清水混凝土(fair-faced
混凝土)又称原浆混凝土或装饰混凝土,在国外也称作建筑艺术混凝土(Architectural Concrete)、暴露表面混凝土(Exposed Conerete)、整形表面混凝土(Fair Faced Concrete)等是指直接以混凝土成型后的自然表面作为饰面的混凝土。
清水混凝土自20世纪初在西方出现,逐渐被应用于建筑物的立面上,展现出简洁、质朴和现代的美学特征。1940年代至1960年代,清水混凝土在公共建筑和商业建筑中得到广泛应用。20世纪50年代,中国开始引入清水混凝土技术,并逐渐在建筑行业中得到应用。2010年代至今,随着绿色建筑和可持续发展理念的推广,清水混凝土在中国得到了更广泛的应用,不仅用于建筑立面,还被用于建筑保温和装饰。同时,中国的一些设计师也开始在国际上获得认可,推动了中国清水混凝土的国际影响力。
清水混凝土以其表面效果分为普通清水混凝土、饰面清水混凝土及装饰清水混凝土。其有表面均匀、光滑、美观,尺寸精确、线条清晰等特点。相较于普通混凝土,清水混凝土无需抹灰和面层,既节约了成本,又减少了环境污染。此外,其取消湿作业的特性也提升了现场文明施工程度,降低了冬季装修的风险,提高了建筑垃圾的利用率,进一步提高了环境效益。
清水混凝土可以广泛应用于建筑、桥梁、电力等工程上,其发展也呈现工厂化、专业化及使用时充分考虑地域环境和清水艺术表现力等趋势。
发展历程
国际
20世纪20年代,清水混凝土开始在西方出现,最初被用于桥梁和建筑物的基础结构。1920年代,一些设计师开始尝试将清水混凝土应用到建筑物的立面上,这种设计风格被称为“功能主义”。1930年代,许多现代主义建筑师开始推崇清水混凝土的设计,因为它能够展现出简洁、质朴和现代的美学特征。1940年代至1960年代,清水混凝土在公共建筑和商业建筑中得到了广泛应用,成为现代城市面貌的一部分。1970年代至今,随着可持续发展和绿色建筑的理念逐渐普及,清水混凝土再次受到重视。它不仅具有美学价值,还能够提供良好的保温、隔热性能,提高建筑物的能效。
中国
20世纪50年代,中国开始引入清水混凝土技术,最初用于桥梁和
水利工程。1980年代,随着
改革开放的推进,清水混凝土开始在中国的建筑行业中得到应用,一些公共建筑和商业建筑开始采用这种设计风格。1990年代至2000年代,随着城市化进程的加速,清水混凝土在中国的应用逐渐普及,成为一种重要的建筑设计元素,但由于人们将外装饰的目光都投诸于面砖和玻璃幕墙中,清水混凝土的应用和实践几乎处于停滞状态。直至1997年,
北京市设立了“结构
长城杯工程”奖,推广清水混凝土施工,使清水混凝土重获发展。2010年代至今,随着绿色建筑和可持续发展理念的推广,清水混凝土在中国得到了更广泛的应用,不仅用于建筑立面,还被用于建筑保温和装饰。同时,中国的一些设计师也开始在国际上获得认可,推动了中国清水混凝土的国际影响力。
分类
以其表面效果分
清水混凝土以其表面效果分为普通清水混凝土、饰面清水混凝土及装饰清水混凝土。
普通清水混凝土建筑比普通混凝土建筑有更高要求,要求其结构表面无明显麻面、蜂窝、露筋等工程质量缺陷,同一视觉范围内无明显色差,表面整洁,光洁度高。
饰面清水混凝土为目前应用最为广泛的清水混凝土,包括镜面清水混凝土及彩色清水混凝土。饰面清水混凝土将明缝、暗缝、蝉缝、对拉螺栓孔眼设计并组合,进而形成饰面效果,因此饰面清水混凝土对模板要求较高。镜面清水混凝土对混凝土表面的平整度及光滑度要求极为严苛,要求形成类似
大理石表面的“镜面”效果。彩色清水混凝土根据混凝土外观的需求,在清水混凝土中掺入各种颜色填充料,如
氧化铁,配合光学原理,使混凝土表面呈现特有的视觉效果。
装饰清水混凝土又称为艺术清水混凝土,代表着清水混凝土未来的发展方向,如彩绘清水混凝土、浮雕清水混凝土及雕塑清水混凝土等。装饰清水混凝土将混凝土建筑艺术与现代工业技术相结合,体现了交叉学科的特点。
以其装饰效果分
清水混凝土以其装饰效果分可分为镜面清水混凝土、麻面清水混凝土、
孟宗竹木纹清水混凝土、
鹅卵石雨花石清水混凝土。
性能及特点
优点
清水混凝土有表面均匀、光滑、美观,尺寸精确、线条清晰等特点。相较于普通混凝土,清水混凝土无需抹灰和面层,既节约了成本,又减少了环境污染。此外,其取消湿作业的特性也提升了现场文明施工程度,降低了冬季装修的风险,提高了建筑垃圾的利用率,进一步提高了环境效益。
