水下隧道工程清水混凝土外观砂斑的成因分析

　　摘要：为了研究清水混凝土外观砂斑的形成原因，对某水下隧道工程敞开段侧墙清水混凝土进行了质量调研与试验分析。结果表明：砂斑主要与混凝土用水量增加有关;原材料中粉煤灰品质的波动增加了混凝土用水量;为了在相同减水剂掺量下满足混凝土拌合物的流动性要求，大幅增加用水量造成混凝土中自由水过多，析出带走混凝土表面的胶凝材料颗粒，由此导致砂斑缺陷;针对缺陷的成因，从原材料品质控制、拌合生产、浇筑施工和及时养护等角度，提出了提升清水混凝土外观质量的建议。

　　关键词：隧道;清水混凝土;砂斑;成因;对策;用水量

　　0前言

　　清水混凝土是现代建筑的一种表现形式，直接利用混凝土成型后的自然质感作为饰面，由于其独特的美学效果也被称为装饰混凝土。清水混凝土起源于国外，在日本、美国及欧洲发达国家等得到了广泛的应用，随着我国基础设施的不断建设和完善，清水混凝土也被大量应用于公路、铁路的隧道工程中，如港珠澳大桥西人工岛、蠡湖隧道等[1-4]。清水混凝土无需装饰，大量减少了资源能源的消耗，符合我国科学发展理念[5]。然而大量实践表明，清水混凝土外观缺陷(如气泡、砂线、砂斑、色差等)长期普遍存在[6-7]，定量评价困难[8-9]。清水混凝土外观质量受材料性能与施工工艺、管理水平等多方面因素共同影响，很大程度上依赖施工单位的技术经验。

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　　因此，深入工程现场开展清水混凝土外观缺陷成因分析有助于揭示外观缺陷产生、形成的演变过程，为今后同类工程的外观质量控制提供重要依据。某水下隧道工程敞开段隧道侧墙设计采用C40清水混凝土施工，拆模后混凝土表面出现严重砂斑、砂线缺陷，局部甚至存在“流沙”现象，严重影响清水混凝土的视觉效果。本文对该砂斑缺陷进行研究，通过工程实地调研和实验室试验相结合，从混凝土原材料品质、生产质量控制、施工工艺管理等方面分析砂斑产生的原因，并提出改进建议。

　　1试验研究

　　1.1现场调研

　　1.1.1外观缺陷观察通过对出现砂斑缺陷的混凝土侧墙表面进行观察，并对比缺陷出现的位置、特征和面积。

　　1.1.2回弹强度选择2019年4月内施工的侧墙(共8段，包含2段出现砂斑缺陷的侧墙)，在7d时对每段侧墙进行回弹强度测试，每段侧墙分别在距地面30cm、150cm和270cm高度处各选取两个测区，每个测区读取16个回弹值数据，并参照JGJ/T23—2011《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》计算平均回弹值。

　　1.1.3配合比与坍落度调取2019年4月内施工的侧墙混凝土配合比与出机坍落度记录。出机混凝土拌合物坍落度参照GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试。对比生产配合比中各物相投料数量与理论配合比的差异，并结合出机坍落度测试结果判断混凝土工作状态是否异常。

　　1.2实验室研究

　　1.2.1胶凝材料流动度比

　　选取2019年4月内施工的侧墙混凝土所用胶凝材料留存样品进行流动度比测试。水泥流动度比：参照GB/T8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行水泥净浆流动度试验，取300g基准水泥，加入87g水与适量的工程用减水剂，调节减水剂掺量，控制水泥净浆扩展度D0为(220±5)mm;取300g工程用水泥，加入87g水与上述等量的减水剂拌合均匀，测试工程水泥净浆的扩展度D1，D1与D0的比值为水泥流动度比。粉煤灰流动度比：取300g胶凝材料(210g基准水泥和90g粉煤灰)，加入87g水与上述等量的减水剂拌合均匀，测试胶凝材料的扩展度D2，D2与D0的比为粉煤灰流动度比。

　　1.2.2自由液相含量

　　根据每一批次浇筑混凝土的实际生产配合比记录，采用留样的胶凝材料和减水剂，参照GB/T8077—2012分别制备胶凝材料净浆(考虑混凝土中骨料吸水，按骨料质量的1%扣除部分水)。取适量净浆，装入约25mL离心管中，称量质量，到达预定时间后(15min、1h、2h、3h、4h)，立即放入离心机以8000r/min的速度离心3min，取出后排净自由溶液，称量剩余浆体质量，换算成100g胶凝材料的可分离溶液质量，作为自由液相含量[10]。

