粉煤灰掺量对清水混凝土表观影响研究

文摘 2024-11-15 07:00 河南

清水混凝土（Architectural concrete）是一种通过一次型浇筑成型，不通过任何表面装饰工程，直接以混凝土自身表面或者用透明保护材料处理后的表面作为建筑装饰面的混凝土。清水混凝土不仅凸显了混凝土简约自然大气的艺术美感，同时还不需要过多的面层装饰，极大地节约了资源和成本，符合环保节能理念，使得清水混凝土工程建设在国内逐渐推广流行，如联想研发中心、港珠澳大桥东西人工岛、雄安客运站候车厅。

与此同时，由于清水混凝土工程大面积的推广应用，逐步引发了诸多学者对清水混凝土的质量控制和评价的研究工作。

罗源兵等通过单因素研究了粉煤灰掺量对C50清水混凝土表观质量的影响，结果表明10%粉煤灰掺量时，混凝土气孔面积比和色差较小，超过10%后呈劣化趋势。

肖东辉等通过优选20%粉煤灰和25%矿粉复掺制备预制箱梁用清水自密实混凝土，具有良好的工作性能优和清水镜面效果。

牟廷敏等通过外加剂调节C50清水混凝土浆体黏度，当混凝土黏度值在2440～2890MPa•s时工作性能良好，粉煤灰无上浮，混凝土表面色泽均匀美观。

王龙志等利用气孔法研究了清水混凝土浇筑阶段的小球上浮排出时间和清水混凝土成品表观效果之间的关系，结果表明气孔法可有效预判清水混凝土表观质量。

张建雄、孟亚锋、李刚等人采用图像分析软件对采集到的混凝土表观图片进行量化统计分析，根据色差、气孔大小和数量等评价了清水混凝土的表观质量，结果表明借助图像分析方法，能够准确评判清水混凝土表观质量。

目前，对于常规清水混凝土的基本性能及表观质量分析和评判依据进行了大量的研究，然而针对满足实际工程中“大面积无规则流线型多曲面”复杂结构施工要求的自密实清水混凝土的表观影响研究还鲜有报道。

本研究基于深圳湾文化广场清水混凝土工程“大面积无规则流线型多曲面”的结构特点，研究了不同粉煤灰掺量对清水混凝土工作性能、力学性能的影响。利用ImageProPlus图像分析软件对清水混凝土表面进行图像处理和分析，提出清水混凝土的色差、气孔数量、孔径分布和面积率等表观质量量化评价指标。最后，将优选的自密实清水混凝土配比应用于深圳湾文化广场清水混凝土工程。这对于粉煤灰在更多大型复杂曲面结构清水混凝土工程中的应用提供了重要的参考价值和借鉴意义。

1工程概况

深圳湾文化广场项目位于深圳市南山区后海中心，项目用地面积约5.1万m²，总建筑面积约18.8万m²。

如图1所示，建筑中展厅、咖啡厅、中央大厅、下沉广场、连接通道、主要建筑物-摄云石、望云石内外都存在大面积无规则流线型多曲面结构特征的混凝土施工设计。为达到建筑物整体美观的效果，项目需要使用约1.1万m³C40标号原色清水混凝土。结合工程大面积无规则流线型多曲面的复杂结构特点，所使用的清水混凝土需要满足可泵送、自密实、质量稳定的工作性能要求，塌落度要求在180～220mm，扩展度要求在450～600mm。清水混凝土成型养护后清水效果能通过现行清水混凝土相关标准对颜色、气泡、裂缝、光洁度等外观质量检验项目的要求。

2试验原材料及方法

2.1试验原材料

⑴水泥：英德海螺产P•O42.5级普通硅酸盐水泥，具体性能指标如表1所示。

⑵粉煤灰：妈湾电厂产F类II粉煤灰，如图2（a）所示，外观颜色为暖灰色，如图2（b）所示，5000倍电镜观测展现了较好的颗粒圆球度，其粒径分布为1～20μm。具体性能指标如表2所示。

