清水混凝土表觀質(zhì)量控制與評(píng)價(jià)方法試驗(yàn)分析

龐小琪，曹玉新，霍曼琳

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.中電建鐵路建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，北京 100044)

一般建筑工程中常用的普通混凝土，對(duì)其表觀質(zhì)量的要求相對(duì)較低，只要沒有明顯的麻面、蜂窩漏筋等較大的工程質(zhì)量缺陷問題即可。清水混凝土結(jié)構(gòu)一次成型，不需要裝修裝飾，減少了大量建筑垃圾，有利于環(huán)境保護(hù)。同時(shí)，清水混凝土結(jié)構(gòu)避免了普通混凝土中常存在的空鼓脫落、裂縫等質(zhì)量隱患，有利于結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的全面提高。但是，對(duì)清水混凝土的表觀質(zhì)量隨著設(shè)計(jì)要求不斷增加，則要求混凝土表面光潔如鏡、平整無缺陷，表觀顏色一致。

目前，關(guān)于清水混凝土表觀質(zhì)量評(píng)價(jià)尚未有具體統(tǒng)一的方法。雖然相關(guān)技術(shù)規(guī)程在清水混凝土表觀質(zhì)量評(píng)價(jià)方面有所要求，但都是在混凝土成型硬化后進(jìn)行評(píng)價(jià)，不利于施工過程中對(duì)混凝土表觀質(zhì)量的控制。若能提前“預(yù)判斷”，可減少建筑垃圾，節(jié)省施工時(shí)間，有利于節(jié)約資金，降低工程成本?；诖?，本文以深圳地鐵安托山停車場(chǎng)深云車輛段及西安在建地鐵停車場(chǎng)的混凝土立柱、鄭州市市內(nèi)道路高架橋混凝土橋墩為依托工程，對(duì)清水混凝土表觀質(zhì)量的控制及評(píng)價(jià)方法進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 清水混凝土特征

清水混凝土又被稱為裝飾混凝土，顧名思義，是指在結(jié)構(gòu)施工的同時(shí)可以獲得裝飾的效果，其最顯著的特征就是高質(zhì)量的表觀性能。對(duì)比普通混凝土，清水混凝土表面應(yīng)平整光滑、棱角分明、無碰損和污染，不允許出現(xiàn)裂縫、蜂窩、麻面等缺陷，要求盡量減少氣孔和色差[1]，看起來顯得十分天然、莊重[2]，其中，色澤及氣泡是最直觀的表現(xiàn)。

1)色澤。清水混凝土表面的色澤要均勻，不能出現(xiàn)明顯的色差，這是對(duì)清水混凝土最基本的要求。因此，對(duì)于清水混凝土原材料選用、配合比的設(shè)計(jì)，以及施工工藝等都有嚴(yán)格的要求，有利于清水混凝土表觀質(zhì)量色澤達(dá)到初步理想化。

2)氣泡。清水混凝土表面不允許出現(xiàn)明顯的氣泡，若表面氣泡明顯，易降低混凝土的耐腐蝕性能，混凝土表面碳化的進(jìn)程加速，嚴(yán)重時(shí)影響表觀質(zhì)量整體完整性。若氣泡大小及數(shù)量超出允許范圍，需對(duì)氣泡進(jìn)行修補(bǔ)，但是，修補(bǔ)會(huì)導(dǎo)致混凝土表面色澤不均，且增加施工成本。

2 清水混凝土表觀質(zhì)量控制

本文依托工程中的立柱及墩，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C40，施工采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑，坍落度(180±20)mm。原材料質(zhì)量及配合比設(shè)計(jì)是清水混凝土表觀質(zhì)量保證的前提，故在清水混凝土生產(chǎn)、施工中的各個(gè)環(huán)節(jié)都需要進(jìn)行細(xì)致、嚴(yán)格、系統(tǒng)的控制。

1)試驗(yàn)時(shí)，原材料要求如下：

① 水泥：安康市堯柏水泥有限公司 P·O 42.5 水泥，其主要技術(shù)參數(shù)滿足《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2020)規(guī)范要求，見表1。

表1 水泥檢測(cè)項(xiàng)目及性能指標(biāo)

