竖向核心筒结构饰面清水混凝土配合比设计研究

陈安东，徐汉英，吴承华，徐双全，黄扬明，尚崇

（1. 杭州市建设工程质量安全监督总站，浙江 杭州 310011；2. 中建三局集团有限公司，浙江 杭州 310000）

竖向核心筒结构饰面清水混凝土配合比设计研究

陈安东1，徐汉英2，吴承华2，徐双全2，黄扬明2，尚崇2

（1. 杭州市建设工程质量安全监督总站，浙江 杭州 310011；2. 中建三局集团有限公司，浙江 杭州 310000）

混凝土拌合物中的水在生产到施工全过程中的均匀分布是制备清水混凝土的关键，从混凝土和易性上讲，混凝土配制的方向是：较高的流动性、良好的粘聚性、优良的保水性，保水性控制是关键。

清水混凝土；表面颜色；配比调控；原材料选择

0 引言

自中国首座大面积清水混凝土建筑——北京联想研发基地建成后，国内大型的清水混凝土工程逐渐多了起来，不同清水工程对清水混凝土品质的要求不尽相同。杭州慧展科技项目地下三层、地上共有 17 幢7～11层单体建筑，项目占地面积约5万 m2，总建筑面积 23.4万 m2，所有单体的核心筒均为饰面清水混凝土结构，业主对该结构部位的混凝土除“内实外光、尺寸准确、线形直顺、色泽一致”的要求外，还提出了“触感如丝般顺滑、散发出柔和光泽”的外观需求。

1 混凝土表面颜色均匀的微观机理

混凝土的结构是水、外加剂和胶凝材料拌合形成的胶结物质包裹着粗、细骨料，成型后的混凝土构件表面充满了水泥浆。可以说水泥石的颜色就是混凝土的颜色，一般为灰色，混凝土表面也经常会出现黑色斑点、黑色条纹、黑线、熊猫眼等变色区域。

1.1 表面粗糙度对颜色的影响

心理物理学家研究表明[1]，人们对亮度的感觉主要与物体表面对光的漫反射有关。粗糙度越小，镜面反射越明显，粗糙度大则主要呈现出一定的漫反射特征[2]。当混凝土表面的粗糙度小于可见光的波长时，光将完全镜面反射[3]，按照这个原理可实现镜面清水混凝土；当混凝土表面的粗糙度大于可见波长时，在一定范围内，粗糙度越大，漫反射光所占的份额越大，混凝土表面观感更为柔和。

所以，用不同粗糙度的模板制得的混凝土构件颜色深浅不同。在保证较高平整度的前提下，相对粗糙的模板制得的混凝土表面观感更加柔和。这也就解释了为什么用钢、铝模制作的混凝土表面颜色更易于均匀，而镜面模板制作的混凝土表面颜色较深。

1.2 表面孔结构对颜色的影响

混凝土是一种典型的多相多孔材料，其表面水泥石的孔隙主要是经水分蒸发形成，典型尺寸在1～50μm，大部分开孔[4]。不同的温湿度条件下，水泥石孔隙内的含水状态不同，当自然光照射到混凝土表面后，光被表面孔隙内的水吸收折射，含水量越高，漫反射程度越低，表面的颜色越深。

根据开尔文公式，对有孔隙的物体而言，其所处周围空气的相对湿度越大、温度越低，物体内孔隙的临界半径值（在此半径值，孔隙内可充满水）越大[3]。所以，冬季或雨季，混凝土的临界半径值相对较大，表面孔隙内部含水相对较多，漫反射程度低，而易呈现黑色。同一温湿度条件下，表面孔隙孔径的大小不同，其内部含水的状态也不尽相同，孔隙相对小的颜色较深，相对大的颜色较浅。

另外，冬季或雨季，混凝土表层易形成一层水膜，会降低自然光的反射光量。

1.3 表面结构致密性对颜色的影响

Doris Strehlein[3]的研究表明：混凝土表面的黑色与孔溶液中的氢氧化钙向表面的迁移、积聚与结晶有关。混凝土成型早期，氢氧化钙部分溶解在水泥石的孔溶液中，脱模后，混凝土表面的水分开始蒸发，湿度下降，混凝土内部和表面形成湿度梯度，产生湿度驱动力，使得氢氧化钙随孔溶液向表面迁移、积聚、沉淀。氢氧化钙凝胶体的迁移，使得混凝土表面孔隙中的含钙量增加，孔道被堵塞并形成封闭状的表面以及表面邻近部位致密的微观结构，表面也变得更加平整，粗糙程度小于自然光的可见波长，而出现黑色斑点。

