花岗岩机制砂混凝土外观质量影响因素研究

王 照，丁 辉，张雨雷

（1.中交第一航务工程局有限公司总承包工程分公司，天津 300457；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

混凝土的质量包含内在和外观两个方面的品质。外观品质不仅是一种单独的美观效果，也一定程度上反映了内部品质和整体质量水平。混凝土质量的最直观体现就是混凝土的外观质量，目前来看混凝土外观存在很多问题，诸如色差、水纹、气孔、蜂窝麻面等，不仅影响美观甚至会降低使用寿命，像永嘉三江商务区立体城周边市政配套工程“三路”EPC 项目［1］，济青高速改扩建工程［2］等。甚至河砂混凝土的外观也不尽如人意，安远至定南高速公路新建项目［3］，多数结构物工程的外观，都需要后期“装饰”才能通过验收，虽然国内有一些外观较好的清水混凝土代表性工程，但是这类工程存在造价高、施工专业性强的限制。如何在经济适用的条件下，实现工程内在质量和外在品质的有机统一，是工程人一直努力的方向。

对外观的研究目前主要集中在施工工艺控制上，研究结果偏向于定性判断，对于众多因素实际影响程度，并没有明确的说明。本文对花岗岩机制砂混凝土影响因素水平进行分析，通过正交试验的方法，分析不同因素水平对外观影响的效应程度。

1 工程概况

本课题基于途径遂溪的某高速公路实体工程，工程路线全长 100.932 km。本项目路面为双向四车道，路基设计宽度 26.5 m，桥梁设计宽度 25.5 m。设计挖方量 773 万 m3，填方量 1 415 万 m3。

该项目的建成将使广东西翼高速公路网与国家大西南高速公路网尤其是广西的高速公路网衔接更为便捷和紧密，网络化优势非常明显。符合《广东省高速公路网规划》“区域协调发展战略”“地级市与地级市之间（包括与相邻省份的地级市之间）基本上通高速公路”的规划目标，也符合《广东省高速公路网规划》“以沿海港口（城市）为龙头向山区和内陆省区辐射的路网布局”的要求。

高速建成后，起点至终点的驾车时间将由现在4 个多小时缩短至约 1.5 h，对加快两地间经济交流、改善交通条件、促进沿线资源开发和经济社会发展也有重要的意义。

2 材料特性分析

2.1 原材特性

水泥：使用丰诚水泥有限公司 P·O 42.5 水泥。

粗集料：使用石岭采石场 5～16 m m（含泥量 0.4 %）、16～31.5 mm（含泥量 0.3 %）碎石，掺配比例为 50 %：50 %［4］。

减水剂：使用山西康特尔精细化工有限公司生产的 KTPCA 聚羧酸系高性能减水剂，减水率为 27 %，含固量 13.93 %；江苏苏博特新材料股份有限公司生产的 PCA®-聚羧酸高性能减水剂，减水率27.3%，含固量 15.91 %。

细集料：石岭采石场机制砂，细度模数 3.1～2.8，MB 值为 0.6。青平砂场河砂，细度模数 2.7～2.4，含泥量 2.0 %。

2.2 正交试验 L8（27）

2.2.1 实验目的

表观质量的影响因素是多方面的，材料、环境、外加剂、振捣方式、水用量、时间等都会对表观质量产生不同程度的影响，目前对其影响程度没有明确的指示，拟设计正交试验研究其最优因素组合。

2.2.2 实验原理

采取六因素两水平标准正交试验，分别对细集料的磨圆状态、外加剂厂家、振捣方式、整体含水、装模时间、脱模剂进行对比，具体试验条件如表 1 所示。

表1 对应正交表格

2.2.3 实验结果分析

具体说明：①对于细集料，本次河砂通过筛分贴近规范中值，机制砂同样贴近规范中值，同时石粉含量选取为 8 %［5-7］，削弱细度模数以及各档颗粒含量差异过大带来的误差，来研究细集料磨圆对外观质量的影响；②两种进行水泥适应性后的外加剂，通过这两种判别外加剂的影响；③振捣方式，通过振动棒插捣、振动台振捣来模拟实际振动棒与附着式振动器的区别，判断哪种对混凝土外观影响更显著；④含水率的波动，这一点是考虑实际机制砂在料场中，由于存储时间、存储厚度等原因限制，导致含水率不稳定，当机制砂含水率增加 2 个百分点，折算到实际的用水量将会增加约 8 %；⑤成模时间，指的是将试块装入试模的时间。为了保证含水率，更加真实地模拟实际情况，在混凝土打成以后在搅拌机中放置时间分别为 0 h、1 h，1 h 的选取主要是考虑运距及其他因素；⑥脱模剂主要有油性和水性两种，来评估它们对外观是否产生较大影响；⑦还有一组未设置因素水平，以分析其他未考虑全面的因素是否对试验结果造成较大的影响。

