太湖隧道主體結構白色清水混凝土優(yōu)化配制研究

吳永立 ，劉偉 ，劉思楠 ，谷坤鵬 ，張君韜

(1.中國交通建設股份有限公司江蘇分公司，江蘇 南京 211899；2.中交上海港灣工程設計研究院有限公司，上海 200030)

0 引 言

清水混凝土是混凝土材料的一種表達形式，顯示的是材料最本質的美感，體現(xiàn)的是“素面朝天”的品位。悉尼歌劇院、日本國家大劇院、巴黎史前博物館等世界知名的藝術類公共建筑，均采用這一建筑藝術形式。隨著綠色建筑的客觀需求，人們環(huán)保意識的不斷提高，我國清水混凝土已在工業(yè)與民用建筑、市政工程、廠房、機場以及道路橋梁工程也陸續(xù)獲得應用[1-2]。

目前，國內諸多工程對混凝土外觀要求越來越高，使用清水混凝土的趨勢也愈發(fā)強烈，如港珠澳大橋島隧工程東人工島為觀光島，島上擋浪墻、隧道敞開段和上部建筑結構均采用了清水混凝土，這是國內首個外海集群清水混凝土施工工程，對提升港珠澳大橋工程整體形象具有重要意義。相比普通的清水混凝土，白色清水混凝土對外觀氣泡、色差、平整度、光潔度和裂縫等有更嚴格的要求，而不同使用環(huán)境、不同結構形式和不同外觀要求情況下，清水混凝土的配制又不盡相同，因此，需要結合不同工程的耐久性要求及相關的技術特點，開展混凝土原材料、配合比配制技術研究[3-6]。

本文依托太湖隧道工程，通過改變不同水泥品種、礦物摻合料種類，以及調整礦物摻合料、水泥配比的方式，著重研究了白水泥、普通水泥與粉煤灰、礦粉的配比和摻量對白色清水混凝土強度以及耐久性的影響規(guī)律，提出了白水泥配制清水混凝土優(yōu)選配合比，并開展了白色清水混凝土抗裂性評估試驗。為太湖隧道工程及國內外類似工程施工或研究提供一定的理論依據(jù)和參考[5-8]。

1 試 驗

1.1 原材料

白水泥：江西銀杉白水泥有限公司產圣德翰牌P·W42.5級，早強型，無放射性，具有白度高、強度高、堿度低、穩(wěn)定性好等特點，色澤艷麗光亮，主要性能指標見表1；普通水泥：海螺牌P·O42.5，白水泥與普通水泥外觀對比見圖1；粉煤灰：Ⅱ級；礦粉：S95 級；砂：天然河砂，細度模數(shù)2.8；石：三級配碎石，小石粒徑 5～10 mm，中石粒徑 10～20 mm，大石粒徑 16～25 mm；外加劑：聚羧酸類高性能減水劑，減水率60%，固含量50%。

表1 白水泥的主要性能指標

圖1 白水泥與普通水泥外觀對比

1.2 試驗配比

隧道的主體結構頂板為白色清水混凝土應用區(qū)域，清水混凝土具體技術要求為：(1)坍落度(200±20)mm；(2)設計強度等級C40，28 d 試配抗壓強度48.3 MPa；(3)外觀色澤呈微白色。除外觀色澤外，白色清水混凝土的配制要求與普通清水混凝土相同。因此，本文在普通清水混凝土配合比基礎上對白色清水混凝土的配制試驗開展了研究。普通清水混凝土配合比見表2。

表2 清水混凝土的基準配合比 kg/m3

1.2.1 白水泥與普通水泥對比和復配試驗

(1)采用白水泥全部替代普通水泥：1#試樣采用基準配合比，2#試樣采用白水泥全部替代普通水泥。

(2)白水泥與普通水泥復配試驗：將白水泥與普通水泥按照一定比例復配，白水泥占水泥總質量分別為100%、75%和50%，編號分別為 3#、4#、5#。

通過以上試驗研究白水泥配制清水混凝土的工作性能、力學性能及外觀質量，優(yōu)選出白水泥摻量。

1.2.2 粉煤灰和礦粉摻量試驗

調整粉煤灰和礦粉的摻量(尤其是粉煤灰)，配制出不同色澤的清水混凝土，并研究白水泥配制清水混凝土的工作性能、力學性能及外觀質量，優(yōu)選出摻合料摻量。試驗方案如表3 所示。

