可以改善混凝土和易性、降低混凝土水化热，对混凝土裂缝控制等都有好处。选用时除了考虑其活性外，还应着重考虑其细度和颜色。颜色反映了含碳量的多少。含碳量的多少常用烧失量来表示。烧失量越大，未燃尽碳的含量越多，掺入混凝土后，往往会增加新拌混凝土用水量，造成混凝土泌水增多，干缩变大，降低了耐久性和观感，颜色偏差就大；细度指标越大，粉煤灰越粗，从而也影响粉煤灰的需水量、活性和混凝土拌合物和易性等。总之烧失量大，细度大，则需水量大，混凝土质量越难控制。美国材料试验协会（ASTM）经过长期研究，用细度和烧失量的乘积作为组合因子来评价粉煤灰的品质，并建立了需水量比与组合因子的线性回归方程：需水量比=2.6+0.086*组合因子。英国则根据此组合因子将粉煤灰分为若干等级（见表1）。

参照我国现行标准用单因子水平评价的指标并结合美国标准用组合因子的评价指标，本单位选用了太仓捷杰当地电厂的I级粉煤灰，需水量比小于95%，烧失量小于5%，细度为8%～12%标准。其化学成分见表2：

粉煤灰是清水混凝土中的关键组成部分，目前市场也紧缺，掺假现象也严重，各种不稳定的、不同颜色的粉煤灰不断出现。在进料环节中，单位也采用了不同的方法与手段加以控制，如单位强制要求在每次进料中加强监控，加大原材料抽样频次；每次采用放大镜检测玻璃球体、密度；将粉煤灰加入热水中或与水泥掺和搅拌后出闻是否有氨气排出；增加混凝土检测频率；测含气量；凝结时间等，并将不同批次粉煤灰检测结果作对比分析。

（3）矿渣粉

矿渣粉是将符合国家标准规定的粒化高炉矿渣经干燥、粉磨（或加入少量石膏一起粉磨）达到相当细度且符合活性指數要求的粉体。混凝土中掺入适量的矿渣粉，能有效的降低水化热，，能显著的改善新拌混凝土的工作性和硬化混凝土的密实性和抗碳化性能，提高其耐久性。该高架桥选用上海宝田厂生产的矿渣粉S95，比表面积≥4200cm2/g，28天活性指数≥95%，流动度比≤102%。其化学成分见表2。

（4）骨料

骨料分为粗骨料和细骨料两种，粗、细骨料的质量与用量对清水混凝土质量控制不可低估，因骨料使用量占清水混凝土体积65%～75%，首选目标必须粒形良好，质地均匀坚固，花岗岩、硬质砂岩和石灰岩最佳；而细骨料过多或过少都会影响混凝土拌合物的流动性和粘聚性，在选材上单位做了大量的配制优化试验，使骨料能达到最小空隙率和最大容重。

碎石级配：通过改变5mm～16mm和10mm～25mm碎石搭配比例，进行紧密密度试验，最终按4：6搭配粗骨料的紧密密度最大、空隙最小。

砂率：采用同一配合比，改变砂率进行对比试验，通过对拌合物的和易性、混凝土强度的综合评定选出合适的砂率。砂率较小时骨料空隙大，需水泥浆用量多，混凝土拌合物易发生流浆等离析现象；砂率较大时，需水泥包裹的骨料总表面大，水泥浆用量多，或者混凝土拌合物易发生干涩和离析现象，施工时易产生粗骨料沉在模板底部，砂浆上浮，造成混凝土不均匀的现象，即我们平时常说的色班。

骨料含泥量和泥块含量要求严格，单位优先选用II区天然低碱性中砂，含泥量≤1%，粗骨料选用低碱性碎石，含泥量≤0.7%，吸水率<2.0%，针片状含量≤3%。

（5）外加剂

外加剂品质是不容忽视的，外加剂匀质性指标和水泥相容性是成功配置清水混凝土的基本条件，且质量及应用技术还应符合相关环境保护的规定。

市场上减水剂中一般都复合了引气剂，优质引气剂产生气泡直径较小，且分布均匀，目前工程中大都不再选用木钙、十二烷类的引气成分，这类引气成分引入的气泡直径大且稳定性差。

