清水混凝土概念、研究现状、存在问题及配合比设计方法综述

文摘 2024-11-21 07:03 河南

0 前言

济南轨道交通工程是济南市“十三五”期间重点工程之一。基于“绿色工程、景观工程、耐久工程”的综合考虑。济南轨道交通工程拟建成全国首条全清水混凝土轨道交通工程。

清水混凝土工程自20世纪末以来，在我国得到了长足发展，上海、南京、成都、武汉、郑州等各大城市相续建成了标志性的清水混凝土工程。伴随着对清水混凝土研究的深入，有必要对清水混凝土相关工程与研究成果进行梳理、总结，巩固优势、弥补不足，以更好地促进清水混凝土工程与研究技术水平的提高。本文以济南轨道交通工程为契机，对清水混凝土的概念、研究现状、存在问题及现有清水混凝土配合比设计方法等进行总结，以推动清水混凝土的技术发展与质量提高。

1 清水混凝土概念

1.1 清水混凝土含义

清水混凝土是指一次成型，直接以混凝土原浇筑表面或以透明保护剂做保护性处理后的混凝土表面作为饰面的特种混凝土。其表面平整光滑、无明显色差、棱角分明、无损伤等质量问题.通过自身质感实现清水混凝土“内实外美”的技术要求。

在国外，清水混凝土被称为Fair-faced Concrete、Architectural Concrete、Ascast Finish Concrete、Bare Concrete等，与国内清水混凝土含义相比。国外清水混凝土更强调其装饰功能，更多地倾向于艺术混凝土(Art Concrete)的概念。清水混凝土表面的各种图案、花纹是通过模板纹饰实现的，此图案及花纹使清水混凝土的表现力更丰富，充分实现了建筑的艺术性、美观性。

根据对清水混凝土表观质量的要求程度，清水混凝土可划分为三类：普通清水混凝土、饰面清水混凝土、装饰清水混凝土。普通清水混凝土即表面颜色无明显色差，对饰面效果无特殊要求的清水混凝土.主要是指用于桥梁、水利工程以及工程建筑中的构筑物；饰面清水混凝土表面颜色均一，由有规律排列的对拉螺栓孔眼、明缝、蝉缝、假眼等组合形成的，自然饰面质感效果显著，是我国应用最广泛的清水混凝土；装饰清水混凝土也称艺术清水混凝土.其表面装饰图案、镶嵌装饰片或各种颜色的清水混凝土，是清水混凝土发展的趋势。

1.2 清水混凝土的优势

清水混凝土以其特有表观质量，充分证明和显示了清水混凝土技术的先进性、优越性，其优势具体体现在以下几个方面：

(1)提高了工程质量

清水混凝土不做任何修饰，无明显色差、线条顺畅，集“精、细、美”于一身，是混凝土材料的最高级表达形式。提高混凝土的表观质量.将极大地提高混凝土的力学性能、耐久性能等，消除常规混凝土施工中可能产生的漏浆、裂纹、气孔等问题。

(2)节约了工程成本

具有较高表面质量技术水平的清水混凝土，其无需做任何装饰即可以素颜示人。在民用建筑中，一般稍加修饰；在工业建筑中，无须修饰，取消了抹灰层和面层，节约了大量直接工程成本与间接工程成本，降低了工程综合造价。

(3)提高了建筑企业技术水平和管理水平实现混凝土表观质量的清水状态，需要工程材料技术水平的提高，同时也需要建筑企业先进的施工工艺技术与管理水平。混凝土表观质量的提高与建筑企业技术与管理水平的提高是相互促进的关系，提高混凝土表观质量需要建筑企业具有较高的技术与管理水平，而只有建筑企业具有较高的技术与管理水平才能实现混凝土表观质量的提高，进而提升建筑业企业整体管理水平

(4)推动了混凝土技术发展

提高混凝土表观质量。需要在现有原材料选择、配合比设计、质量控制等基础上进一步完善、研究，以达到清水混凝土的技术要求。清水混凝土要求技术人员在保证其力学性能、耐久性的前提下，提高混凝土的工作性能、表观质量，使混凝土具备“内实外美”的性能。进而推动混凝土技术的发展。

