模板体系对虎门二桥桥墩清水混凝土构件表观质量的影响研究

2021-03-24张保童

广东土木与建筑 2021年3期

张保童

（中铁建南沙投资发展有限公司广州511458）

清水混凝土以自然色作为装饰面，不仅绿色环保，而且符合一定的设计美学要求，在越来越多的标志性建筑中应用，如珠港澳大桥、虎门二桥、国家体育馆等［1］。

清水混凝土的表观质量评价主要包括颜色、气孔数量、裂隙、光洁度、粗糙度，还应该满足一定的强度要求［2］。模板体系是外观质量的重要影响因素［3］，包括模板材质及内饰材料［4-6］，就前者而言，目前我国市政及民用建筑中最常用的为大型钢模和质量较好的胶合板，其中钢模板具有单块面积大、刚度好的特点，混凝土面平整度极佳，基本上达到高级抹灰标准，但由于模板表面张力大且极易生锈，拆模后的混凝土外观质感生硬、无光泽，并存在较多气孔，假如有疏松的氧化物附着，易形成色差［7］。另外，大型钢模板一次投入大，周转率低，往往需二次改造，经济效果差。而竹木胶合板一次投入小、周转率高、切割加工方便，因此应用较为广泛，均达到抹灰标准。但竹木胶合板刚度差，遇水容易发生膨胀、曲翘，且易出现龟裂，如施工过程中不严格控制，拆模后混凝土表面极易出现瑕疵，且有木屑附着，平整度欠佳。

随着设计要求的不断提高，为使清水混凝土表面光洁如镜、平整无缺陷，混凝土表观质量的影响研究越来越受到众多学者重视。如黄雪林等人［8］通过在减水剂中复配消泡剂，一定程度提高了混凝土强度，减少了混凝土表面大于1 mm大气孔量；梁大源等人［9］通过优化的机制砂石粉含量、粉煤灰掺量、砂率，确定配合比，成功地改进机制砂混凝土面层光洁度；孟书灵等人［10］利用钢模具及水性脱模剂结合，使得混凝土表现出自密实性能，且在混凝土外观上较好地体现清水表观性能；李静等人［11］发现再生大骨料在混凝土中存在抽水效应，废弃混凝土块在完全饱和状态下，抽水效应弱，新生混凝土外观平整密实；刘志国［12］从施工中成型与振捣、脱模剂选择等方面提出了T 型梁马蹄部位表观质量控制技术；王胜等人［13］将BIM 技术与三维扫描技术应用到酒店工程混凝土表观质量的研究中；封金财等人［14］提出了再生混凝土外观质量等级的模糊综合评判方法。

以上研究主要针对混凝土表观质量影响因素以及模板对施工可靠性的影响方面，而在模板及内饰材料组成的模板体系对混凝土表观质量的影响方面，研究较少。模板体系是施工后清水混凝土外观质量的重要影响因素，因此本文基于耐久性设计和原材料优选结果，通过虎门二桥具体混凝土构件推荐配合比，开展了4种模板体系对清水混凝土外观影响与试块强度室内试验，对比各种脱模剂对清水混凝土外观质量的影响差异，为虎门二桥桥墩施工和编写清水混凝土施工质量控制指南提供参考。

1 虎门二桥桥墩基本情况

虎门二桥工程选址广东省珠江三角洲地区，属广东省高速公路网规划的联络线，西起番禺区东涌镇，与珠二环南环高速公路对接，沿线跨越大沙水道、坭洲水道，在东莞市沙田镇虎门港登陆后穿越沙田镇、厚街镇，最终与广深高速公路对接。该工程上游距珠江黄埔大桥约20 km，下游距虎门大桥约10 km，周围水域分布包括广州港、虎门港等在内的十余个港区，物流运输频繁，该工程的建成为促进珠三角经济再发展，改善珠江两岸交通流结构，完善广东省高速公路网，保障珠江两岸交通安全起到至关重要的作用。

虎门二桥总长度12.891 km，主体结构由包括坭洲水道桥和大沙水道桥在内的2 座大跨径悬索桥组成，设置东涌、骝东、海鸥岛和沙田4处互通立交，其中3 处为枢纽式互通立交，引桥采用30.0～62.5 m 跨径预应力混凝土桥。主桥梁索塔为天圆地方的结构形式，为配合刚柔相济、动静相宜、阴阳平衡的建筑思想，工程拟选用不加任何装饰的清水混凝土施工工艺，以混凝土自然饰面效果体现天然、庄重、朴素的建筑风格，建成后成为该行政区域的标志性建筑。

2 实验模板与材料

2.1 实验模板

为了研究不同模板体系对清水混凝土构件外观质量的影响，本研究浇筑长方体试验墩，试验墩的4个侧面采用4种不同的模板内饰材料。墩身试浇段尺寸为2.0 m×2.0 m×1.5 m（长×宽×高），长方体的4 个立面（每个面3 m2）使用4 种不同的模板内饰材料，分别为钢模板+透水模板布、钢模板+模板漆、钢模板+脱模剂、钢模板+PVC 板材。为了减少模板对浇筑混凝土的影响，模板在使用前需要对内表面进行清洗和刷漆（见图1），试浇段内的主筋和箍筋的尺寸、间距按虎门二桥桥墩的实际墩柱进行布置。

