引言
　　清水混凝土以“素面朝天”的表现形式，独特的质感和装饰效果，越来越多地受到建筑设计师和市民的青睐[[i]]。随着用于配制清水混凝土的天然砂逐渐枯竭，机制砂逐渐得到了关注和研究，并已大量应用于桥梁工程。但清水混凝土结构表面直接作为饰面层，对混凝土的工作性、体积稳定性和耐久性要求较高，而机制砂的级配、颗粒粒型都较差，配制的混凝土易出现离析、泌水，导致硬化混凝土表观缺陷严重，限制了其在清水混凝土中的应用。

目前，对提高机制砂混凝土工作性能的研究主要集中于改善机制砂的特性和优化配合比等[[ii]-[iv]]方面，利用外加剂改善其工作性和耐久性尚缺乏研究。有研究表明引气剂、增粘剂、减缩剂等外加剂可以改善混凝土性能，但这些研究侧重于天然砂配制的混凝土[[v]-[vii]]，针对机制砂混凝土的较少。本文以C40机制砂清水混凝土为研究对象，通过混凝土的工作性、力学、干缩、早期抗裂、抗渗和抗冻等试验，考察引气剂、减缩剂、增粘剂与减水剂复合使用对混凝土性能的影响，并进行微观形貌分析，揭示外加剂对混凝土性能影响的机理。

1 、工程概况

　　遂广高速是完善四川省高速公路网，形成遂宁、广安之间最便捷的高速公路通道；遂西高速将绵遂内高速、成南高速等有机地连接起来，形成更为完善的高速公路网络。为保证桥梁等混凝土结构与环境相协调，提高工程质量，项目采用清水混凝土设计方案。经调查，项目沿线天然砂匮乏，从外地采购则会增加成本且无法保证工程进度，而机制砂供应量丰富且价格低廉，适宜大规模应用。

2 、原材料

　　水泥：P.O 42.5R水泥，主要技术指标见表1。粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰，需水量比102%，细度6.6%（0.045mm方孔筛筛余）。细集料：机制砂，细度模数2.8，石粉含量5.0%，亚甲蓝值1.0g/kg。粗集料：卵石破碎型，粒径5-25mm，含泥量0.2%，针片状含量3.8%，压碎指标12.1%。外加剂：聚羧酸系减水剂，脂肪醇类引气剂，纤维素类增粘剂，聚醚类减缩剂。拌合水：自来水。

3、配合比设计

　　按照密实骨架堆积理论设计配合比，通过寻求混凝土集料之间的最大堆积密度来寻找最小空隙率，使混凝土材料更密实，提高强度、改善耐久性和外观质量。采用四分法取料，将粉煤灰与砂进行填充，得致密堆积系数α（图1）；再以粉煤灰与砂为细集料与粗集料进行填充，得致密堆积系数β（图2），进而获得最大堆积密度Uw。

　　对图中多项式求一阶导数，得致密堆积因子α=7%，β=43%，此时最大单位重Uw=2020kg/m3。进而计算出最小空隙率Vv=22.1%，通过试配确定所需的润滑浆量富余系数n=1.4，最后依据强度和耐久性需求设定水胶比0.35，从而确定机制砂高性能混凝土的初步配合比。由于机制砂的棱角性强，级配偏差，宜适当提高砂率、增加水胶比，对基本参数优化后，得到C40机制砂混凝土的基准配合比为：水泥∶粉煤灰∶砂∶石∶减水剂∶水=388∶43∶780∶1036∶4.31∶155。

4 、试验结果与讨论

4.1引气剂、减缩剂和增粘剂对混凝土性能的影响

　　针对机制砂混凝土易离析、泌水和匀质性差等特点，研究引气剂、减缩剂和增粘剂对混凝土的工作性能、力学性能的影响。设计三因素三水平正交试验，试验结果见表2。

　　由表中数据知，掺入0.2‰引气剂和2.0‰增粘剂时，混凝土的粘聚性、包裹性有明显改善，坍落度略有增大，含气量在3.0%左右。当引气剂掺量达0.4‰时，混凝土含气量在5.0%以上，而增粘剂每增加2.0‰的掺量，含气量增加约0.6%。当增粘剂掺量达4.0‰时，混凝土拌合物粘聚性过大，捣实困难。减缩剂对混凝土工作性能和含气量基本没有影响。