外加剂中不应有增稠组分，增稠不利于混凝土中气泡的排出。

外加剂的减水率要适中且稳定，并非越大越好，减水率过高会引起混凝土单方用水量过于敏感，混凝土坍落度不好控制。

另外着重考虑掺外加剂混凝土性能指标，即与水泥及掺合料的适应性、保水性、碱含量和凝结时间等。适应性好，可以有效的控制混凝土拌合物的坍落度损失，适应性不好，配制出的混凝土就会出现泌水，坍落度损失大等现象；外加剂保水性好，减少混凝土拌合物的离析和泌水；碱含量对硬化混凝土外观的影响和水泥一样，碱含量越低越有利于硬化混凝土外观颜色的控制；缓凝结时间不宜长，否则影响拆模时间、拆模效果及表面色差，混凝土凝结时间宜控制在12h以内。因此，我们通过大量的试配最终单位选用聚羧酸系减水剂VIVID-500型，且与该P.O42.5水泥及掺合料有相对良好的相溶性，即使在掺量较低时也具有高流动性、保坍性；减水和增稠效果也较好；混凝土分层和泌水现象得到较大改善；抗离析能力大大提高，非常适宜与此水泥配制清水混凝土。

所以选择优质的原材料是控制色差的源头，也是生产出高质量清水混凝土的前提，在施工时单位将各类原材料均安排采购同一厂家、同一批次、颜色和技术参数一致的产品、且储量充足。如施工高架桥墩柱与盖梁中，我们采购P.O42.5水泥一次购进500T，减水剂30T，粉煤灰400T，矿渣粉300T，砂石料各3000M3，其中水泥的存放期在3个月以内，所进的原材料设专人管理。

四、配合比设计与验证

混凝土配合比设计时，除了满足设计要求强度和耐久性外，着量考虑清水混凝土拌合物和易性。试验以三个不同水胶比为基准，调整不同掺和料掺量，依据考核指标：和易性、扩展度、含气量、坍落度、坍落度损失、初凝时间、终凝时间、表观颜色及气泡分布情况、强度，我们特地使用实际工程中的模板制作500mm×500mm×100mm类似大试模，用于检测成型混凝土外观质量。试验结果如表3：

（1）从强度上看，各组试配都能满足强度要求，但水胶比过大胶凝材料过小时，混凝土易泌水，外观质量也不理想。

（2）从表中可以看出，双掺掺和料混凝土坍落度、坍落度损失、含气量等性能均优于单掺粉煤灰。

（3）外观方面，单掺与双掺和混凝土成型后色泽稍有差异，双掺呈浅灰色到青色过渡。另外，双掺的混凝土用肉眼基本上看不出表面气泡，单掺粉煤灰的表面气泡粒径稍大，但分布均匀，这说明磨细矿渣粉更有利于混凝土中气泡的排出。通过以上对比试验，5号配合比各项性能均满足要求，表观颜色更接近青灰色且胶凝材料用量在350～ 400 kg/m3之内。为了验证其在现场施工中能否得到同样的效果，在5号配合比基础上调整砂率±2%，模拟施工现场操作，分别采用不同的装料方式成型大样模块6块（500mm×500mm×100mm），用振捣棒振捣，振捣时间25秒，振捣间距200mm，观察混凝土是否泌水、离析及成型后表面光洁度及色差变化。试验过程及结果如表4：

结果表明混凝土的工作性好，振捣不泌水，脱模后表面色泽均匀，无明显气泡，可以完全满足业主对清水混凝土的要求。最终确定配合比如表5：

五、施工工艺

（1）混凝土保护层

混凝土保护层直接决定了建筑的结构性、耐久性和功能性。如保护层过小，易造成结构下沉开裂，以及混凝土中的碱性反应提前使得钢筋氧化、生锈膨胀、造成混凝爆裂；如保护层过大，使得混凝土处于无筋状态，产生裂缝。针对此工程，单位采用了日式（日本）规定，保护层不得大于80mm，且不得有负偏差，其余按设计施工，并采用以下控制妙招：1、合理选择和设置垫块或垫片，使钢筋铺设在正确位置；2、垫块选择（混凝土制、钢制、塑料制）：a、砂浆制垫块强度低、持久性有欠缺，规定不得使用，b、塑料垫块稳定性、刚性、耐火性有欠缺，限于墙侧、柱侧、两侧；c、垫块强度需用同等或高于浇筑混凝土强度等级；3、采用定制的钢制支撑构件，混凝土表面处需做防锈处理；4、垫层尺寸、钢制支撑构件制定计划，用于每个部分的垫块采用色彩识别来区别，并经过监理单位核准；5、铺设马道，专设施工通道，防止随意踩踏钢筋。