2 国内外研究现状

2.1 国外研究现状

清水混凝土是1835年在肯特的斯旺桑贝建成第一座混凝土住宅开始的，清水混凝土在国外的发展已经历了近200年。20世纪初，法国建筑师勒·柯布西耶实现了清水混凝土粗野主义与典雅主义的有机结合。20世纪60年代，在欧洲、北美洲等发达国家出现了越来越多的清水混凝土建筑。到了20世纪80年代。随着强调高技术、强调建筑结构科技含量的建筑师崛起，形成了以理查德·罗杰斯、诺曼·福斯特等为代表的“高技派”，香港汇丰银行、巴黎史前博物馆等世界知名的艺术类公共建筑即是这一时期的典型作品。

日本是亚洲最早应用清水混凝土这一建筑形式的国家之一。20世纪80年代中后期，日本建筑师安藤忠雄采用防止清水混凝土变色的特殊涂料及常温固化型氟碳树脂涂料，使清水混凝土建筑的表观质量至少保持20年，弥补了清水混凝土建筑表观质量耐久有限、易表面变色等的缺点。之后，日本许多建筑师纷纷效仿，从而引发了清水混凝土设计和应用的高潮。

2.2 国内研究现状

20世纪70年代后期，我国开始尝试清水混凝土技术，最早主要应用于混凝土预制外墙板、桥梁、市政等工程中。然而，随着工程技术人员将目光转移至面砖、玻璃幕墙等外装饰技术上，清水混凝土的应用和研究处于停滞状态。20世纪90年代后期，北京市设立了“结构长城杯”工程奖，极大地推动了清水混凝土技术的发展。使清水混凝土的研究与应用重新发展起来。进入21世纪，清水混凝土在我国已不再局限于道路桥梁、市政等工程当中，在工业与民用建筑中也得到了广泛发展。在我国清水混凝土发展中具有里程碑意义的联想研发基地，标志着我国清水混凝土发展到了一个新的阶段，其被视为“中国首座大面积清水混凝土建筑工程”。

我国清水混凝土经历了原始清水混凝土、清水混凝土、镜面清水混凝土和彩色清水混凝土四个发展阶段。现阶段，清水混凝土和镜面清水混凝土研究较为成熟、应用也最广；而彩色清水混凝土正处于快速发展阶段，彩色清水混凝土技术关键在于原材选择、配合比优化设计等方面。

3 存在问题

清水混凝土以其高质量的外观效果、较低的工程成本和良好的综合效益越来越得到社会的认可，但由于国内清水混凝土的发展时间相对较短、研究还不够深入等原因。导致清水混凝土工程应用中存在着以下不足：

(1)国家现行清水混凝土标准不完善

目前，我国没有明确的清水混凝土施工、质量验收、评价标准，这给清水混凝土工程造成了困惑，也造成了清水混凝土工程质量不统一，甚至质量下降，不利于清水混凝土质量的提高、技术的进步。随着清水混凝土技术的不断推广，我国应该建立一套清水混凝土配合比设计、施工、质量验收、评价的系列标准，以对清水混凝土工程进行规范。并在不断实践中提高清水混凝土质量与技术水平同。

(2)管理水平有待提高

国外清水混凝土工程推广较为容易，不仅体现在完善的标准体系上，还体现在工程管理水平上。从多年工程实践经验看，我国工程管理方面更多体现在“人制”上，没有完善的管理体系、管理制度进行约束或有管理体系、管理制度，但得不到实际的落实。同时，由于清水混凝土技术的应用是近些年出现的。许多单位没有施工经验，仍延用本来就不完善的普通混凝土管理制度，施工质量可想而知。

