清水混凝土是一种对表观质量具有特殊要求的混凝土,清水混凝土从制备到施工中的各因素都可能对清水混凝土表观质量等造成不良影响。而清水混凝土的黑斑问题,是清水混凝土工程中常见且不易控制的关键表观质量问题,对清水混凝土表观质量造成严重不良影响。综合国外相关技术资料以及国内有关技术成果,根据清水混凝土的前期工程实践经验,以济南轨道交通工程为依托,开展了针对清水混凝土黑斑成因的研究,并探索清水混凝土黑斑的应对技术措施,以期达到预防或避免清水混凝土黑斑发生的目的,提高清水混凝土工程施工质量。

P·O42.5水泥,其检测指标如表1所示。

PAC-I型聚羧酸减水剂,其检测指标如表2所示。

河砂优选自泰安,符合Ⅱ区中砂技术要求,其检测指标如表3所示。

5~31.5mm连续级配碎石优选自济南长清,其检测指标如表4所示。

粉煤灰选自国电山东石横电厂,其检测指标如表5所示^[1] 。

以现有清水混凝土配合比设计方法为思想来源^[2,3,4] ,依据清水混凝土“内实外美”的特殊质量要求,首次提出了清水混凝土专用配合比设计方法,具体步骤如下:(1)自然堆积碎石,得到碎石单位体积自然堆积质量m₁和碎石的自然堆积孔隙率α₁;(2)用河砂对碎石进行紧密填充,得到紧密填充碎石孔隙的河砂质量m₂、河砂的紧密堆积孔隙率α₂、河砂和碎石的紧密堆积孔隙率β及河砂0.315mm以上部分的质量m₃;(3)根据混凝土强度理论,确定水胶比,结合各胶材比例,配制此水胶比和胶材比例的浆体,测量此浆体的密度;(4)计算碎石的比表面积和河砂0.315mm以上部分的比表面积;(5)根据碎石的质量m₁和碎石的比表面积计算碎石的表面积,根据河砂0.315mm以上部分的质量m₃和河砂0.315mm以上部分的比表面积计算河砂0.315mm以上部分的表面积;(6)用上述浆体均匀包裹河砂(0.315mm以上部分)和碎石,浆体的包裹厚度根据需要设定(可取0.3mm或0.4mm),计算浆体体积。如果浆体体积、河砂0.315mm以上部分的体积和碎石的体积之和大于单位体积,则同比例减少河砂和碎石的用量,重复步骤(5),直至浆体体积、河砂0.315mm以上部分的体积和碎石的体积之和等于单位体积;如果浆体体积、河砂0.315mm以上部分的体积和碎石的体积之和小于单位体积,则用浆体补充不足部分;(7)依据浆体体积和河砂0.315mm以下部分的体积得到浆体总体积;依据浆体总体积和浆体的密度,计算浆体的质量及各胶材的质量和用水量;结合河砂质量和碎石质量,得出清水混凝土配合比。

根据上述混凝土原材料性能指标,依据上述清水混凝土专用配合比设计方法,得出本工程清水混凝土配合比(kg/m³):水泥∶粉煤灰∶河砂∶碎石∶水∶外加剂=385∶95∶640∶1 100∶170∶2.5%。

通过多个清水混凝土工程的实践经验,多种因素可导致清水混凝土产生黑斑,应根据工程实际情况对清水混凝土黑斑进行综合评价与研究,分析清水混凝土黑斑的主要成因及应对措施。

此种清水混凝土黑斑多出现于清水混凝土模板拼接处、施工缝处等,且清水混凝土存在不同程度的质量缺陷,如图1a所示。

根据黑斑出现的部位,分析此类黑斑产生的原因是由于清水混凝土模板拼接或施工缝处的清水混凝土水分会通过接缝散失或被前期施工的清水混凝土吸收,进而导致此部位清水混凝土水胶比低于其他部位清水混凝土水胶比,因为此部位清水混凝土水胶比低而使此部位清水混凝土颜色深于其他部位^[5] 。

此类黑斑分布较有规律,通常均匀分层分布于清水混凝土竖向结构上,如图1b所示。

清水混凝土表面出现此种黑斑与清水混凝土施工工艺的关联性较大,且从黑斑宽度、分布等分析,与黑斑宽度与清水混凝土浇筑时的分层厚度一致。依上述分析,此类黑斑的出现是由于清水混凝土分层施工时,每层清水混凝土在振动时都会倾向于骨料下沉、浆体上浮、同一层清水混凝土上下部分水胶比差异等细微变化,综合多因素作用下表现出同一层清水混凝土颜色的差异及此类黑斑的有规律出现现象^[6] 。

清水混凝土拆模较早、养护不足、气温大幅波动的情况下,清水混凝土会出现如图1c所示的黑斑。

此类黑斑多发生在春秋季节,即气温常出现大幅波动的气候环境下。通过对黑斑特征进行分析,此类黑斑相对于其他部位其结构较密实,且此区域清水混凝土氢氧化钙含量较高。

为证实此类黑斑的成因,于室内进行了相关试验:改变清水混凝土硬化过程的养护条件,试验表明清水混凝土在相对湿度≥95%的环境下养护,其表面均会出现此类黑斑。

根据工程实体特征及室内试验情况分析,清水混凝土的表面结构特征与黑斑的产生有关。在环境温度较低、相对湿度较高时,清水混凝土表面水分散失较慢,清水混凝土内部氢氧化钙在毛细管吸力作用下由内向外迁移,在水分散失后,氢氧化钙沉积于清水混凝土表面孔隙内,并封闭毛细管使清水混凝土表面致密。在环境温度较高、湿度较低时,清水混凝土表面水分快速散失而氢氧化钙沉积于清水混凝土内部,在氢氧化钙晶体、清水混凝土表面密实度等因素作用下,表现出清水混凝土颜色的差异,即黑斑^[7] 。

