采用砂浆富余系数法设计清水混凝土试验研究

王伟，杨善顺，连亚明，陈贤锡

（厦门天润锦龙建材有限公司，福建 厦门 361027）

采用砂浆富余系数法设计清水混凝土试验研究

王伟，杨善顺，连亚明，陈贤锡

（厦门天润锦龙建材有限公司，福建 厦门 361027）

本文采用砂浆富余系数法对清水混凝土配合比进行设计，根据经验选择砂浆富余系数 1.9。试验表明：选择普通的砂、石、水泥、矿粉和外加剂等原材料以及自制的脱模剂，经过周密严谨的施工安排和细节处理，即可实现清水混凝土效果。

砂浆富余系数；清水混凝土；配合比设计

0 前言

随着混凝土技术的不断发展、高性能混凝土的应用，混凝土在建筑领域发生着一系列的变化。混凝土从单一的结构材料正在逐步转变为饰面材料，清水混凝土应运而生[1-2]。

清水混凝土一次浇筑成型，以混凝土本身的自然质感与精心设计的明缝，禅缝和对拉螺栓组合形成的自然状态作为装饰面，其表面光滑平整、棱角分明、线条顺畅、色泽均匀。与传统的混凝土相比，清水混凝土具有减少施工工序、缩短工期、减少安全隐患和质量通病、降低工程造价，耐久性好等优点[3-5]。

精美的混凝土外观依赖于良好的混凝土拌合物性能。清水混凝土拌合物应具有良好的流动性、粘聚性和保水性，在振捣的过程中不分层、泌水、离析。同时控制拌合物含气量不能过大亦不能过小，含气量过大则产生较多的气泡，过少则和易性较差[6-7]。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

试验选用福建红狮水泥股份有限公司的 P·O42.5R 水泥，表观密度 3100kg/m3，28d 抗压强度 50.2MPa ；三钢集团股份有限公司的 S95 级矿粉，表观密度 2920kg/m3，28d 活性指数102%；细集料为河砂，表观密度 2610kg/m3，细度模数 2.6；粗集料为普通碎石，表观密度 2670kg/m3，粒径 5～20mm 和16～31.5mm 两种；外加剂采用福建科之杰新材料有限公司的聚羧酸高性能减水剂，减水率 30%；试验用水为自来水，满足现行行业标准 JGJ 63—2006《混凝土用水标准》的要求。

脱模剂是影响清水混凝土表观质量的重要因素，本试验选用水性脱模剂，并按脱模剂∶水∶消泡剂= 1:1:0.02 的比例进行复配。

1.2 试验方法

采用砂浆富余系数法进行清水混凝土配合比设计，并符合 JGJ 169—2009《清水混凝土应用技术规程》的规定；碎石堆积密度及空隙率测试按照行业标准 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》执行；拌合物性能测试按照国家标准 GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》执行；混凝土力学性能测试按照国家标准 GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》执行。

砂浆富余系数=Vm/Vog；其中 Vm表示砂浆体积，Vog表示粗骨料堆积空隙体积，砂浆富余系数即为砂浆体积与粗骨料空隙体积之比。砂浆富余系数越大，混凝土坍落度越大，混凝土的流动性越好。

2 配合比设计

设计要求：强度等级 C40，坍落度 (180±20)mm，矿粉掺量 20%。

（1）确定混凝土配制强度（fcu,o）；由 fcu,o≥fcu,k+1.645σ可以得到 fcu,o=40+1.645×5=48.2(MPa)；

（2）确定水胶比；由保罗米水胶比公式可以算得水胶比µ=0.41。

（3）确定碎石堆积最小空隙率；二级配碎石的堆积空率率见表 1。

表1　二级配碎石堆积空隙率

碎石堆积空隙率越小，需要填充的砂浆体积就越小，经试验确定碎石最小堆积空隙率为 α=0.442。

（4）确定 1m3混凝土的砂石用量

式中：Vg——石子体积，Vc——混凝土体积，Vm——砂浆体积。

根据设计要求和试验经验选择富余系数 Vm/Vog=1.9，联立公式 (1)、(2) 可以算得石子体积 Vg=0.401m3，砂浆体积Vm=0.599m3，石子用量 mg=1070kg，其中 5～20mm 石子用量749kg，16～31.5mm 石子用量 321kg。