⑶细骨料：东莞产氯离子检验合格水洗砂，细度模数为2.6，颗粒级配为II区，表观密度为2590kg/m³，堆积密度为1500kg/m³，含泥量为1.0%，泥块含量为0.1%。

⑷粗骨料：福建产玄武岩碎石，5～25mm连续级配，表观密度为2620kg/m³，堆积密度为1450kg/m³，针片状为4.3%，压碎指标为6.6%，含泥量为0.2%，泥块含量为0.1%。

⑸外加剂：佛山华轩产FST-6聚羧酸高性能缓凝减水剂，固含量为10.18%，水泥净浆流动度为220mm。

⑹纤维：深圳博士特产玄武岩纤维，长度为12mm，直径为18μm，拉伸强度为2196MPa，弹性模量为40.67GPa。

⑺水：自来水。

⑻成型模板：志艺产14mm厚覆膜建筑木模板。

2.2试验配合比

依据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》的体积法和JGJ169-2009《清水混凝土应用技术规程》，清水混凝土的设计配合比如表3所示。

2.3试验方法

⑴工作性能：流动度、倒置塌落度筒排空时间，参照GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》。

⑵力学性能：3d、7d、28d抗压强度，参照GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》。

⑶表观质量：

实验室小尺寸试验：选用两块300mm×300mm实际工程用覆膜建筑木模板作为观测面模板，如图3（a）所示，制作300mm×300mm×60mm规格尺寸的木模盒，接缝处用防水胶带密封防止漏浆，作为清水混凝土试件成型模具。混凝土拌合均匀后分3层装模振捣成型。带模养护3d后拆模，如图3（b）所示立即用密封袋密封好试件在(20±2)℃温度环境下自养护28d。

28d龄期时，如图4所示，采用支架固定600W像素的Hikvision工业相机镜头在试件正上方向90°垂直角度方向、固定拍摄距离为30cm，置于室内无强光线直射环境下来拍摄放有0.1mm精度标尺的不同粉煤灰掺量混凝土表观图片。考虑到模板质量和边界影响，取试件表观更好一面的中间250mm×250mm区域进行图像分析。使用ImageProPlus6.0图像处理软件对不同粉煤灰掺量清水混凝土表观质量图进行测量，包括分析图像灰度标准差、统计气孔孔径分布和气孔面积率，具体分析步骤如下：

⑴灰度标准差：如图5（a）所示，将带有0.1mm精度标尺的不同粉煤灰掺量28d清水混凝土表观图片用图片处理软件截取中间250mm×250mm区域保存成图片，导入ImageProPlus6.0软件中，将RGB图像转化为灰度图像，再根据灰度图像各像素点的灰度直方图计算灰度标准差，如式（1）所示，以此表征清水混凝土表面色差。

⑵气孔孔径分布和气孔面积率：如图5（b）所示，将不同粉煤灰掺量的28d清水混凝土表观图片导入ImageProPlus6.0软件中，根据图片上0.1mm精度标尺校准设置图像标尺，通过设置图像RGB数值范围选中并标记气孔，对中间250mm×250mm区域的气孔的尺寸和面积率进行测量及统计。

不同粉煤灰掺量清水混凝土的表观质量参照表4进行定量评价，以各个评价项目得分最低的等级作为综合评价等级。

现场足尺试验：如图6所示，根据清水施工部署，选取有代表性的大面积无规则流线型多曲面结构部位，现场1:1足尺浇筑样板，带模养护3d后拆模，润湿混凝土后覆膜养护，28d龄期时参照JGJ169-2009《清水混凝土应用技术规程》进行表观评价。