对于使用油性脱模剂的清水混凝土工程,易出现如图1d所示黑斑。

为了研究此类黑斑的成因,进行了工程模拟试验:选择与工程模板同品质钢板作为模板,选择工程中使用的油性脱模剂,在钢板上洒水,以模拟清水混凝土泌水,进行有泌水的油性脱模剂清水混凝土表面状况、无泌水的油性脱模剂清水混凝土表面状况、有泌水的无脱模剂清水混凝土表面状况、无泌水的无脱模剂清水混凝土表面状况的对比试验,试验结果如图2所示。

通过图2a,2c对比可见,图2a颜色均匀,图2c颜色分布不均匀。颜色分布不均匀是由于清水混凝土所泌出水分分布不均匀导致清水混凝土表面水养护差异。通过图2a,2b对比可见,图2a,2b颜色分布均匀。在清水混凝土无泌水的情况下,清水混凝土表面养护程度均匀。通过图2b,2d对比可见,图2b颜色均匀,图2d颜色分布不均匀。清水混凝土颜色分布不均匀是由于清水混凝土泌水导致的,并不是由于油性脱模剂存在导致的。通过图2c,2d对比可见,图2c,2d颜色分布不均匀,所以清水混凝土泌水是混凝土表面颜色不均匀的主要原因。由于清水混凝土泌水,水在混凝土表面分布不均匀,导致清水混凝土表面水养护情况不同,进而导致清水混凝土表面颜色不均匀,而油的存在进一步加剧了颜色不均匀程度。这主要是由于清水混凝土泌水,所泌出的水与油混合,导致水分布不均匀,当水被消耗或蒸发后,油中固体物质在混凝土表面沉淀,导致清水混凝土表面颜色不均匀^[8,9] 。

清水混凝土表面此种黑斑是由于清水混凝土泌水直接导致的(清水混凝土水养护不均匀),而油性脱模剂的使用加剧了清水混凝土表面颜色的不均匀程度(油中固体杂质的不均匀分布)。

上述清水混凝土此类黑斑成因的分析,可以解释以下清水混凝土现象。

1)现有清水混凝土墩柱的黑斑下部较为严重,而上部较轻。这是由于清水混凝土上部压力小,不易产生泌水,而清水混凝土下部压力大,清水混凝土易产生泌水,泌水是清水混凝土出现黑斑的直接原因。

2)使用水性脱模剂的清水混凝土表面颜色较为均匀。这是由于即使清水混凝土墩柱下部由于压力作用而产生了泌水,但水性脱模剂的存在使清水混凝土泌出的水分能较为均匀地分散,而不同于水油共存时的不均匀分散,这就使清水混凝土表面水养护较为均匀,而使清水混凝土表面颜色较为均匀。

为了进一步证实此类黑斑是由于清水混凝土水化不均造成的,对清水混凝土表面颜色较浅与颜色较深部分取样,进行XRD衍射分析,如图3所示。

对清水混凝土衍射数据进行定量分析,得出:颜色较浅试样中碳酸钙含量为31%,氢氧化钙含量为10%,水化硅酸钙含量为19%,铁铝酸钙含量为18%,莫来石含量为21%;颜色较深试样中碳酸钙含量为27%,氢氧化钙含量为11%,水化硅酸钙含量为19%,铁铝酸钙含量为19%,莫来石含量为22%。

从XRD分析样品的碳酸钙含量分析,颜色较浅样品与空气反应程度优于颜色较深样品与空气反应程度,推测颜色较深样品所代表清水混凝土区域覆盖了油中固体物质所致。从两XRD分析样品的有效氢氧化钙含量分析,颜色较浅样品水化程度好于颜色较深样品水化程度,即颜色较浅样品所代表清水混凝土水化程度较好。上述XRD衍射分析数据表明了清水混凝土此种黑斑的产生原因。

根据上述清水混凝土黑斑成因研究成果,济南轨道交通工程中采取了有针对性的清水混凝土黑斑应对措施,取得了较好的工程效果,如图4所示。本工程清水混凝土表面色泽均匀、光滑如镜,清水混凝土的施工效果得到工程建设单位的充分肯定。

通过多个清水混凝土工程施工实践经验,结合系统的试验研究成果,研究分析了清水混凝土黑斑成因,并对清水混凝土黑斑的预防应对措施进行了系统研究,得出以下结论:(1)严格控制模板接缝处施工质量,防止清水混凝土出现漏浆、失水等问题,防止出现失水黑斑;(2)适当缩短清水混凝土的振捣时间,以减轻清水混凝土的不均匀性问题;采取连续浇筑、连续振捣的施工工艺,使清水混凝土的各部分振捣情况相同、清水混凝土泌水情况相同,以降低清水混凝土出现施工黑斑的可能;(3)加强在低温季节对清水混凝土的养护,防止清水混凝土受冻,降低气候黑斑的产生几率;(4)可使用水性脱模剂,使压力泌水或重力泌水于模板与清水混凝土间均匀分散,使清水混凝土水化黑斑减轻或消失;适当控制清水混凝土浇筑施工速度,以一定程度上降低清水混凝土下部压力、减少清水混凝土泌水,缓解清水混凝土水化黑斑的出现;(5)工程实践表明,采取上述清水混凝土黑斑应对措施,可有效避免清水混凝土黑斑、色差等质量问题的发生,提高清水混凝土的施工质量。