表3 不同水泥和摻合料試驗方案 kg/m3

1.2.3 白水泥配制清水混凝土水化熱及變形試驗

以優(yōu)選的白色清水混凝土配合比為基礎，通過對比白水泥和普通水泥研究白水泥配制清水混凝土的水化熱及變形情況，判斷優(yōu)選配合比的抗裂性。

2 試驗結果及討論

2.1 白水泥與普通水泥對比和復配試驗

2.1.1 白水泥全替代普通水泥試驗

采用白水泥全部替代普通水泥制備的清水混凝土性能分別見表4 和圖2，2 種混凝土的圓模外觀見圖3。

表4 不同水泥配制清水混凝土的性能

圖2 清水混凝土的工作性能測試

圖3 1#、2#混凝土的圓模外觀

由表4 和圖2 可見，采用白水泥配制的白色清水混凝土工作性較好，對混凝土的和易性影響較小；白色清水混凝土的坍落度損失較普通清水混凝土大。白色清水混凝土的早期抗壓強度增長較快，且明顯高于普通清水混凝土，其1 d 抗壓強度超過20 MPa，后期二者的抗壓強度相近；2 種清水混凝土的電通量均比較低，抗?jié)B性能好，且普通清水混凝土的電通量低于白色清水混凝土。由圖3 可以看出，白色清水混凝土的顏色呈白色亮光，普通清水混凝土的顏色明顯較深。綜合得出：白水泥替代普通水泥配制清水混凝土，其工作性能和力學性能均變化不大，因此其優(yōu)選配比需從顏色及抗裂角度進行考慮和選擇[8]。

2.1.2 白色和普通清水混凝土SEM 分析(見圖4)

由圖4 可見，28 d 齡期時，普通清水混凝土中出現(xiàn)大量的C-S-H 凝膠、遭侵蝕的CH 六角板狀晶體及未水化且不規(guī)則的礦渣礦物顆粒，結構也較為密實。與普通清水混凝土相比，白色清水混凝土在28 d 齡期的漿體中C-S-H 凝膠明顯增多，凝膠發(fā)展的程度明顯較快，CH 晶體生長更好，且晶體相互重疊，結構更為密實。由此可見，白水泥的水化稍強于普通水泥，與混凝土的抗壓強度發(fā)展規(guī)律一致[9-10]。

圖4 普通與白色清水混凝土的SEM 照片

2.1.3 白水泥與普通水泥復配試驗

采用白水泥部分替代普通水泥制備的清水混凝土性能見表5，4#、5#混凝土的圓模外觀見圖5。

表5 不同水泥復配比例清水混凝土的性能

圖5 4#、5#混凝土的圓模外觀

由表5 和圖5 可見，采用白水泥和普通水泥復配后清水混凝土的和易性略有下降；復配的普通水泥越多，清水混凝土的早期抗壓強度越低，后期抗壓強度相近；復配后混凝土表面有較明顯的深色色差與色紋；復配的普通水泥越多，清水混凝土的電通量越高，二者復配不利于混凝土的耐久性能。

2.2 粉煤灰和礦粉摻量組合試驗

2.2.1 初步試驗結果與分析

不同水泥和摻合料制備的清水混凝土的性能見表6，混凝土圓模外觀見圖6。

表6 不同水泥和摻合料制備的清水混凝土的性能

圖6 不同水泥和摻合料制備的清水混凝土圓模外觀

由表6 和圖6 可見，摻加粉煤灰后白色清水混凝土的28 d 抗壓強度較普通清水混凝土有所降低，但均符合C40 強度等級要求；在礦粉摻量為30%基礎上，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的外觀顏色逐漸加深，8#、9#、10#試樣與普通清水混凝土顏色相近，此時粉煤灰摻量分別為10%、20%、25%。

2.2.2 優(yōu)選試驗

根據(jù)現(xiàn)場粉煤灰質量及色澤統(tǒng)計情況，采用超過15%粉煤灰拌制混凝土時，白水清水混凝土出現(xiàn)了一定色差，粉煤灰摻量應＜15%，同時為了保持白色清水混凝土與普通清水混凝土色澤一致，粉煤灰摻量宜≥10%。固定膠凝材料總量為400 kg/m3，在粉煤灰摻量10%～15%內進行進一步優(yōu)選，試驗配比和清水混凝土性能見表7，混凝土圓模外觀見圖7。

表7 不同粉煤灰摻量下白色清水混凝土的性能

圖7 不同粉煤灰摻量下白色清水混凝土的圓模外觀

由表7 和圖7 可見，不同粉煤灰摻量清水混凝土的抗壓強度和電通量相差不大，外觀以13#試樣最佳。因此，綜合考慮白色清水混凝土的色澤及冬季施工早期強度發(fā)展，優(yōu)選粉煤灰摻量為12%，礦粉摻量為28%。