(3)人员素质需提高

我国普通劳动者多数教育水平偏低。在建筑业更是以年纪偏大、教育水平偏低的临时施工人员占多数。对于普通施工管理人员，虽然接受过相对较高的教育培训，但多数没有清水混凝土施工经验。由于现有混凝土供应都实现了预拌，但预拌混凝土企业鱼龙混杂，能够切实履行施工单位要求的应属少数。上述人员现实情况，对于普通混凝土施工都略显不足，而对于清水混凝土这种对表观质量要求极为严格的工程则更为欠缺。

(4)对清水混凝土认识不清、研究片面针对清水混凝土工程而言，其最直观的表现形式为混凝土，这导致从建设单位、设计单位、施工单位到预拌混凝土企业都认为只要混凝土是清水混凝土，则工程就是清水混凝土工程.而没有意识到清水混凝土工程应该是一个涉及到设计、施工、原材料、管理水平、施工质量、过程控制的系统工程。这种对清水混凝土的认识不清，也体现在清水混凝土研究的片面上。设计领域研究清水混凝土的设计、施工领域研究清水混凝土的施工、材料领域研究清水混凝土的性能，还是没有将清水混凝土工程作为一个系统工程进行统筹研究。

4 清水混凝土配合比设计方法

配合比设计是混凝土技术中的核心技术.对于普通混凝土如此，对于有特殊要求的混凝土更是如此。清水混凝土配合比设计除基于普通混凝土的工作性能、力学性能、耐久性能、经济性考虑外，还需要满足“内实外美”的要求。

4.1 清水混凝土的特征

(1)色泽匀

清水混凝土表面的色泽需均匀，不能出现明显的色差，这是清水混凝土最基本的要求。这就要求清水混凝土的原材料质量稳定、配合比稳定、施工工艺稳定等。任何一个因素的变化都可能对清水混凝土表观色泽造成较大影响。

(2)气泡少

清水混凝土表面不能出现明显气泡，如气泡超出允许的范围内，则需对气泡进行修补，以保证清水混凝土的外观质量。清水混凝土的气泡与清水混凝土浆体的黏度、施工工艺等有很大关系。

4.2 清水混凝土性能的主要影响因素

4.2.1 内因

(1)胶材

胶材的质量、品种、色泽对清水混凝土表观质量有较大影响，同一构件、结构应始终使用同一品种、同一标号、同一厂家的水泥，另外选用混凝土颜色随龄期变化不大的水泥。

矿物掺合料的品种、杂质含量、均匀性同样会影响清水混凝土外观质量。施工中要注意矿物掺合料中油类、漂浮物等对清水混凝土的影响嘲。

(2)骨料

粗骨料级配必须合理。应采用连续级配，严格控制针片状含量及石屑含量不得超标并尽可能低，孔隙率不宜大于42％，含泥量符合相关标准要求。细骨料应级配良好，宜使用中砂，细度模数范围宜为2.8～3.1，并应尽量降低砂率。细骨料含泥量应控制在1.5％以下，选定砂源后不宜更换。

(3)外加剂

外加剂性能是影响清水混凝土表观质量的一个重要因素，若外加剂选择不当将在清水混凝土中形成大量的气泡、振捣时严重泌水等现象。建议选用无缓释、性能稳定、与胶材相容性好、环保、对混凝土颜色无影响的外加剂。

(4)配合比

混凝土配合比是决定清水混凝土外观质量的另一个重要因素。清水混凝土配合比除满足力学性能要求外，还应具备较好和易性、均匀性、稳定性，使混凝土既能满足力学性能、耐久性能要求，又能保证良好的工作性能、表观质量。

4.2.2 外因

(1)生产工艺

生产工艺是混凝土工程中研究最少、重视程度最欠缺的部分。但混凝土的生产工艺在科学研究与工程应用之间起着承上启下的关键作用。其对清水混凝土各性能的影响程度不低于混凝土工程应用中的任何环节。清水混凝土的生产工艺包括生产设备校准、搅拌制度、配比确认、原材料确认、混凝土生产过程质量控制、混凝土出厂质量控制等环节。