另外，螺杆洞、模板拼缝以及结构下部分别易形成熊猫眼、黑线、黑色条纹等外观缺陷，如图1～3所示。笔者认为，螺杆洞与模板拼缝处存在小量的空隙，水分散失相对慢，表面与内部形成了连续的湿度梯度引起了内部的氢氧化钙向该处集聚。剪力墙上的黑色条纹多分布于中下部，且间距与钢筋间距一致，每条条纹从中间向两侧变淡。经分析，此类黑色条纹的出现，是中下部混凝土在振捣或上部新浇筑混凝土的压力下产生了少量泌水，聚集在钢筋附近，使得该处的水量相比其他位置要多。拆模前，随着水化的进行或模板的吸水作用，氢氧化钙的迁移、集聚、结晶相比更多，进而产生黑色条纹。

图1 熊猫眼

图2 拼缝处的黑线

图3 黑色条纹

2 清水混凝土工作性能分析

模板是影响清水混凝土品质的首要因素，可遵循较高平整度、吸水率均匀且低、略微粗糙的选用原则。其次是混凝土表面的孔隙结构，两者相辅相成，缺一不可。

根据光漫射原理，在保证混凝土表面具有一定粗糙度的基础上，混凝土表面颜色的均匀性体现为表面硬化水泥石孔隙结构的均匀性，进一步体现为各组分在混凝土中的均匀性，尤其是水。前面提到，表面水泥石中的微孔、毛细孔主要是经水分蒸发形成的，那么，混凝土拌合物中的水从搅拌、运输、泵送、入模以及振捣成型等众多过程中的均匀分布就显得尤为重要。

清水混凝土工作性能分析见图4。

图4 清水混凝土工作性能分析

3 清水混凝土配合比调控技术

3.1 和易性对混凝土性能的影响

混凝土拌合物的和易性包括流动性、粘聚性、保水性。设计混凝土时，首先应确定目标工作性能，根据实际工况、不同构件、不同浇筑振捣方式等选择相对适宜的和易性。

流动性是保证混凝土混合均匀的主要性能，流动性太差，粉料在混合时容易黏附、抱团；流动性太好，容易浆骨分离，即使混合均匀，在出料、运输、泵送、振捣等过程中，均易产生分层离析。粘聚性是指混凝土的各组分之间具有一定的粘聚力，使得混凝土在振动状态或压力条件下不容易发生水与骨料的分离，是抵抗分层离析的能力，或者说是维持均匀性的能力。保水性是新拌混凝土保持内部水分的能力，混凝土各部位水的多寡决定了孔隙结构的大小，可以说，保水性是清水混凝土制备的关键性能。

笔者认为，制备清水混凝土应：（1）保证混凝土具有较高的流动性。（2）根据混凝土的强度等级、粗骨料的粒径和粒型以及采用的振捣方式等，确定良好的粘聚性。比如骨料粒径偏大时，应适当提高粘聚性，以维持混凝土内部各组分在振捣后的均匀性，当粗骨料粒径较小的时候，可适当降低粘聚性。（3）确保优良的保水性，混凝土若有泌水现象，一方面，易引起气泡、砂线、水波纹等质量缺陷，另一方面，泌水引起水分在混凝土各部分的不均匀分布，易引起颜色的不均匀。

图5是本项目拌制的混凝土状态。

另外，做清水混凝土试配时，可关注塑性粘度的指标。

图5 本项目混凝土和易性状态

3.2 配合比参数对混凝土性能的影响

3.2.1 适宜的浆体量

浆体量，直接影响清水混凝土力学性能、气泡排除难易程度、表面光泽程度及表面颜色均匀性等重要指标。混凝土表面颜色的均匀性由水泥石的均匀性决定，在水胶比不变的情况下，浆体越多，其拌合物的流动性越大，在适宜粘度的条件下，混合均匀的能力越强。骨料颗粒表层包裹的浆体越厚，水在水泥石中形成的孔隙结构越易于均匀。

清水混凝土的配制应适当提高其浆体量，提高浆骨比。

3.2.2 砂率

配制清水混凝土，砂的品质、级配以及砂率的选择非常重要，尤其是在无掺合料的情况下，砂率对混凝土拌合物和易性的影响非常大。适宜的砂率不但填满了石子间的空隙，还能保证骨料间有一定厚度的砂浆层，以减少骨料之间的摩擦力，使新拌混凝土获得良好的流动性[5]。砂率较低时，新拌混凝土的流动较小，粘聚性和保水性变差，振捣过程中容易泌水影响混凝土的外观。