3结果分析

3.1工作性能

图7为不同粉煤灰掺量对混凝土工作性能的影响。

由图7可知，随粉煤灰掺量的增加，清水混凝土的坍落度和扩展度逐渐增大、倒置塌落度筒排空时间逐渐减小，表明粉煤灰的掺入可以显著改善清水混凝土的流动性。

粉煤灰掺量从0%增加至20%时，清水混凝土工作性能明显改善，流动扩展度由355mm增至500mm，坍落度由160mm增至200mm，倒置排空时间由15.0s减至9.8s。当粉煤灰掺量为20%时，清水混凝土的流动性、黏聚性和保水性均良好，浆体分布均匀，能够满足自密实清水混凝土的工作性能要求。这是因为粉煤灰呈球形颗粒且粒径小，掺入混凝土中可以起到轴承滚珠的形态效应和微集料效应，减少浆体颗粒之间的摩擦粘聚，填充在空隙中，从而改善混凝土的和易性。当粉煤灰掺量超过20%，流动性小幅增加或持平，粉煤灰掺量从20%增加至40%时，流动扩展度增加70mm，坍落度增加10mm，倒置排空时间减少1.7s。同时，当粉煤灰掺量增至30%时，开始出现和易性劣化，浆体包裹性变差骨料和浆体开始出现分离。当粉煤灰掺量增至40%时，浆体包裹性进一步变差，如图8所示，骨料和浆体出现明显分离，表层出现泌水并出现不均匀浮浆，拌合物气孔明显增加。

这是因为当粉煤灰掺量超过20%以后，胶凝体系需水量进一步减少，浆体粘度减小开始出现骨料分离和泌水现象，粉煤灰掺量过大后含有的未燃尽碳或油分积累漂浮在混凝土表面形成肉眼可见的黑灰，同时含有的氮氧化合物遇碱后易产生氨气等使得混凝土中气泡增多。

3.2力学性能

图10为不同粉煤灰掺量对清水混凝土力学性能的影响。

由图10可知，随粉煤灰掺量的增加，清水混凝土的抗压强度均逐渐降低，而随着养护龄期的增加，抗压强度逐渐增长。3d龄期时，0～40%粉煤灰掺量清水混凝土试件抗压强度分别为39.0MPa、34.7MPa、30.7MPa、23.6MPa、21.1MPa，其中20%至30%粉煤灰掺量组抗压强度降幅最大，达到7.1MPa。7d龄期时，0～40%粉煤灰掺量清水混凝土试件抗压强度分别为48.5MPa、44.6MPa、37.6MPa、31.3MPa、28.8MPa，其中0%和10%粉煤灰掺量组抗压强度达到C40混凝土强度等级要求，10%至20%粉煤灰掺量组抗压强度降幅最大，达到7.0MPa。28d龄期时，0～40%粉煤灰掺量清水混凝土试件抗压强度分别为55.1MPa、53.6MPa、51.0MPa、45.3MPa、42.0MPa，28d抗压强度均超过40.0MPa，满足C40混凝土强度等级要求，其中20%至30%粉煤灰掺量组抗压强度降幅最大，达到5.7MPa。综上所述，10%和20%粉煤灰掺量下，清水混凝土的早期和后期强度下降幅度较小，当粉煤灰掺量超过20%后，清水混凝土的早期和后期强度较基准组下降幅度较大。这是因为粉煤灰属于潜在的火山灰活性矿物掺合料，需要和水泥水化产生的水化产物-氢氧化钙发生二次水化反应。混凝土早期强度主要是由硅酸盐水泥水化产物胶结提供的，粉煤灰掺量越多，水泥组分就越少，抗压强度也就越低。随着龄期增长，粉煤灰开始参与水化生成水化产物并提供强度，掺加粉煤灰组别和纯水泥基准组的混凝土抗压强度差逐渐减小。

3.3表观质量

图11为不同粉煤灰掺量下的清水混凝土28d表观图像灰度分布曲线图。为反映表观图像各像素点灰度分布的离散程度，用以表征清水混凝土表面色差，根据式（1）计算得到相应的灰度标准差，结果如图12所示。

从图11可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，各掺量组28d清水混凝土的表面灰度分布曲线呈现向灰度等级小的方向偏移且频率峰值逐渐降低的趋势，说明随着粉煤灰掺量的增加，清水混凝土表面颜色逐渐加深变黑，和原图表观照片呈现的越来越暗的规律一致。这是因为粉煤灰掺量越多，28d龄期时水化程度越低颜色会偏暗，加之粉煤灰中含有的未燃尽碳或油分累积漂浮在混凝土表面形成黑灰，导致表观颜色逐渐偏黑。