② 粗骨料：縣里鋪村北溝渠采石廠的碎石，顏色一致，含泥量 0.5%，針、片狀含量 2% 連續(xù)級(jí)配好。

③ 細(xì)骨料：神木市順成源砂業(yè)有限公司河砂，細(xì)度模數(shù) 2.38，含泥量 ≤2.0%，不含雜物。

④ 礦粉：天元工業(yè)廢渣科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的礦粉，混凝土表觀質(zhì)量產(chǎn)生“鏡面”效果的主要成分是礦粉，白色粉末狀，細(xì)度、需水量小，礦粉摻量為 15%、25%、35%，3組不同摻量作對(duì)比。

因此，嚴(yán)格把控礦渣比表面積，應(yīng)選擇同一廠家、規(guī)格及顏色批次，明確添加劑摻量及品種。其主要技術(shù)參數(shù)滿足《用于水泥、砂漿和混凝土中的粒化高爐礦渣》(GB/T 18046—2017)規(guī)范要求，見表2。

表2 礦粉檢測(cè)項(xiàng)目及性能指標(biāo)

⑤ 減水劑：聚羧酸高性能減水劑，山西康特爾精細(xì)化工有限公司生產(chǎn)。減水率 ≤ 25%，含氣量 ≤ 2.5%；初凝時(shí)間6～7 h，終凝時(shí)間12～16 h。清水混凝土設(shè)計(jì)配合比見表3。

表3 C40清水混凝土配合比 kg/m3

2)試驗(yàn)時(shí)，施工環(huán)節(jié)具體要求如下：

① 試驗(yàn)過程中，確保原材料是同一生產(chǎn)商、同一批次；

② 攪拌結(jié)束，從攪拌鍋內(nèi)倒出拌合物，將攪拌鍋內(nèi)水泥砂漿清理刮出，再多次攪拌；

③ 裝模具時(shí)，分層振搗，嚴(yán)格按照規(guī)定要求，防止粗集料沉底，分層現(xiàn)象嚴(yán)重；

④ 模具內(nèi)部，刷涂脫模劑時(shí)應(yīng)均勻，以便后期影響表觀質(zhì)量。

3 表觀質(zhì)量評(píng)價(jià)方法分析

目前，針對(duì)清水混凝土的表觀質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)沒有比較成熟的研究，并且現(xiàn)有的質(zhì)量驗(yàn)收、評(píng)價(jià)方法都是相對(duì)滯后的。通常建筑施工過程中，將工程實(shí)體的質(zhì)量作為評(píng)判清水混凝土的標(biāo)準(zhǔn)，往往會(huì)導(dǎo)致清水混凝土供應(yīng)商、施工單位、建設(shè)單位之間發(fā)生爭(zhēng)議，從某種程度上制約且限制了清水混凝土技術(shù)的發(fā)展[3-5]。根據(jù)《清水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ 169—2009)，存在著對(duì)清水混凝土色澤及氣泡的相關(guān)驗(yàn)收沒有具體要求：針對(duì)氣泡進(jìn)行定量要求，但未具體明確分布情況，判定結(jié)果不全面。而對(duì)色差，僅僅通過肉眼觀察，定性地要求“有無明顯色差”[6]。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究，其中，Sliva[7]研究表明使用孔洞面積百分?jǐn)?shù)，孔洞尺寸分布和最大孔洞尺寸3個(gè)參數(shù)能夠更加全面地描述混凝土表面的孔洞情況。通過各組混凝土表面孔洞面積百分?jǐn)?shù)，孔洞尺寸分布和直徑大于 2 mm 孔洞個(gè)數(shù)對(duì)清水混凝土評(píng)價(jià)分析。王瑞興等[8]通過計(jì)算機(jī)圖像的處理方式，對(duì)混凝土表面缺陷進(jìn)行半定量化處理，并用于工程中混凝土建筑的外觀質(zhì)量評(píng)測(cè)；周湘君等[9]提出通過圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)混凝土表面質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法；王龍志[10]提出了清水混凝土表觀質(zhì)量評(píng)價(jià)方法氣泡法，氣泡法可對(duì)清水混凝土施工效果進(jìn)行提前判斷，即要實(shí)現(xiàn)“清水”狀態(tài)。混凝土既要易排泡，也具有一定的漿體量，不能形成浮漿，影響混凝土的色澤均勻性。但這些方法都較為片面、單一，未將混凝土表觀質(zhì)量控制與評(píng)價(jià)方法相結(jié)合，對(duì)后期表觀質(zhì)量能否保證達(dá)到施工條件要求具有不確定性。