(2)施工工艺

混凝土施工工艺是决定混凝土表观质量的重要因素，从混凝土模板质量、脱模剂各类、浇筑工艺到养护工艺等，每一道工序出现问题都会对混凝土工程结构外观质量产生较大的影响。

(3)环境条件

温度低，清水混凝土易泌水、易受冻；温度高，清水混凝土工作性能不易控制，混凝土易分层、表面易聚集气泡等。这就对清水混凝土的质量提出较高的技术要求，以适应施工环境条件的变化。

4.3 清水混凝土配合比设计思路

基于清水混凝土的概念、特征等考虑，清水混凝土在保证工作性能、力学性能、耐久性能等前提下，最显著的特征为“内实外美”。在综合分析国内外相关研究成果的基础上。清水混凝土的配合比设计思路应从以下方面考虑：

(1)适宜的浆体量

浆体量。包括浆体组成、黏度、相对体积、匀质性等指标，将直接影响清水混凝土力学性能、耐久性能、气泡排发难易程度、表观质量光泽程度、表观色泽均匀性等重要指标浆体组成即为水胶比、水泥百分比等，其对清水混凝土力学性能、耐久性能有较大影响，水胶比低.则通常情况下，清水混凝土的强度增高、耐久性好：反之则清水混凝土力学性能和耐久性能降低。水泥用量的提高有利于提高清水混凝土力学性能。但经大量研究表明，适量的矿物掺合料不仅可降低混凝土生产成本、保护环境、减少污染，还可提高混凝土的耐久性。

浆体黏度对清水混凝土表观质量影响较大。浆体黏度过大，混凝土内部气泡不易排出，而模板与清水混凝土之间的界面作为薄弱区，很容易使气泡聚集而影响清水混凝土的表观质量。浆体黏度过小，虽然混凝土内部气泡容易排出，但易使混凝土产生分层等问题，进而影响混凝土表观的均匀性。

浆体相对体积较大。清水混凝土易于施工、清水混凝土表观质量容易控制，但此时混凝土体积易收缩，影响混凝土的耐久性能。浆体相对体积较小，则清水混凝土内部气泡不易排出，影响清水混凝土的表观质量。

浆体匀质性影响到清水混凝土的表观色泽，其均匀性与搅拌时间、投料方式、搅拌机制等有关，为了保证清水混凝土的表观质量。应适当延长清水混凝土的搅拌时间，并进行清水混凝土匀质性试验。

(2)密实的骨料堆积

密实的骨料堆积有利于提高清水混凝土的内部密实程度、提高清水混凝土工作性能、力学性能、耐久性能。拥有连续级配、堆积密实的粗细骨料可使混凝土在较少浆体的情况下，就达到良好的工作性能。骨料的密实堆积增大了骨料颗粒间的机械咬合力，提高清水混凝土的力学性能。骨料的密实堆积可减少混凝土体积的变化，增大混凝土体积稳定性，减水混凝土裂纹的出现机率，进而提高清水混凝土的耐久性能。

4.4 现有清水混凝土配合比设计方法

4.4.1 经验法

经验法一般是参照现有普通混凝土施工配合比或其它清水混凝土相关资料报道，设置水胶比、砂率、矿物掺合料比例、减水剂类型等多个变量进行混凝土试配试验，根据对混凝土各性能指标综合评价确定清水混凝土施工配合比。

本方法操作简单，对于施工经验不足的施工单位来说有很大的实用价值。但该方法的盲目性较大，完全是基于若干个普通混凝土配合比的试验效果。在其中选择综合效果最好的作为清水混凝土的施工配合比

4.4.2 全计算法

全计算方法主要依据P.K.Mehta和P.C.Ai tcin两位教授所提出的理论：即要使高性能混凝土同时达到最佳的施工和易性和强度性能.其胶凝材料浆与骨料应有一个最佳体积比，建议胶凝材料浆体积：骨料体积=35:65，即对高性能混凝土。浆体体积取350L。再根据公式和原材料参数计算水胶比、用水量、胶凝材料组成、骨料体系组成以及外加剂掺量。