2.2.3 白色清水混凝土配合比優(yōu)選

通過上述對白色清水混凝土工作性、力學性能及外觀試驗研究表明：

(1)復摻28%礦粉和12%粉煤灰摻量的白色清水混凝土為該工程的優(yōu)選配合比，如表8 中的A 試樣，圖8 是采用該優(yōu)選配合比在室內澆筑了50 cm×50 cm×20 cm 的小方模型，外觀色澤均勻，顏色發(fā)白。

(2)若需外觀顏色更白、更美觀，可采用單摻30%礦粉的配合比，如表8 中的B 試樣。

表8 白色清水混凝土基準配合比 kg/m3

圖8 A 組配合比制備的白色清水混凝土小方模型外觀

2.3 白色清水混凝土的水化熱及變形試驗

普通水泥和白水泥以及摻加復合摻合料(28%礦粉+12%粉煤灰)的普通水泥和白水泥水化熱曲線見圖9，水化放熱速率曲線見圖10。

圖9 不同水泥和摻合料的水化熱曲線

由圖9 可知：普通水泥和白水泥以及摻加復合摻合料(28%礦粉+12%粉煤灰)的普通水泥和白水泥168 h 水化熱分別為 246.59、304.92、208.64、233.67 J/g，白水泥的水化熱比普通水泥高23.7%；摻加礦物摻合料后水化熱有較大幅度的減少，但摻加相同的摻合料，采用白水泥的水化熱依然比普通水泥高12.0%。

圖10 不同水泥和摻合料的水化放熱速率曲線

由圖10 可見，白水泥的放熱集中在前24 h，且在這期間白水泥的放熱速率非常高，接近30 J/(g·h)；普通水泥的放熱集中在前48 h，最大放熱速率僅為5 J/(g·h)。2 種水泥摻加摻合料后，放熱集中時間沒有差別，但放熱速率都有一定程度地降低，其中，白水泥摻加礦物摻合料后，最大放熱速率下降了50%。白水泥放熱較集中在前期，不利于大體積混凝土溫度控制，摻加摻合料有利于緩解集中放熱，但放熱速率依然較高。從水化熱試驗分析，采用白水泥不利于清水混凝土控裂[4]。

對2 種水泥配制的清水混凝土試件進行限制膨脹率與自由膨脹率試驗，結果見圖11。

圖11 清水混凝土的限制膨脹率和自由膨脹率曲線

由圖11(a)可見，2 種水泥制備的清水混凝土由于水化放熱，前3 d 均處于膨脹狀態(tài)，白色清水混凝土的限制膨脹率最高接近0.020%，比同齡期的普通清水混凝土高近1 倍；在3～14 d 內，二者限制膨脹率均開始減小，而白色清水混凝土的減小幅度明顯高于普通清水混凝土；28 d 時，普通和白色清水混凝土限制膨脹率分別為-0.001%、-0.005%。由圖11(b)可見，白色清水混凝土早期7 d 自由變形略大于普通清水混凝土；5～21 d 時，二者的收縮幅度較大，但白色清水混凝土的收縮速率較快；28 d 時二者的自由膨脹率相近，普通清水混凝土為-0.0434%，白色清水混凝土為-0.0466%。從變形性能看出，采用白水泥對混凝土變形影響較小[1，4]。

根據(jù)水化熱試驗，采用白水泥替代普通水泥，存在前期放熱集中，不利于大體積混凝土溫度及裂縫控制；根據(jù)變形性能試驗，采用白水泥替代普通水泥對混凝土變形性能影響不大。

3 結 論

(1)白水泥替代普通水泥后清水混凝土的外觀色澤呈白色，對混凝土的和易性影響不大，但早期抗壓強度增幅加快，1 d 抗壓強度可超過20 MPa。

(2)采用白水泥配制的混凝土電通量符合≤1000 C 的設計要求，在白水泥中摻加礦物摻合料可有效降低電通量，白水泥與普通水泥復配后，電通量增大，不利于清水混凝土的耐久性。

(3)通過白色清水混凝土工作性、力學性能及外觀試驗研究，得出復摻28%礦粉+12%粉煤灰的白色清水混凝土優(yōu)化配合比，制備的白色清水混凝土為28 d 抗壓強度51.0 MPa，外觀色澤均勻，顏色發(fā)白；單摻礦粉的清水混凝土顏色較白，摻加粉煤灰可以調節(jié)白色清水混凝土的外觀顏色。

(4)白水泥的水化熱達到了304.92 J/g，摻加復合摻合料后水化熱大幅降低。