本試驗(yàn)結(jié)合氣泡法和圖像分析法進(jìn)行清水混凝土表觀質(zhì)量的控制及評(píng)價(jià)。氣泡法可提前預(yù)判混凝土表觀質(zhì)量的狀態(tài)，通過混凝土拌合物中氣泡上浮時(shí)間及浮漿量來直觀觀察評(píng)價(jià)表觀質(zhì)量的效果；而圖像分析法利用光學(xué)軟件，分析評(píng)價(jià)已成型拆模后混凝土的表觀質(zhì)量，定量分析。2種方法結(jié)合，節(jié)省時(shí)間，提高效率，降低成本，評(píng)價(jià)效果更佳。同時(shí)也可驗(yàn)證氣泡法是否可靠，預(yù)判效果是否準(zhǔn)確。利用氣泡法與圖像分析法，判斷影響清水混凝土表觀質(zhì)量控制及評(píng)價(jià)的因素。

3.1 氣泡法

氣泡法通過氣泡上浮的時(shí)間及浮漿厚度“預(yù)判斷”清水混凝土表觀質(zhì)量的效果，同時(shí)，通過浮漿量提前預(yù)判是否會(huì)發(fā)生分層等質(zhì)量問題，有可能造成清水混凝土色澤的均勻性不一致。此方法是在透明的桶內(nèi)放置1個(gè)乒乓球，將清水混凝土裝入透明桶內(nèi)，進(jìn)行振動(dòng)模擬施工，記錄氣泡上浮的時(shí)間，同時(shí)，靜置測(cè)量透明桶內(nèi)的浮漿量。

利用氣泡法對(duì)清水混凝土表觀質(zhì)量“預(yù)判斷”，初步設(shè)計(jì)混凝土配合比，計(jì)算好原材料用量，準(zhǔn)確稱量，充分?jǐn)嚢瑁韬衔餇顟B(tài)如圖1所示。攪拌結(jié)束后，測(cè)量混凝土拌合物的坍落度是否滿足其工作性能，如圖2所示。

圖1 清水混凝土拌和物狀態(tài)

圖2 混凝土坍落度測(cè)量

通過模擬氣泡上浮，觀察氣泡上浮時(shí)間。但還應(yīng)合理控制混凝土含氣量，含氣量過大，混凝土表面易形成孔洞，不密實(shí)，強(qiáng)度降低；若含氣量過小，和易性差，抗凍性差，易發(fā)生開裂。混凝土拌合物采用含氣量測(cè)定儀檢測(cè)，如圖3所示。

圖3 混凝土含氣量測(cè)定儀

對(duì)混凝土拌合物進(jìn)行氣泡法試驗(yàn)，試驗(yàn)過程如圖4所示。

圖4 氣泡法試驗(yàn)過程

3組混凝土拌合物坍落度、含氣量、小球上浮時(shí)間、浮漿厚度數(shù)據(jù)對(duì)比見表4。

表4 清水混凝土數(shù)據(jù)

由表 3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，3組不同摻量礦粉的混凝土拌和物坍落度均滿足施工要求，和易性良好。試驗(yàn)中選用的礦粉狀態(tài)呈白色粉末狀，隨著礦粉摻量逐漸增加，清水混凝土試塊逐漸明亮。小球上浮的時(shí)間逐漸減少，含氣量逐漸降低，則混凝土拌合物更加密實(shí)，氣泡少，且氣泡更容易排出，說明清水混凝土表觀質(zhì)量更佳。但隨著礦粉摻量增加，35% 礦粉摻量的混凝土產(chǎn)生輕微泌水現(xiàn)象。當(dāng)?shù)V粉摻量為35% 時(shí)，浮漿厚度為0.5 mm，清水混凝土表觀質(zhì)量容易形成色澤不均勻現(xiàn)象。因此，礦粉摻量為35% 時(shí)，對(duì)混凝土和易性及表觀質(zhì)量色澤均勻性均有輕微影響?！邦A(yù)判斷”礦渣粉25% 時(shí)，混凝土表觀質(zhì)量最佳，色澤均勻性良好，氣泡數(shù)量少。