（2）模板与脱模剂

清水混凝土的质量特征均与模板有关，钢模板强度高、韧性好、加工性能好、具有足够的刚度、可周转、支拆方便等，效果明显优于竹胶板。本单位根据该工程的实际施工条件，均采用了钢模板施工。

钢模板安装前，首先进行模板的试安装，为了防止由于时间过长导致边框处或拼接处产生磨损，并导致漏浆情况的发生，提前在钢板之间连接处加装螺丝或是限位钉进行有效防护；为保证模板间不漏浆，在模板缝中贴双面胶，保证间隙连续紧密；对模板平接和阳角面板的拼缝采用模板拼接缝与止水泡沫棒双重措施；对阴角模板与大模板之间通过专用连接螺栓和多道阴角压槽来保证再用勾头螺栓紧固。

脱模剂的选择，由于市面上种类较多，单位指定专业人员根据施工需要进行购买，避免选择不当面造成资金损失或延误施工进度；在选择时注意是否具有一定含量的光亮剂，并在大批量进行购买前先进行小样实验，确定其脱模表面光滑后再进行引入。单位最终选择了模板漆，因它完全干燥固化后不会黏附在混凝土表面，即使有小面积颜色较深可用磷酸配成溶液，对混凝土表面进行擦洗，再用钢刷刷洗，使其先变成白色，后恢复成混凝土本色，如颜色污染轻，可采用漂白剂进行擦洗。

（3）生产、浇筑及振捣

生产过程混凝土的拌制采用自动计量装置，并对其自动上料系统、水、外加剂计量系统进行周期性检定，特别是外加剂与水每次都是采用加水法进行校定重量与密封性；生产时控制搅拌时间，宜在150s ～180s，保证出站混凝土均匀稳定，无明显色差，和易性良好，坍落度离差小，并对首盘混凝土坍落度的测定，当混凝土坍落度有明显变异时，及时分析，并调整施工配合比。运输过程中，确保混凝土在1.5h内浇筑完毕，合理调配车辆，坍落度控制范围不超过30mm，现场严禁向罐内随意加水。混凝土运到浇筑现场时，先检查混凝土和易性和坍落度。如果采用“二次添加減水剂”的措施调整混凝土的坍落度时，应保证添加减水剂后搅拌均匀，防止因减水剂未搅拌均匀对混凝土颜色的影响。

浇筑过程应紧凑连续，间隔时间不超过30分钟，每层水平浇筑的厚度应均匀，且不宜超过30cm，宜一次连续灌筑，上下层的浇筑间歇时间不应大于混凝土的初凝时间；浇筑时，减小混凝土入模时的落差，入模口至灌筑面高度不得超过2m，落差越大混凝土越易离析，超过2m在布料管上接一软管（或串筒），伸到模板内，控制下料高度。

振捣是提高混凝土密实性的关键，不漏振，不过振，尤为重要，根据不同的浇筑部位选用振捣器材和确定振捣参数。振动器的频率和振幅宜低不宜高，高频和高振幅的振动器更容易使混凝土出现泌水。振捣棒为频振捣器，50棒为主，30棒为辅（作用半径50棒应为52.5cm取50cm，30棒应为40.5cm取40cm）。为减少混凝土的表面气泡，严格控制振捣时间和振捣棒插入下一层混凝土的深度，保证深度在5cm～10cm，每棒的移动距离为40cm，振捣时间以混凝土翻浆不再下沉和表面无气泡泛起为止，一般为15s左右。且振捣器操作工应经过培训，振捣工序应由专人负责，振捣要快插慢拔，振点从中间开始向四周分布，布捧均匀，层层搭扣，特别是浇筑到顶部时暂停1h，待混凝土下沉收缩后再作二次振捣，以消除因沉降而产生的顶部裂缝。

