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，被行業內稱為“綠色混凝土”［１－４］。清水混凝土已有一定的研究和發展，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［２－８］。橋梁工程的服役環境、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［４－６］。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。
１原材料
ＰＯ．４２．５水泥，主要化學成分如表１所示。天然河 砂，細 度 模 數２．５，含 泥 量１．８％，泥 塊 含 量０．３％。石灰巖質碎石，粒徑５～２５ｍｍ連續級配，含泥量０．４％，針片狀含量１．７％。Ｖ６３０型清水混凝土專用聚羧酸減水劑。ＬＨ－７０ＭＲ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％（０．０４５ｍｍ方孔篩篩余），需水量比９２．６％；硅灰，比表面積２×１０４ｍ2／ｋｇ，ＳｉＯ２含量９０％。拌合用水為自來水。
２配合比設計
２．１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。摻優質礦物摻合料，改善混凝土工作性能，優化孔結構，增加密實度，減小體積變形［９－１０］。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），優化減水劑摻量，適當降低水泥用量和砂率，結合增粘劑［１１－１６］，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。
２．２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２００ｍｍ以上、擴展度在５００ｍｍ以上，１ｈ后坍落度仍大于１８０ｍｍ、擴展度大于４２０ｍｍ，損失較小，工作性能與力學性能滿足設計要求。
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３ｄ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律，以實現對勻質性的控制。
３．１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／Ｔ５００８０—２００２）進 行 測 試。漿 體 粘 度 采 用ＤＶ－Ｓ型 旋 轉 粘 度 計，按 《粘 度 測 試 方 法 》（ＧＢ１０２４７—２００８）進行測試。根據《金屬維氏硬度試驗方法》（ＧＢ／Ｔ４３４０．１—２００９），采用ＨＶ－１０００Ｚ顯微硬度計測試混凝土試件３ｄ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域低。
３．２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?？梢?，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２．０％，粘度值為１９６０ＭＰａ·ｓ，坍落度大于１８０ｍｍ、擴展度大于５００ｍｍ，工作性能較好；試件表面上、下部顯微硬度值之差為１２．１４ＨＶ，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。
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［１２－１３］。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。
３．３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１．５％，漿體旋轉粘度值為１９２０ＭＰａ·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。
硅灰增強混凝土漿體粘度的關鍵在于其顆粒形態效應與分散作用［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，使漿體粘度，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，致使漿體密度變大，粘度過高，導致混凝土流動性下降明顯，工作性能劣化明顯。
３．４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?，通過摻加適量增粘劑，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。
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（＞２２０ｍｍ），粘聚性差，勻質性不良，導致振搗后粉煤灰上浮。
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１６０～１８０ｍｍ，且混凝土施工過程中加強振搗與養護。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。
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１９００～２０００ 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。
參考文獻：
［１］李強，李辛民，孟聞遠，等．我國清水混凝土技術發展現狀、存在問題及對策［Ｊ］．建筑技術，２００７，３８（１）：６－８．ＬｉＱ，ＬｉＸＭ，ＭｅｎｇＷＹ，ｅｔａｌ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｔａｔｕｓｏｆｆｉｎｉｓｈｃｏｎｃｒｅｔｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｏｕｒｃｏｕｎｔｒｙａｎｄｉｔｓｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ［Ｊ］．ＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７，３８（１）：６－８．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
［２］陳曉芳．高性能飾面清水混凝土及其施工技術的研究［Ｄ］．廣州：華南理工大學，２０１１．
［３］ＨｕｒｄＭＫ．Ａｖｏｉｄｉｎｇａｒｇｕｍｅｎｔｓｏｖｅｒａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌｃｏｎｃｒｅｔｅ［Ｊ］．ＣｏｎｃｒｅｔｅＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，１９９０（９）：２８－３０．
［４］黃路．城市高架橋混凝土外觀質量控制［Ｄ］．重慶：重慶交通大學，２００８．