混凝土含氣量、小球上浮時(shí)間變化微小，氣泡逐漸減少且宜排出，預(yù)判斷混凝土表面氣泡減少。但是，隨著礦渣粉的摻量增加，拌合物狀態(tài)的漿體數(shù)量多，容易形成浮漿，這對(duì)混凝土表觀質(zhì)量色澤的均勻性有一定的影響。進(jìn)而證明：混凝土首先滿足工作性能的條件，再利用氣泡法對(duì)清水混凝土表觀質(zhì)量預(yù)判斷，含氣量不宜過大，氣泡宜排出，減少混凝土表觀氣泡數(shù)量。同時(shí)有一定漿體量，但又不能形成浮漿，以免影響混凝土表觀色澤均勻性。

3.2 圖像分析法

本研究在氣泡法“預(yù)判斷”的基礎(chǔ)上，對(duì)清水混凝土表觀質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)也可判斷氣泡法的“預(yù)判斷”是否可靠，兩者結(jié)合形成一個(gè)較完整全面的評(píng)價(jià)方法。

圖像分析是利用光學(xué)分析手段對(duì)圖片進(jìn)行分析評(píng)定，針對(duì)混凝土色澤、表面氣泡數(shù)量，提出用于清水混凝土外觀質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法。

周輝等[11]提出3種評(píng)定指標(biāo)同時(shí)對(duì)其做出定量分析，3種指標(biāo)分別是：平順性指標(biāo)、缺陷性指標(biāo)、通過感官性指標(biāo)。根據(jù)定量分析，將清水混凝土表觀質(zhì)量分為優(yōu)秀、良好、合格3類等級(jí)，見表 5。張建雄等[12]提出，采用光學(xué)處理軟件 Image-pro plus對(duì)清水混凝土表觀質(zhì)量計(jì)算灰度標(biāo)準(zhǔn)值，利用數(shù)據(jù)定量分析清水混凝土表觀質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)。彭海濤[13]等研究表明，其中灰度標(biāo)準(zhǔn)差越小代表圖像的色差越小，對(duì)混凝土來說表面色澤越均勻。劉海寶[14]通過定量分析清水混凝土表面色差區(qū)域，利用灰度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)差，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)差越小，表面色差越小。同時(shí)，拍攝時(shí)日照條件對(duì)灰度標(biāo)準(zhǔn)差的影響，9：00～17：00時(shí)段影響較小，可以忽略，拍照?qǐng)D像分辨率對(duì)圖像標(biāo)準(zhǔn)差影響可忽略不計(jì)。

表5 清水混凝土色澤一致性評(píng)價(jià)

圖像標(biāo)準(zhǔn)差反映數(shù)據(jù)集的離散程度，與數(shù)學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)差類似，能夠反映圖像色差大小。理論上它是根據(jù)采集圖像各像素點(diǎn)的灰度值與圖像灰度等級(jí)均值計(jì)算得來[15]。

本文試驗(yàn)研究對(duì)清水混凝土表觀質(zhì)量的評(píng)價(jià)，采用光學(xué)處理軟件Image-pro plus，對(duì)表面色澤的均勻程度評(píng)價(jià)分析，使得能夠達(dá)到表面光滑美觀的效果。根據(jù)氣泡法預(yù)判的25%摻量的混凝土工作性能及表觀質(zhì)量滿足要求，通過圖像分析驗(yàn)證這一結(jié)論。礦粉摻量不同，表觀質(zhì)量氣泡數(shù)量、色澤的均勻度完全不一致，用該方法定量分析，直觀評(píng)價(jià)清水混凝土表觀質(zhì)量。該方法可靠簡(jiǎn)便，但對(duì)混凝土表觀色澤均勻度進(jìn)行評(píng)判時(shí)，若不均勻度不明顯時(shí)，由于灰度處理，無法定清具體邊界。

試驗(yàn)時(shí)，以礦渣粉摻量為15%為參考，介紹光學(xué)處理軟件Image-pro plus 評(píng)價(jià)色澤均勻性操作步驟：

1)根據(jù)之前研究者的結(jié)論經(jīng)驗(yàn)，對(duì)清水混凝土研究區(qū)域拍攝；

2)通過Image-pro plus 軟件導(dǎo)入所采集的圖像文件，轉(zhuǎn)換成 Gray Scale 8灰度圖像?；叶戎捣秶O(shè)置在 0～255，如圖5所示。