根据经验选取砂率为 0.42，砂子用量 ms=775kg。非引气型混凝土含气取 1%。

进而可以算得浆体的体积 Vb=1-Vg-Vs-0.01=0.292(m3)。

（5）确定 1m3混凝土浆体组成

胶凝材料表观密度公式：

式中：

ρb——胶凝材料表观密度，kg/m3

ρc——水泥表观密度，kg/m3；

βc——水泥占胶凝材料总量的百分率，%；

Pk——矿粉表观密度，kg/m3；

βk——矿粉占胶凝材料总量的百分率，%。

根据公式 (3) 可以算得胶凝材料的表观密度 3060kg/m3。

1m3混凝土中胶凝材料用量公式：

式中：mb——胶凝材料质量，kg；

mw——水的质量，kg。

根据公式 (4) 可以算得 1m3混凝土胶凝材料用量 mb= 395kg；由水胶比 µ=0.41，可以算得 1m3混凝土用水量 mw= 162kg；矿粉掺量 20%，可以算得 1m3混凝土矿粉用量 mk= 79kg；1m3混凝土水泥用量 mc=316kg；外加剂掺量 0.7%，可以算得 1m3混凝土外加剂用量为 2.68kg；设计配合比如表 2。

表2　设计配合比 kg/m3

3 试拌调整

按上述清水混凝土配合比进行试拌，坍落度 180mm，扩展度 500mm，容重 2370kg/m3，含气量 0.6%，可以满足清水混凝土施工需要。根据容重对配合比进行调整，结果如表 3。

4 成型清水试块

清水混凝土最主要两个指标即为：气孔和色差。通过成型 1m×1m×2m 静载试块来评定此清水混凝土配合比是否可行。

成型前，钢制静载试块模具需要均匀涂刷一层脱模剂（经过复配），并确保模具安装完整严密。搅拌站生产的混凝土经搅拌车运送到工地，入摸时测得混凝土坍落度 180mm（如图1），和易性良好无离析泌水。成型时，分两次浇筑，每次浇筑 0.5m，振动棒沿模具四周均匀振捣。第二次振捣时要插入第一层的浇筑面。振动棒快速插入，缓缓拔出，表面泛浆即可，不可过振亦不可欠振（如图2）。

图1　混凝土坍落度

图2　振捣成型

5 清水混凝土效果

清水混凝土的拆模效果如图3 所示（图中圆圈标注的缺陷部分是模具原因造成）。从图中可以看出气孔数量很少而且没有较大气孔，颜色均匀，平整光滑，无蜂窝麻面。清水混凝土 28 天标准养护试块抗压强度 54.3MPa，满足设计要求。清水混凝土试块四个侧边气孔数量及孔径大小分布如表4。

图3　拆模效果

表4　清水试块孔径数量及孔径大小分布

根据行标 JGJ 169—2009《清水混凝土应用技术规程》中 11 章质量验收表 11.3.1 的规定：颜色基本一致，无明显色差；气泡最大直径不大于 8mm，深度不大于 2mm，每 1m2气泡面积不大于 20cm2。该清水混凝土试块可以满足饰面清水混凝土的要求。

6 结语

（1）砂浆富余系数法设计出的清水混凝土配合比，使用普通砂、石、外加剂，经过周密严谨的施工安排和细节处理，即可实现清水混凝土效果。

（2）清水混凝土作为可以展示混凝土本色的特殊混凝土，其质量要求除了满足设计强度等级外，更注重的外观质量，外表颜色以及整体的感官效果和艺术性。

[1] 张艳，吴长福．清水混凝土建筑设计初探[D]．上海：同济大学．2007

[2] 王丽凤，刘大超．高性能清水混凝土实验分析与研究[D]．重庆：重庆交通大学．2008

[3] 程磊，王彦明．高层建筑清水混凝土施工工艺及工程应用研究[D]．济南：山东大学．2012

[4] 周孝军，牟廷敏，梁远博．石粉含量对机制砂清水混凝土表观质量的影响[J]．混凝土，2015(12): 106-109．

[5] 梁远博，牟廷敏，丁庆军，等．外加剂对机制砂清水混凝土性能的影响[J]．混凝土，2015(4): 115-118．

[6] 卜凤霞．清水混凝土的修补技术[J]．中国新技术新产品，2015(2):87-87．

[7] 金振，卢振华，许成宏．大流态浅白色清水混凝土研制与应用[J]．建筑施工，2015(6): 694-695．

［通讯地址］福建省厦门市海沧区东孚镇凤山村凤美四路 39号，厦门天润锦龙建材有限公司（361027）

Experiment research of fair-faced concreteby surplus coefficient of mortar

Wang Wei, Yang Shanshun, Lian Yaming, Chen Xianxi
(Xiamen Tianrun Jinlong Building Materials Co., Ltd., Fujian Xiamen 361027)

The research designed the mixture ratio of fair-faced concrete by surplus coefficient of mortar, and according to the experience to chose surplus coefficient of mortar is 1.9. The results show that, using the ordinary sand, stone, cement, slag powder, admixtures and homemade release agent,the effect of fair-faced concrete can be realized after careful rigorous construction schedule and details.

surplus coefficient of mortar; fair-faced concrete; mix proportion design of concrete

王伟（1988—），男，工程师，福建厦门，主要从事新型混凝土及建筑材料研究工作。