通过对表 2、表 3 并结合图 1 的分析可以看出细集料的种类对强度的影响最大，其中机制砂混凝土强度明显优于河砂混凝土；其次为含水量的波动，当细集料中含水率多 2 %，折合到用水量上就会多出 8 % 以上，这里用水量的提高会增大水胶比降低强度；再次为脱模剂的影响。混凝土外观在实际生产过程中机制砂与河砂差异较大，在试验中未能体现出来，分析主要原因在于实际机制砂级配中细料（1.18～0.075 mm）含量较少，同时石粉含量不是稳定在 8 % 附近差异性较大。实际用水量的提高容易造成混凝土泌水，导致浆体上浮外观质量下降，成模时间对外观的影响主要是因为 1 h 后混凝土存在一定的坍落度损失，混凝土流动性变差，气泡不容易排出。水性脱模剂试块的外观明显优于油性脱模剂（见图 2），同时对水性脱模剂进行回弹检测，回弹结果表明，水性脱模剂的回弹偏差较小，经过分析认为一方面是外观对强度的贡献，另一方面是水性脱模剂有利于提高表面浆体的均匀性与混凝土的密实程度，再次为外加剂的影响，江苏苏博特的外加剂强度稍高。对于外观的贡献，水性脱模剂明显优于油性脱模剂。由于水性脱模剂与水具有相容的极性性质，所以部分水泥浆会在布朗运动的过程中与模板壁接触吸附在上面，当脱模时间不合理，模板内壁不够光滑平整，就容易在脱模的过程中产生局部混凝土面层浆体从构件剥落的现象。在使用的过程中，要注意模板的清洁，水性脱模剂容易粘模，在使用的过程中要及时清理残留的水泥砂浆（见图 3），以免下次使用造成外观变差。同时也要注意水性脱模剂在温度较高的情况比油性脱模剂更容易蒸发，要合理控制刷模如入模的时间间隔。

表2 试验结果统计表

表3 方差分析表

图1 正交效应曲线

图2 脱模剂效果图

图3 水性脱模剂粘模

研究发现两种外加剂差别不明显，河砂的外观要优于机制砂，但分析结果不明显，试验可以看出混凝土的工作性能对外观和强度影响是比较大的，同时机制砂强度高于河砂 5MPa 以上。两种振捣方式，区别主要在，振动台外观稍好，但是强度差异性稍大，这可能是机制砂浆体容易上浮；含水的提高，会出现明显的泌水，初始坍落度很高，但是坍落度损失明显。

图 2 中的水-为未稀释的水性脱模剂，水+未经过稀释的水：脱为 1∶3 的试验结果对比图。从图中可以明显看到水性脱模剂较油性脱模剂对混凝土外观质量有很大程度的提高，气泡明显减少，未稀释的水性脱模剂表面有一层粉末，分析是浆体中水分被脱模剂吸收，表层水化程度较低，而稀释后的水性脱模剂，表面比较光滑，气泡较少，对外观和强度都有一定的提高。

3 结论

本文研究基于某高速公路实际使用花岗岩机制砂的情况，通过正交试验的方法，同时探究对强度及外观影响因素，得到如下一些有价值的结论。

1）对于混凝土 28d 强度的影响细集料（机制砂＞河砂）＞含水波动（+0 %＞+8 %）＞脱模剂（水性＞油性）＞外加剂（江苏＞山西）。

2）对于混凝土外观质量的影响脱模剂（水性＞油性）＞含水波动（+0 %＞+8 %）≈成模时间（0 h＞1 h）＞其他。

3）水性脱模剂试块的外观明显优于油性脱模剂，且回弹偏差较小。在使用的过程中，要注意模板的清洁，管控刷模与入模的时间间隔，合理控制脱模时间。