图1 模板处理Fig.1 Concrete Formwork Processing

2.2 清水混凝土配合比

根据配合比研究成果［15-16］，针对引桥墩柱的设计要求和现场原材料供应情况，优选清水混凝土配合比，确定现场施工用清水混凝土配合比。实验采用C40 混凝土配合比，与虎门二桥桥墩配合比相同。C40桥墩混凝土的配合比为水泥∶粉煤灰∶矿粉∶砂∶碎石∶水∶外加剂=260∶80∶70∶740∶1 065∶158∶3.69。

2.3 原始材料颜色

为了评价成型后混凝土桥墩的外观质量，需要记录混凝土配料的原始颜色。通过色卡比对，建立水泥、粉煤灰、矿渣粉等胶凝材料的颜色资料，检测骨料含泥量并建立档案。水泥、粉煤灰、矿渣粉的颜色如表1所示。

表1 混凝土原始材料颜色记录Tab.1 Color Record of Concrete Raw Materials

3 实验结果

3.1 实验墩外观颜色

根据实验设计，组装实验墩模板体系，将试验墩4个面分别支撑不同的模板体系，按照混凝土施工规范要求浇筑、振捣，成型后的混凝土实验墩如图2所示。

采用色卡比对分别记录钢模板+透水模板布、钢模板+模板漆、钢模板+PVC 板材、钢模板+脱模剂4 个面不同时间的混凝土表面颜色，如表2所示。

图2 拆模后试验墩外观Fig.2 Appearance of Test Pier after Demoulding

表2 试验墩外观颜色记录Tab.2 Color Record of Test Pier Appearance

通过4 个面的颜色比对可以发现，不同的模板体系使得成型后的混凝土表面颜色存在差异，其中采用透水模板布的面1在成型后颜色介于水泥与粉煤灰颜色之间，其余几个面的颜色均与原材料粉煤灰相似，面1的外观亮度好于其他3个面。

3.2 外观质量检验

为了定量评价不同模板体系下混凝土表面的外观质量，采用HC-CK102 裂隙检测仪对每个面的气泡与裂隙数量进行测量，并对每个面的颜色与光洁度进行定性描述，如表3所示。

表3 试验墩外观质量检验Tab.3 Appearance Quality Inspection of Test Pier

通过测量发现由钢模板+透水模板布形成的面1的气泡面积率相对于其他3 种模板体系最小，只有0.1‰，且单个气泡最大直径不大于8 mm，深度不大于2 mm。由钢模板+PVC 板材形成的面3 的气泡面积率最大，达到0.4‰。试验墩3个面均存在裂隙，其中面1裂缝的宽度最小，只有0.01 mm，其他几个面的裂隙宽度小于0.20 mm，且长度不大于1 000 mm。将色卡比对、距离墙面5 m 观察，发现面1 的大部分区域颜色均匀，但位于边角的颜色偏暗，存在分层缝。其他几个面颜色都比较均匀。试验墩4 个面均无漏浆、流淌及冲刷痕迹，无油迹、墨迹及锈斑，无粉化物，光洁度较好。

4 脱模剂对清水混凝土构件表观质量的影响研究

根据第3 节外观实验结果可知，采用脱模剂的模板体系对施工后的混凝土外观质量和强度影响均优于其他模板体系，但是脱模剂的类型很多，为了选择对设计混凝土配合比施工最有效果的脱模剂，开展不同施工方式、4 种常用类型脱模剂硬化混凝土外观的影响研究。

4 种常用脱模剂分别是液压油、苏博特油性脱模剂、苏博特水性脱模剂以及花王水性脱模剂，施工方式采用刷涂、喷涂两种。混凝土成型尺寸为40 cm×40 cm×20 cm 小型试件，分两次布料振捣棒振捣，振捣时间控制在60 s。实验试件28 d 以后脱膜效果如图3所示。

图3 不同脱模剂对清水混凝土构件表观质量的影响试验Fig.3 The Effect of Different Release Agents on the Apparent Quality of Fair-faced Concrete Components

开展不同施工方式、4 种常用类型脱模剂硬化混凝土的外观效果如表4所示。喷涂苏博特油性脱模剂与花王水性脱模剂模板成型混凝土的外观，在气泡、颜色、光泽度、触感上基本相同，只是苏博特水性脱模剂成型混凝土颜色稍微深一点，且局部区域有一些不易察觉的浅色斑。刷涂花王水性脱模剂模板成型混凝土的外观，其气泡、颜色与光泽度与喷涂花王水性脱模剂的基本一致，但在部分区域存在刷涂脱模剂不均匀而产生的刷痕，手触摸可以感受到刷痕产生的粗糙感。钢模板自身带有铁锈、坑洼等缺陷时，受模板的铁锈和坑洼影响，混凝土表面也带有锈迹并产生了粗糙不均匀的小坑，影响了外观和触感。

5 结果分析与应用

通过上述模板体系与脱模剂实验，发现按照虎门二桥桥墩C40混凝土设计配合比施工时，采用钢模板+脱模剂的模板体系混凝土外观裂隙与气孔数量都比较小，混凝土强度能够满足要求，且花王水性脱模剂能使混凝土外观呈现理想效果。所以在虎门二桥桥墩施工时推荐采用钢模板+花王水脱模剂模板体系，并采用喷涂的方式施工，成型后的清水混凝土表面无蜂窝、麻面，外表呈灰白色，有光泽、无裂隙（见图4）。