　　引气剂是阴离子表面活性剂，憎水基在水-气界面上定向吸附，力图靠近空气表面，显著降低水的表面张力，使混凝土在拌和中产生大量微气泡。因为这些气泡带有相同电荷的定向吸附层，所以气泡之间相互排斥并能均匀分布，可以改变混凝土拌合物的性能，显著提高混凝土的可浇筑性、和易性等非测量指标[[i]]。随引气剂的掺量增加，引入的气泡数量激增，导致混凝土含气量增大。为满足清水混凝土低含气量的要求，减少出现气泡缺陷，引气剂掺量不宜过大。增粘剂（羟乙基纤维素）作为非离子型的表面活性剂，能够附着在水泥颗粒表面，而且分子中的羟基和醚键上的氧原子会与水分子作用形成氢键，在溶液中形成一种立体的网络，与水泥水化产物的网络之间互相交织，使混凝土的粘稠度提高，分层度降低，粘聚性和保水性明显改善。但增粘剂过多，混凝土粘稠度大，导致振捣密实性差，不利于工程施工，其掺量不宜过大。

对机制砂混凝土抗压强度结果进行极差分析（见表3）。

　　由表可以看出，各因素对抗压强度指标的影响程度：B>C>A。相对于7d龄期，28d龄期各因素之间和水平之间的强度极差更大，说明各因素、水平对强度的影响随龄期延长而增大。减缩剂对强度的影响最大，当掺量在2.0-4.0%时，抗压强度明显降低；掺量为4.0%时，28d抗压强度降低约16%。增粘剂对强度的影响居中，掺量在2.0-4.0‰时，抗压强度下降较明显；掺量为4.0‰时，28d抗压强度降低约10%。引气剂掺量小于0.2‰时，对混凝土的抗压强度无不利影响；当掺量达0.4‰时，28d抗压强度下降约6%。

　　减缩剂主要是通过降低液体的表面张力来减小收缩，但会降低溶液的碱度，影响水泥的水化，不利于抗压强度[[i]]。纤维素类增粘剂会增加浆体中50nm以上几乎所有孔径的数量，使混凝土含气量增大[[ii]]，降低表观密度、影响强度，其掺量不宜大于2.0‰。引气剂使混凝土含气量增大，但引入的是微小、均匀分布的气泡，改善了微孔结构，对强度影响较小。

　　综合工作性能、含气量和抗压强度，确定最佳掺量：引气剂0.2‰，增粘剂2.0‰。

4.2减缩剂对混凝土干缩的影响

　　减缩剂是可以降低混凝土收缩的外加剂，但其作用大小随掺量改变而不同。对其在0-2.0%的掺量范围内进行混凝土的干燥收缩试验，试验结果如图3所示。

　　由图3可知，随着减缩剂掺量的增加，混凝土的各个龄期的干燥收缩率均相应降低。掺量从0%增加到1.5%时，干缩明显降低。当掺量达到1.5%以上时，干缩下降幅度较小，其减缩效果趋缓，尤其是在90d龄期时，1.5%和2.0%掺量的干燥收缩率差别只有5×10-6。根据毛细管张力理论，毛细孔拉应力与毛细孔溶液表面张力成正比，而减缩剂可以降低溶液的表面张力，从而直接降低拉应力，达到抑制收缩的目的[[i],[ii]]。但这种降低表面张力的作用有限，达到一定程度后即使增加减缩剂掺量也不会有明显降低收缩的效果，结合工程实际，确定减缩剂掺量为1.0%，此时混凝土28d干燥收缩率仅为243×10-6。

4.3复合外加剂对混凝土表观质量的影响

　　在减水剂中复配0.2‰的引气剂和2.0‰的增粘剂，与1.0%的减缩剂组成复合外加剂，对比减水剂和复合外加剂配制的机制砂清水混凝土试件表观效果，如图4、图5所示。

图4 掺加减水剂试件

图5 掺加复合外加剂试件

　　掺加减水剂的试件表面气泡较多，麻面、蜂窝、色差严重，无法满足清水混凝土表观质量的要求。而掺加复合外加剂的试件表面平整、光滑，色泽均匀，无明显的表观缺陷，达到了饰面效果。这是因为未掺复合外加剂的混凝土拌合物和易性较差，易出现不同程度的分层、离析所致；且拌合物匀质性差导致气泡、粉煤灰等分布不均匀，致使表面出现色差、单位面积上气泡多等缺陷。而复合外加剂提高了机制砂混凝土的工作性能，增加混凝土硬化后的密实度，改善了硬化混凝土表面质量。4.4复合外加剂对混凝土早期抗裂和耐久性的影响