（4）拆模

清水混凝土拆模时间除了依据相关规范外，宜晚不宜早。如果拆模早，混凝土结构表面的水泥水化少、强度低、不但影响混凝土表面的光亮度，还易产生表面裂缝。一般情况下，拆模时间不应早于规范要求的拆模时间，规范无要求时，拆模时间不早于24h，按终凝时间的两倍为佳操作。

清水混凝土拆模时温度（由水泥水化热引起）不能过高，温差大混凝土接触空气时降温过快而开裂，禁止此时浇注凉水养护；混凝土内部开始降温以前以及混凝土内部温度最高时也不得拆模，防止混凝土收缩开裂明显影响外观。

清水混凝土拆模顺序必须在结构混凝土强度达到设计要求，按立模顺序反向进行，各紧固件依次拆除后，轻轻将模板撬离，在确认模板与混凝土结构之间无任何连接后，方可起吊模板，且不得碰撞混凝土成品。拆模后如表面有粗糙、不平整、缺棱掉角等不良外观应认真分析缺隙产生的原因，不得自行处理。

六、养护

清水混凝土养护从混凝土初凝后开始，养护用水应洁净，养护用的覆盖物不允许掉色，防止养护对混凝土的颜色产生污染。养护分带模养护和脱模后养护，带模养护只在混凝土的上表面进行保水养护，脱模后养护涵盖整个混凝土结构的外露面；洒水养护时，先将混凝土结构的侧面和底面充分湿润，然后再由顶面洒水，因混凝土顶面因水分蒸发，混凝土会析出一定量的碱和外加剂，洒水时会将这部分碱和外加剂冲下，如果侧面和底面的混凝土干燥，顶面流下的水会渗入，对侧面和底面混凝土的外观造成污染；对于不能保水养护的部位，采用养护剂养护。总之养护水温度与混凝土表面温度差不得大于15℃，混凝土的芯部与表层、表层与环境之间的温差不宜超过20℃（截面较为复杂时，不宜超过15℃），同时养护时间不宜小于14天。

七、修补

清水混凝土虽然美观以及牢固，但不可避免意外发生，为了有效地降低意外概率，单位采取了一定的修补手段。比如1、混凝土表面产生气泡或孔眼：单位在确定混凝土完全干透后，采用同种材料在损坏处进行涂抹修补，等修补处的材料硬化后，再进行二次打磨，使整体看不出差异为止。2、混凝土的裂缝：裂缝出现的原因有二种，一种是在材料上选择不严谨，由于材料不合格致使其在浇筑中由于温度变化过大而产生裂缝；另一种是由于在浇筑中施工人员没有掌握好速度，而致使裂缝产生。所以单位施工中防止意外产生，首先选择质量良好的材料，其次控制好浇筑速度，并在分层时进行压实工作。但倘若裂缝已经发生，则采用与上述问题类似的方法进行修补。

八、成品保护

清水混凝土的后续施工工序，不得损伤或污染前面工序已完成的清水混凝成品；必要时接触点应垫橡胶板，避免损伤。

在工程交工前，用塑料薄膜进行保护，防止混凝土表面受到污染。

通过宣传提高现场人员的自觉保护混凝土成品的意识。

不允许擅自对混凝土成品表面进行修补与表面喷涂施工。

九、小结

清水混凝土施工在国外已经很成熟和应用也普遍，但在我国它才刚刚起步，通过这次市政桥梁的使用，越来越被业主们所接受。可以预见，清水混凝土建筑将成为上海建筑流派的主角之一，具有很大的发展空间和良好的发展前景。

【参考文献】

（一）WittmannFH高性能混凝土材料特性与设计〔M〕.北京：中国铁道出版社.1998年.

（二）申臣良，等.清水混凝土施工技术探讨〔J〕. 《北京混凝土》2005年第1期.

（三）郑立新，清水混凝土在工程中的应用 〔J〕 《安徽建筑》2008（01）：46-48.