强度高
在同等混凝土原材料、施工工艺和养护条件下,即便保持清水混凝土的水胶比与普通混凝土的相同,在浇筑28d之后清水混凝土的标准强度也高于普通混凝土。主要原因是清水混凝土在拌和的过程中加入了优质掺合料,填充混凝土水化后产生的多余空隙,让混凝土的密实程度更高,同时清水混凝土在拌和中还会加入超高效
减水剂,大幅降低配合比中的水胶比,从而使清水混凝土具备远大于普通混凝土的强度。
耐久性
清水混凝土是高性能混凝土众多分类中的一种,与其他类型的高性能混凝土技术一样拥有良好的工作性和较高的强度,也拥有其他高性能混凝土不具备的耐久性特点。与普通混凝土不同,清水混凝土在完成浇筑后会长时间暴露在外界环境中,缺少外壳的保护直接受到外界环境的侵蚀,所以该技术会着重提高混凝土的耐久性能,使得清水混凝土的抗腐蚀性能、抗冻性能、抗裂性能、抗渗透性能、抗磨损性能等都远高于普通混凝土,不仅能在露天建筑中使用,还能适应水下作业环境。
工作性能良好
清水混凝土在工作性方面的表现非常优异,可塑性强、密实性高、保水能力好,并具有一定的流动性,易于振捣,不容易出现分层和泌水现象,在实际施工中比普通混凝土的浇筑速度更好,浇筑质量更好。
缺点
清水混凝土设计细节若不严谨很容易造成瑕,结构体较一般建筑物耗时、耗力,模板转用率低,施工成本较高,混凝土浇置过程中质量不易控制,产生瑕疵影响美感,修复不易造成缺憾,施工缝较易产生
渗水现象,如表面无防护,容易产生污渍、渗水以及完工后认知标准无法一致等问题。
制备材料
骨料
清水混凝土对粗骨料的要求是连续级配好、强度高、含泥量低、颜色尽量一致。细
骨料同样不能含泥过高,细度模数应在2.3以上,碱活性应符合相关要求,颜色也应保持均一性。
水泥
水泥应尽可能选用同一厂家同一批次产品。保证其质量的稳定性,水泥宜具有较低的碱含量(<5%)、较低的C3A含量、较高的强度富余系数,强度等级不宜低于42.5R。避免使用添加引气型助磨剂的水泥,不得不使用时,一定要在
减水剂的复配中加入消泡剂,以消除助磨剂带来的不规则气泡。水泥熟料中
氧化铁或者Mn、Cr等有色重金属对混凝土的颜色会有一定影响,这也可以成为水泥的一种选择依据。
掺合料
掺合料是水泥以外决定混凝土颜色的原材料,因此粉煤灰、矿粉和水泥一样也应尽可能选用同一厂家同一批次产品,保证其质量的稳定性。为了防止水泥用量过多造成水化热过大而产生裂缝,掺合料用量一般应占胶凝材料总量的20%~25%。
外加剂
清水混凝土的要求是试件表面平整、光滑,色泽均匀,无明显的表观缺陷,可直接达到饰面效果,因此对混凝土各项性能有较高要求,未掺加
减水剂会造成表面气泡多、蜂窝麻面、色差严重等现象,无法满足清水混凝土表观质量的要求。以聚羧酸减水剂为代表的外加剂,其减水作用以及复配小料的增稠塑化效果,可以使混凝土的工作性、稳定性、匀质性、抗裂性和耐久性表现更好。
保护剂
清水混凝土保护剂主要有
有机硅化物体系保护剂和碳型保护剂,应在混凝土养护期28d后进行,养护完成后,进行混凝土表面清理并涂刷底漆和中层漆,按清水混凝土的设计要求在保护剂底漆中进行着色,使其在保证混凝土性能的同时满足设计师要求。
施工技术
配合比的设计
清水混凝土要求表面光滑平整、无蜂窝麻面、无表面气泡、成色均匀统一、便于施工时的振捣,因此新拌混凝土必须具有极好的工作性和粘聚性,绝对不允许出现分层离析的现象。配合比设计阶段,应适当增加砂率、合理选择水泥用量,这两点直接影响混凝土表面光滑度。在保证强度的前提下,尽量使用低强度等级水泥。严格控制用水量,
水灰比在 0.52~0.55范围内,避免用水量过大。
模板工程
模板工程控制是达到清水混凝土要求的关键,不同于普通现浇混凝土的施工,除了
刚度、强度、稳定性以外,清水混凝土的施工对模板的要求极高。应该按照建筑设计要求,通过模板试验来选择适宜的材质,经常使用的有竹模板、木模板、钢模板。钢模板应该在使用前进行抛边处理,相对钢模板来讲,木模板或者竹模板下的混凝土面层会更光滑平整。在模板的设计过程中,应尽量选择拼缝少、整体式或大型模板的方案,有利于模板的安装及拆卸和混凝土成品状态。面板材料厚度应≥3mm,确保模板间结合紧密,宜使用光面面板,避免脱模产生裂缝。合理使用