　　不作表面修饰的清水混凝土长期处于大气环境下，受自然条件的影响大，对耐久性要求高。分别对减水剂与复合外加剂进行混凝土抗裂性能和耐久性能试验，结果见表4。

　　由表可知，虽然两组混凝土早期抗裂等级都达到Ⅳ，但掺复合外加剂的试件初裂时间长，裂缝宽度小，单位面积的总开裂面积只有214.6mm2/m2，早期抗裂性能更优异。可见减缩组分有效抑制混凝土的收缩，降低了毛细孔拉应力，减少了早期浆体因抗拉能力低而产生裂纹。

　　抗渗性是混凝土耐久性最重要的指标，反应了混凝土的孔结构和致密性，是抗侵蚀、抗碳化等性能的基础[[i]]。由表可知，掺入复合外加剂，混凝土的抗水渗等级由P10提高到P12，28d抗氯离子渗透能力也有所增强，整体耐久性能有所提高。复合外加剂改善了混凝土拌合物工作性能，使其更易于振捣，改善了硬化混凝土的密实性、匀质性和微孔结构，增强了抗渗能力。引气剂和增粘剂引入了部分微小气泡，且改善了整体孔隙结构，使混凝土的抗冻等级由F250提高到F300。

4.5微观机理分析

　　图6是28d龄期的混凝土试样的扫描电镜图，在内泌水混凝土的界面过渡区，CH的尺寸大、数量较多，如左图中部分区域，这降低了过渡区的性能，影响混凝土的抗裂性能和耐久性[[ii]]。掺入复合外加剂后，改善了混凝土的和易性，减少了离析、泌水，所以右图中上述现象较少。

观察未水化完全的粉煤灰和石粉颗粒的分布，可知掺加复合外加剂的试件颗粒分布更均匀，C-S-H凝胶空间网络上的整体性也较好，混凝土的匀质性好。图6中左图凝胶体结构比较松散，微裂纹和孔隙的数量较多，而右图中孔隙较少，水化产物致密。在混凝土中掺入复合外加剂后，减缩剂抑制了收缩，减少微裂纹的形成，而引气剂和增粘剂则改善了混凝土的工作性能，减少了因泌水留下的大孔隙，并改善了微孔结构，使混凝土微结构显得更密实。混凝土在宏观上表现为干燥收缩小，抗裂性能和耐久性优异。

图6 复合外加剂对混凝土微观结构的影响

5 、工程应用

　　通过掺加复合外加剂，制备的C40机制砂清水混凝土：坍落度210mm，扩展度550mm，和易性和粘聚性良好，无离析泌水，匀质性良好，28d抗压强度达57.5MPa，28d干燥收缩率243×10-6，早期抗裂等级达Ⅳ，抗渗等级达P12，28d抗Cl-迁移系数3.0×10-12m2/s，抗冻等级F300，外观质量达到了饰面效果，成果应用于遂广遂西高速中墩柱、梁板等清水混凝土结构（图7）。

图7 用于不同桥梁结构的机制砂清水混凝土的表观效果

6、 结论

　　a.通过密实骨架堆积法进行配合比设计，并根据机制砂的特点优化混凝土基本参数，得到机制砂清水混凝土的基准配合比。

　　b.通过混凝土各项性能和表观质量试验，得到复合外加剂组分的最佳掺量：引气剂0.2‰，减缩剂1.0%，增粘剂2.0‰；制备的C40机制砂清水混凝土，工作性能性好，强度高，耐久性优异，外观达到饰面效果。

　　c.微观形貌试验表明，复合外加剂的掺入减少了微裂纹，改善了微孔结构和C-S-H凝胶空间网络的整体性，使混凝土宏观上的匀质性、抗裂性和耐久性等性能优异。