　　1.2.3微观形貌采用美国某公司QUANTA250扫描电子显微镜(SEM)观察粉煤灰颗粒形貌。

　　1.2.4细骨料颗粒级配与含泥量参照GB/T14684—2011《建设用砂》的相关规定进行级配与含泥量测试。

　　1.2.5粗骨料颗粒级配与含泥量参照GB/T14685—2011《建设用碎石、卵石》的相关规定进行级配与含泥量测试。

　　2结果与分析

　　2.1外观缺陷

　　该工程2019年4月共施工8段混凝土侧墙，其中4月7日和4月18日浇筑的混凝土拆模后出现严重的砂斑缺陷，砂斑多集中于混凝土分层浇筑底部，远观时侧墙自上而下色差明显，侧墙整体外观质量。砂斑多呈水平状分布，局部区域甚至水泥浆体完全流失，仅剩细骨料裸露在表面。

　　3成因与对策分析

　　3.1混凝土砂斑成因

　　文献[13]认为，混凝土砂斑与砂线的形成是由于混凝土表面水泥浆体流失，仅剩砂堆积造成。水泥浆体的流失往往与混凝土拌合物中自由水过多或混凝土保水性差有关[14]，过量的自由水不能被细颗粒吸附而析出至混凝土表面[15]，带走大量胶凝材料颗粒。根据前文试验可知，在其他物料称量准确的情况下，用水量大幅提高会导致混凝土拌合物内自由水含量增加，同时由于水胶比提高，导致相应混凝土硬化后表面回弹强度降低。然而，结合混凝土工作性可以发现，即使在大幅增加用水量的情况下，混凝土出机坍落度并未出现明显变化，这是由于混凝土中某种原材料用水量增加所致。原材料性能测试表明，骨料品质相对稳定，而粉煤灰存在性能波动，外观有缺陷的混凝土所用的粉煤灰几乎未见球状颗粒。

　　综上，本文研究的侧墙混凝土砂斑缺陷形成的根本原因是混凝土拌合物内自由水过量析出至混凝土表面，带走胶凝材料颗粒;直接原因是混凝土原材料———粉煤灰品质出现波动，导致混凝土达到相同流动度时用水量提高，机台操作人员通过提高用水量而非增加外加剂掺量等方法调整混凝土工作性。

　　3.2清水混凝土外观提升对策

　　根据以上分析，针对该隧道出现的严重外观缺陷，可考虑从以下方面改进，以提升清水混凝土的外观质量：

　　(1)原材料品质控制：对于每批次进场的原材料做好关键技术参数指标测试，尤其是可能引起混凝土流动性变化的参数，如胶凝材料用水量指标、骨料含泥量与级配、外加剂减水率等，合格后方能进场。

　　(2)拌合生产：由于每批次原材料品质都存在微小差异，以及环境温湿度的变化，混凝土开盘生产时必须根据实测骨料含水率调整配合比，为满足混凝土工作性，应允许适当调整外加剂用量，如理论掺量1%则可放宽至(1±0.2)%，避免通过大幅提高用水量调整混凝土坍落度。

　　4结论与讨论

　　本文通过对某水下隧道工程敞开段清水混凝土施工过程中出现的严重砂斑、砂线缺陷进行现场调查研究与室内试验分析，发现原材料品质波动引起的生产用水量提高是导致砂斑、砂线缺陷的主要原因。由此从原材料品质控制、拌合生产、浇筑施工和及时养护等角度提出清水混凝土外观质量提升建议，为今后同类型工程提供参考。然而，在目前混凝土行业原材料品质普遍下降的大环境下，如何通过材料制备技术与工艺优化措施满足清水混凝土外观质量的稳定是今后值得深入研究的课题。

　　参考文献：

　　[1]刘昊槟,孟令月,贾紫阳.港珠澳大桥西人工岛敞开段隧道清水混凝土施工[J].中国港湾建设,2016,36(7):76-79.

　　[2]侯海龙,李记军.清水混凝土在蠡湖隧道工程中的应用[J].隧道建设,2008,28(3):101-103,144.

　　[3]秦凯.城市道路地下结构清水混凝土模板施工技术[J]隧道建设,2012,32(3):407-412.

　　[4]张粤.饰面清水混凝土在太湖大道地下通道工程中的应用[J].建筑技术,2011,42(8):79-82.

　　[5]李强,李辛民,孟闻远,等.我国清水混凝土技术发展现状、存在问题及对策[J].建筑技术,2007,8(1):4-6.

　　[6]崔鑫,于振水,路林海,等.工程应用中清水混凝土表观质量通病及应对措施[J].混凝土,2017(9):112-115

　　作者：姜骞，于诚