圖5 灰度處理

3)將灰度處理后的圖像，采集混凝土試塊存在色差及氣泡數(shù)量，采集應(yīng)仔細(xì)對(duì)照，如圖6所示。

圖6 表面色差區(qū)域及氣泡測(cè)定

4)利用軟件，計(jì)算采集的區(qū)域圖像灰度標(biāo)準(zhǔn)差并收集數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)中，為了直觀地表示清水混凝土表觀質(zhì)量，每組試驗(yàn)中選取1塊表面光滑、氣泡少、色澤均勻的試塊為代表，分析評(píng)價(jià)清水混凝土表觀質(zhì)量，具體如圖 7所示。

圖7 不同礦粉礦量的混凝土的表觀質(zhì)量

依據(jù)上述操作，試驗(yàn)中分別對(duì)不同摻量的礦渣粉混凝土表面灰度標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)進(jìn)行收集，數(shù)據(jù)見表6。根據(jù)表6利用灰度標(biāo)準(zhǔn)差判斷標(biāo)準(zhǔn)，判斷不同礦粉摻量的清水混凝土表觀質(zhì)量，能否達(dá)到優(yōu)秀的等級(jí)。還需要結(jié)合其混凝土拌合物的工作性能、結(jié)合氣泡法的預(yù)判斷結(jié)果綜合分析。

表6 灰度標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)

隨著礦粉摻量逐漸增加，灰度標(biāo)準(zhǔn)差大幅度減小，當(dāng)?shù)V粉摻量為25%、35%時(shí)混凝土試塊灰度標(biāo)準(zhǔn)差基本上都是小于 6，即可以達(dá)到優(yōu)秀的評(píng)價(jià)等級(jí)，如圖8所示。因此，混凝土拌合物，利用氣泡法“預(yù)判斷”表觀質(zhì)量方法是可靠的，且此方法簡(jiǎn)單便捷，可推廣使用。通過2種方法綜合評(píng)價(jià)，礦粉摻量25%時(shí)，混凝土工作性能滿足要求且表觀質(zhì)量中氣泡少，色澤均勻性評(píng)價(jià)達(dá)到優(yōu)秀等級(jí)。

圖8 灰度標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)控制與評(píng)價(jià)表明這2種方法有機(jī)結(jié)合，對(duì)清水混凝土質(zhì)量的控制和保障起主動(dòng)作用。從混凝土的試拌開始到硬化成型，形成一套相對(duì)較完整的評(píng)價(jià)方法，與單純的使用其中一種方法相比，2種方法結(jié)合雖然步驟增多，但是評(píng)價(jià)更加全面，準(zhǔn)確率較高。劉海寶[14]利用氣泡法及圖像分析法2種方法結(jié)合，評(píng)價(jià)表觀色澤均勻性及氣泡數(shù)量，選擇推薦最優(yōu)施工配合比，此方法可靠，具有較強(qiáng)的應(yīng)用性，實(shí)際工程應(yīng)用率高。

4 結(jié)論

1)氣泡法通過小球上浮時(shí)間，預(yù)判斷混凝土表面氣泡數(shù)量，小球上浮時(shí)間應(yīng)較短，拌合物氣泡宜排出，則試塊越密實(shí)，內(nèi)部氣泡少。針對(duì)表面浮漿厚度，浮漿量若多，會(huì)造成表觀質(zhì)量色澤不均勻，但也要保證有輕微浮漿量，這樣和易性更好。

2)圖像分析根據(jù)圖像標(biāo)準(zhǔn)差可定量分析判斷混凝土表觀質(zhì)量色澤均勻性的優(yōu)劣，且證明氣泡法“預(yù)判斷”的準(zhǔn)確性。當(dāng)灰度標(biāo)準(zhǔn)差小于6時(shí)，混凝土表觀質(zhì)量?jī)?yōu)秀。

3)結(jié)合氣泡法與圖像分析2種方法，可對(duì)混凝土從澆筑成型到硬化拆模表觀質(zhì)量進(jìn)行較完整全面的評(píng)價(jià)，而且可根據(jù)“預(yù)判斷”的結(jié)果及時(shí)調(diào)整混凝土配合比或加強(qiáng)施工控制，以達(dá)到清水混凝土的美觀、光滑的表面效果。

4)本文依托工程的立柱及墩，在滿足工作性能前提下，礦粉摻量25%時(shí)混凝土表觀質(zhì)量色澤達(dá)到優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)，且氣泡數(shù)量少。擬推薦混凝土配合比見表7。

表7 擬推薦清水混凝土配合比