全计算以胶凝材料浆体体积与骨料体积的最佳比例为基础，体现了清水混凝土“内实”的要求，再通过平行对比的方法，在适当的范围对胶凝材料数量、骨料组成等参数进行对比，在满足性能要求的基础上，选择更为经济、更能保证外观质量等指标的参数。全计算方法关键是用水量的确定和砂率的确定。

(1)用水量的确定

式中：ρ_c为水泥的密度；ρ_f为粉煤灰的密度；为粉煤灰在胶凝材料中的体积掺率；V_e为浆体体积，为浆体中的空气体积，在高性能混凝土中一般取值分别为350L和20L。

(2)砂率用量

式中：Ves为干砂浆的体积，L；ρ_s为碎石的松堆积密度；ρ_g为碎石的表观密度。

全计算法设计的基本思想仍是建立在混凝土强度基础上，虽然本方法适合一部分高性能混凝土，但并不代表适合清水混凝土。

4.4.3 致密配比法

致密配比法的设计步骤如下：

(1)采用粉煤灰先填充中砂，二者最佳比例混合物中再填充碎石，相关参数的物理意义为：

V_r=1－(W_f/r_f＋W_s/r_s＋W_a/r_a)，V_agg =I－V_P

式中：W_f、W_s、W_a分别为粉煤灰、砂、石的质量；ɑ为粉煤灰填充河砂的填塞率；β为粉煤灰与河砂的混合物填充碎石的填塞率；V_r为最小空隙率；V_agg为骨材的体积。

(2)最佳填塞率ɑ与最大堆积密度U_w的确定

将粉煤灰按一定填塞率的比例掺入到河砂中，混合均匀。采用四分法将粉煤灰与砂的混合物加入到5L容量桶中振实，称量并计算振实混合物的堆积密度，3次数据为一组，计算算术平均值。

以填塞率ɑ为横坐标，堆积密度U_w为纵坐标作图。采用绘图软件对试验数据进行二次拟合.得出二次拟合曲线方程。对拟合方程进行相应运算。并使拟合方程值为0，求出ɑ值，即为粉煤灰最佳填塞率。

(3)最佳填塞率β与最大堆积密度U_w的确定

将粉煤灰与河砂的最佳比例混合物按一定填塞率掺人到碎石中，采用四分法将粉煤灰、砂、石混合物加入到10L容量桶中振实，测振实混合物的堆积密度，3次数据为一组，计算算术平均值。

以填塞率β为横坐标，堆积密度U_w为纵坐标作图。采用绘图软件对试验数据进行二次拟合，得出二次拟合曲线方程。对拟合方程进行相应运算，并使拟合方程值为0，求得β值，即粉煤灰与河砂混合物填塞碎石的最佳填塞率。

(4)n值的确定

当致密系数ɑ、β以及最大单位重U_w，确定后，在水胶比固定的前提下，n降低，则V_P=Vr＋s_t =nV_r随之下降，即胶材浆体量减小，骨料量增加；反之，则胶材浆体量增加，骨料量减少。然而n值过小。虽然减少了水泥的用量，但混凝土的工作性和强度不良；如果n值过大，则不能降低水泥用量，从而体现不出经济性和耐久性，因而需取一个适当的n值。

致密配比法是混凝土配合比设计方法之一.即使混凝土各细度材料逐级致密堆积.在一定程度上体现清水混凝土“内实”的技术要求.但并未充分体现清水混凝土更为重要的技术指标，即“外美”。

4.4.4 普通混凝土配比法

普通混凝土配比法，即依据JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》进行清水混凝土配合比设计。

使用普通混凝土配比设计方法设计清水混凝土配合比，是将清水混凝土工程的成败完全寄托于工程施工水平上。且完全没有体现出清水混凝土“内实外美”的技术要求。

5 结语

发展清水混凝土有利于提高混凝土的质量、降低工程综合成本、提高工程管理水平、促进混凝土技术水平发展。但应该看到，清水混凝土要实现进一步发展，还存在许多亟待克服的问题，这就需要广大技术人员立足自身、服务全局，共同推进清水混凝土技术的发展、成熟，实现清水混凝土更大规模的成功应用。

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