从图12可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，清水混凝土试件灰度标准差逐渐增大。当粉煤灰掺量在0～20%时，清水混凝土试件灰度标准差均小于12，按照表4评价标准为优；当粉煤灰掺量超过20%时，清水混凝土试件灰度标准差为12.50～12.77，按照表4评价标准降为良。这是因为粉煤灰颜色和水泥有一定差异，圆球形颗粒需水量小于水泥，掺量较小时，混凝土浆体颜色比较均匀灰度色差较小，当粉煤灰掺量超过20%后浆体黏度下降成型过程中振动容易出现分层和浮浆，且粉煤灰中含有的未燃尽碳或油分漂浮也在混凝土表面形成明显的黑灰进一步增加试块表面的色差，导致表观图像灰度标准差的增加。

图13为不同粉煤灰掺量清水混凝土试件中间250mm×250mm选定区域的表观气孔情况。通过ImageProPlus6.0软件对试件选定区域的气孔的数量、直径和面积率进行测量及统计，结果见表5。可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，28d清水混凝土的气孔数量、最大直径和面积率先出现小幅增加，超过20%粉煤灰掺量后增幅较大，气孔直径和面积率的表观评级由优降为不及格。这是因为当粉煤灰掺量超过20%后，混凝土浆体中的粉煤灰含有的氮氧化合物遇碱后易产生氨气等，使得混凝土中气泡增多，部分小气泡聚合形成孔径更大的气孔，硬化后导致混凝土的气孔数量增加，孔径变大，整体气孔面积占比增大，表观质量劣化趋势增大。

4工程应用

结合上述实验室小尺寸构件研究中不同粉煤灰掺量对清水混凝土的工作性能、力学性能和表观质量的影响规律的探究，考虑到深圳湾文化广场清水混凝土项目存在大面积无规则流线型多曲面结构特征，结合结构尺寸的放大效应，优选20%粉煤灰掺量清水混凝土组，作为工程用C40泵送自密实原色清水混凝土配合比，用于项目清水混凝土结构浇筑。成型养护至28d龄期后，参照清水混凝土应用技术规程标准，由混凝土表观质量检验员站立距离5米观测清水混凝土在工程中外立墙面、曲面异性立柱、连廊方格异形梁板、内部大跨度流线曲面空间等现场足尺构建部位的应用效果，如图14所示，各结构清水混凝土整体表观色泽均匀，无明显气孔裂缝、光洁度好，整体清水应用效果优良。

5结论

⑴粉煤灰内掺取代水泥时，混凝土的流动性得到明显改善，当粉煤灰掺量增加至20%时，清水混凝土流动扩展度为500mm，坍落度200mm，倒置排空时间为9.8s，混凝土拌合物流动性、黏聚性和保水性良好，浆体稳定分布均匀，能够满足大面积无规则流线型多曲面结构对自密实清水混凝土的工作性能要求。

⑵粉煤灰内掺取代水泥时，同龄期混凝土抗压强度逐步减小，随着龄期增加后期抗压强度逐步增大，28d龄期时各粉煤灰掺量组抗压强度均高于40.0MPa，满足C40标号混凝土抗压强度要求。

⑶利用图像分析方法，量化评价清水混凝土的图像色差、气孔孔径分布、气孔面积率等参数，以各个评价项目得分最低的等级作为综合评价等级，可以对清水混凝土表观质量进行准确的综合量化评估。

⑷粉煤灰内掺取代水泥时，表观质量先小幅降低仍为优，粉煤灰掺量20%时，清水混凝土试件灰度标准差为10.68、气孔最大直径为1.97mm、气孔面积率为0.20%，各项表观质量评价项目的综合评价均为优，超过20%后出现较大劣化，表观质量由优降至不及格。

⑸基于深圳湾文化广场“大面积无规则流线型多曲面”结构特点的清水混凝土工程，综合考虑对清水混凝土的工作性能、力学性能和表观质量的要求，优选20%粉煤灰掺量组作为自密实清水混凝土配合比，在工程实际应用中整体清水效果优良。

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