另外，清水混凝土的浆体量较大，考虑到浆体不至于因石子大小不一而集中进而产生黑色斑点，在配合比设计时，应适当加大砂率以保证浆体的均匀性，增大浆体厚度，削弱边界效应。

3.2.3 用水量

水是混凝土表面孔隙形成的关键组分，配制清水混凝土，应同水胶比适当增加用水量，即增加浆体用量，但需确保混凝土具有良好的保水性能。

3.2.4 坍损

从搅拌站生产到浇筑要经历一段时间，这段时间短则.5h，长则2～3h。在这段时间内拌合物逐渐变稠，流动性逐渐降低。坍落度的损失，一方面，影响混凝土的流动性，流动性降低，塑性粘度增加，混凝土的混合均匀的能力降低；另一方面，运输过程中的坍落度损失易不均匀，各组分的分布也易于不均匀。入泵混凝土和易性的不均匀性必将造成后期混凝土表面颜色的差异。

4 原材料选择方法与机理

4.1 水泥

一般情况下，制备清水混凝土采用的是普通硅酸盐水泥，强度一般不低于 42.5MPa。作为胶凝材料的主要成分，凝结后形成的水泥石的颜色基本决定了混凝土的颜色。因此，在选择水泥的时候，首先应保证水泥的颜色和技术参数基本一致。同一工程的水泥应为同一厂家、同一品牌、同一强度等级。

笔者认为还应关注水泥的矿物掺合料掺量、水泥的硬化时间、标准稠度用水量等。首先，水泥都有一定量的矿物掺合料，尤其是粉煤灰，有的水泥生产出来的混凝土是青灰色，有的则是灰黄色，对混凝土成型的颜色影响较大；其次，水泥的硬化时间不宜过早但也不宜迟；最后，标准稠度用水量对混凝土的结构和性能的影响较大，宜选择标准稠度用水量相对低的水泥，用水量的增加会导致混凝土孔隙率增加，同时会增大泌水的可能性，影响水分在混凝土内部的均匀性。

实际工程中，考虑到水泥供应批次的不确定性，水泥应选定性能最为稳定的品牌。

4.2 粉煤灰

粉煤灰的颜色可以从乳白色变到黑色，用在混凝土中，其颜色会显现于混凝土结构表面。采用灰黑色的粉煤灰，混凝土构件会相比偏黑。在选择粉煤灰时，应尽可能选择与水泥颜色相近的粉煤灰，一般以浅灰较细粉煤灰为宜。粉煤灰颗粒越细越能均匀有效地填充到水泥颗粒的孔隙之中，堵截混凝土内的泌水通道，减少浆体内的液体流动，提升混凝土的保水性，且对混凝土的结构稳定性有明显的效果[6]，对清水混凝土的制备有积极的意义。优质的粉煤灰用于混凝土中，有利于增强混凝土的表面密实度和光滑度。

但是，目前国内的粉煤灰质量波动较大，当难以保证其稳定性时，建议不掺。

4.3 矿粉

矿粉来源于炼钢厂的水淬高炉矿渣，含有很多的金属离子，其中包括铁和铜。有些矿粉会发生变蓝绿现象，如水化产生的含结晶水的硫酸亚铁（俗称绿矾）为浅绿色，五水合硫酸铜为蓝色，会引起混凝土外观颜色变化。当然也不是所有的矿粉都会变色。

笔者建议，配制清水混凝土，矿粉应少掺或不掺，以在全过程中不引起泌水为原则。

4.4 粗骨料

清水混凝土对骨料的要求较高，粗骨料是混凝土的主要架构材料，它的粒型、粒径与级配对混凝土的均匀性、尤其是对拌合物的间隙通过性和填充性有较大的影响[7]。

笔者认为，清水混凝土用石子粒形应圆润，石子粒径不宜超过 20mm。混凝土和易性的三个指标中，流动性和粘聚性之间存在矛盾，竖向结构中混凝土的流动性应适当增加，粘聚性不宜太大（不同强度等级的混凝土，粘度控制不同），但石子粒径较大，要保证石子在竖向结构中分布均匀，避免严重下沉，混凝土的粘性则要适当提高，所以石子的粒径宜小不宜大。如图6所示，为某失败的2.7m 高竖向清水剪力墙构件敲除后的碎块，剪力墙上部呈现基本无石子，中部石子以豆石为主，下部石子多，从混凝土表面颜色上讲，构件从上至下颜色逐渐加深。