脱模剂,涂抹擦拭均匀,不能出现流状脱模剂残留,否则会形成混凝土表面的污痕。在国外使用铝板支模浇筑呈现效果很好,但是考虑到成本问题,国内应用较少。能否实现清水混凝土效果,很大因素取决于模板的搭建,因此模板支撑系统尤为重要。不仅是内外撑、斜挡、横竖挡等,穿墙对拉螺杆同样经常使用于清水混凝土模板的搭建,能有效防止混凝土胀模的发生。
浇筑
清水混凝土在浇筑前应做好各环节的计划及工作协调,其色泽、工作性能各方面应保持一致,且浇筑过程中不得间断,使其达到较好的均一性。浇筑中最关键的步骤是振捣,提前做好施工人员的技术交底工作,注意振捣时间应在满足排尽大气泡的同时又不会产生浮浆沉底,宜通过二次振捣的方式来控制气泡的产生,通常在混凝土入模时进行第一次振捣,约半个小时后再进行一次振捣。避免漏振过振,特别是钢筋网等边角位置。
养护
一般情况下,清水混凝土的养护时间不应少于14d,而拆模宜满48h后进行,使其达到要求的拆模强度,以免拆模时造成棱角损坏。拆模后及时涂抹保护剂,适当进行洒水养护,必要时可用塑料薄膜覆盖。
表面处置
清水混凝土脱模后,可能会存在少量气泡、表面浮浆、松动的砂子、模板拼接缝痕迹等小缺陷。应在拆模后立即将其处理平整干净,然后用同材料水泥浆体进行修复,修复材料硬化后,以细砂纸打磨抛光。
应用领域
清水混凝土隶属于混凝土,既具有普通混凝土的特性,又具有独特的装饰特性,因此,清水混凝土在实际工程中的应用性更加广泛。同时,随着清水混凝土的施工工艺的提升,清水混凝土可以应用于大型的工业建筑、中小型的民用建筑;钢筋混凝土框架结构、框剪结构、砖混结构的建筑工程;现代家居装饰、楼梯等内部结构;桥梁工程、电力工程、高层建筑、公共建筑等。
在桥梁工程的应用
在桥梁工程中的应用主要是高速公路桥梁、地铁、
轻轨铁路等。目前中国诸多桥梁工程中采用清水混凝土,比如山东滨大高速公路、
广州地铁4号线的地铁墩柱、武汉轻轨一号线、青岛地铁十三号线的灵山卫站和两河站等四座车站、
郑州市京广快速路等。在实际施工过程中,为了得到预期的外观效果,需要严格把控混凝土原材料选取、混凝土运输和浇筑等工艺。在施工之前,需要对清水混凝土的原料及配合比、模板、浇筑、养护等环节进行模拟测试,确保达到标准后进行正式施工。
在电力工程建筑的应用
吉安变电站的主变基础、兰溪电厂的主厂房采用了清水混凝土工艺。在对吉安变电站的主变基础施工时,施工方严格把控清水混凝土原材料的选择和施工、模板的制作与安装,使得吉安变电站能够达到质量过关、外观美观的效果。在兰溪电厂施工时,需要对厂房的外包钢柱、梁、板采用清水混凝土施工技术,确保施工质量和美观。
在公共建筑的应用
上海浦东国际机场航站楼、
国家体育场为内现浇清水看台板、
武汉琴台大剧院、青岛卓亭广场等成功应用了饰面清水混凝土技术。
发展趋势
工厂化、专业化生产
研发现浇混凝土的替代产品,发展预制板、仿清水混凝土板材,实现工厂化、专业化生产。首先,能大为降低现场的施工难度,减少对一些优质资源的依赖,如优质河砂和优质木材;其次,材料变化后,减少对环境的影响;最后,专业化和工厂化能生产出更加丰富的产品,促使费用降低。
充分考虑地域环境和清水艺术表现力
研发适应一些地区气候风沙大、气候差、紫外线强度高等自然条件的清水混凝土,解决清水混凝土在室外很快变旧、变脏的难题。在艺术表现力方面,尝试更丰富的、多样化的形式,如顶面上的、曲面的、倾斜的、多样的富于变化的线条线段及凹凸形状、与其他材料复合使用。同时,应防止清水混凝土过度使用,丧失独特性,失去它的魅力。
提高耐久性
《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2002)规定了五类环境,对混凝土的最大
水灰比、最小水泥用量、最低强度等级、最大氯离子含量、最大碱含量、混凝土保护层厚度、裂缝宽度等做了要求。但环境对直接暴露在外的混凝土有着非常大的影响,施工中不可避免的混凝土裂缝、保护层偏差、保护剂耐久性时限,将降低清水混凝土耐久性,故《清水混凝土应用技术规程》(JGJ 169-2009)中要求设计使用年限宜控制在50年内。而对于使用年限更长久的,甚至百年建筑,目前一般采取加大混凝土保护层厚度、改善混凝土性能、按照时限要求涂刷保护剂,来保证混凝土耐久性。当前的保护剂的有效年限一般为5~20年,如何开发出更长久的保护剂是未来的一项课题。
标准规范