4.5 细骨料

清水混凝土配比中应选用洁净的天然砂，细度模数控制在中砂的范围。经试验证明，当砂率偏小时，混凝土的粘聚性及保水性较差，进行坍落度试验时易发生离析、跑浆；当提高混凝土的砂率时，混凝土的粘聚性和保水性则相应提高，其包裹性好，无跑浆。在保证良好的粘聚性和包裹性的基础上，砂的级配对混凝土的保水性或泌水性有较大的影响。

图6 某失败剪力墙构件的上中下现象

4.6 外加剂

选用外加剂时，要着重考虑外加剂与胶凝材料的适应性、泌水性，能否有效控制混凝土的坍落度损失。所用的外加剂，应控制引气剂的用量，不能产生较大的气泡。另外，由于脂肪族减水剂颜色较深且易造成混凝土后期泌水，做清水混凝土配比时应避免选用脂肪族外加剂。

目前，清水混凝土常常使用以聚羧酸为代表的高性能减水剂。根据工程需要复配聚羧酸外加剂时，尤其注意要从聚羧酸减水剂原液性能、缓凝剂品种、消泡剂及引气剂效果、粘稠效果解决清水混凝土中的常见病，得到新拌混凝土良好的和易性和工作性，保持浆体的适合粘度，在满足硬化混凝土的各方面性能指标的前提下，着重解决混凝土泌水和表面的气孔、水线、麻面和蜂窝等问题。

4.7 水

清水混凝土宜采用不含杂质的饮用水，本工程采用的是自来水。

5 本工程选用的配合比及性能

水泥：海螺 52.5R；

石：5～15mm连续级配；

砂：细度模数2.4；

水：自来水；

减水剂：MASTER GLENIUM SKY 8325；

减缩剂：MASTER LIFE SRA 815。

混凝土配合比及工作性能结果见表1。

表1 混凝土配合比及工作性能要求

6 小结

（1）模板是影响清水品质的首要因素，选择模板时应注重刚度、表面粗糙度、吸水率等因素，选择模板时应有目的性，并非越贵越好。

（2）混凝土的制备是影响清水混凝土品质的第二重要因素，与模板相辅相成，缺一不可。混凝土表面颜色的均匀性首先体现在表面结构的粗糙程度上，其次体现在混凝土表面水泥石孔隙结构的均匀上。

（3）清水混凝土的配制，从和易性上讲，首重保水性控制，其次为流动性，最后为粘聚性，三者之间存在一定的矛盾和联系，相辅相成。

（4）混凝土表面黑色的形成多因内部与表面形成了湿度梯度，引起氢氧化钙向表面迁移、集聚。一方面，除从混凝土着手外，还需要从施工措施的角度控制拆模前混凝土表面水分散失的不均匀性；另一方面，拆模时间不宜太晚，使得拆模后混凝土表面的干燥面尽早内迁，阻断氢氧化钙向表面迁移。

（5）由于混凝土各项性能之间的矛盾与联系，需要通过外加剂、胶凝材料、粗细骨料的选择以及有效的配合比设计使得混凝土具有较低的塑性粘度，确保混凝土不出现泌水、离析等问题。

[1]Todd, J.T.; J.F; Mingplla,E.:Lightness constancy in the presence of specular highlights.Psychological Science 15(2004),S. 33-39;

[2]张颖茹，李恩普，任驹，等．不同粗糙度表面双向反射分布函数的实验研究[J]．激光技术，2010,34(5): 717-720．

[3]Doris Strehlein,Peter Schiessl．沈荣熹译．清水混凝土表面黑色斑纹的特征与形成机理[J]．商品混凝土，2009(5): 56-60．

[4]赵铁军．渗透型涂料表面处理与混凝土耐久性（第一版）[M]．北京：科学出版社，2009．

[5]高礼雄，荣辉，孙国文．现代混凝土配合比设计与质量控制新技术（第一版）[M]．北京：中国铁道出版社，2015．

[6]胡红梅，马保国．混凝土矿物掺合料（第一版）[M]．北京：中国电力出版社，2016．

[7]李悦．自密实混凝土技术与工程应用（第一版）[M]．北京：中国电力出版社，2013．

陈安东，男，高级工程师，杭州市建设工程质量安全监督总站副站长。

［通讯地址］浙江省杭州市拱墅区莫干山路100号耀江国际大厦 B 座 12层（310011）