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清水混凝土构件预制技术与质量控制技术要点

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2018/06/22 11:46
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  前言

  清水混凝土(Fair-faced Concrete)是直接利用混凝土成型后的自然质感作为饰面效果的混凝土。我国的清水混凝土出现于20世纪70年代,但直到90年代末才得到快速发展。清水混凝土以其独特的肌肤纹理以及素面朝天的艺术形式,受到越来越多建筑师的青睐,展现着清水混凝土素面高雅品质的本质之美。清水混凝土预制构件是指在预制工厂或是施工现场预先采用模具浇筑成型,养护至规定强度后再安装到设计部位的混凝土构件。这种预制的清水混凝土构件对外形尺寸、表观质量、颜色均匀、整体装饰效果的要求都非常严格。

  与传统现浇建筑相比,装配式建筑能够提升质量和安全、提高效率和效益、缩短工期、改善劳动环境、节省劳动力、促进建筑节能减排、节约资源。近年来,国家大力推广装配式建筑,清水混凝土预制构件是装配式建筑中重要的构件产品,其预制技术与质量控制是预制构件企业的重要技术与管控内容。

  近几年北京榆构有限公司的清水混凝土预制构件工程主要有:中国建筑技术中心清水挂板、软通动力大厦清水挂板、北京故宫地砖、北京通州城市副中心办公楼外墙挂板、天津万科双子座雕塑等。

  1 典型预制构件种类与成型方式

  不同种类的构件,其成型方式各自不同。为保证清水混凝土的外观效果,预制构件外露表面应与模板面接触,减少操作抹面。

  1.1 板式构件

  板式构件如预制墙板、预制看台板等板面较宽的构件,宜采用反打一次成型工艺,保证外露面的外观效果。反打工艺:预制构件生产方向与使用方向一致的叫正打工艺,否则就叫反打工艺。在清水混凝土预制构件中,反打是指外露面作为模板面的浇筑成型工艺方法,是清水混凝土预制构件的常用生产工艺。如预制混凝土清水外墙挂板(如图1、图2所示),是在平台座或平钢模的底模上预铺各种花纹的衬模,使墙板的外露面在下面,这种工艺可以在浇注外墙清水混凝土墙体的同时一次将外饰面的各种线型及质感带出来。

  

清水混凝土构件预制

 

  图 1 外墙挂板反打模板

  

清水混凝土构件预制

 

  图 2 外墙挂板成品

  1.2 楼梯

  预制楼梯的常见做法有两种,即反打成型与侧立生产。当预制楼梯踏步与背面均要求清水效果时,应采用侧立生产。侧立生产即立模工艺的特点是模板垂直使用,与平模工艺比较,可节约生产用地、提高生产效率,而且构件的两个表面同样平整,减少手工压面的工作量,保证外露面的清水效果,靠墙侧面或扶手侧面为手工面。侧立生产通常用于生产外形比较简单而又要求两面平整的构件,如预制楼梯构件(如图3、图4所示)。

  

 

  图 3 预制楼梯模具

  

 

  图 4 预制楼梯成品

  1.3 梁

  预制梁为梁身部分大面积外露,且上表面有出筋拉毛要求。对侧面外露和外观要求较高的预制梁构件,应采用正打方式成型,如图5、图6所示。

  

 

  图 5 预制梁模具

  

 

  图 6 预制梁成品

  1.4 柱

  预制柱高度较高,宜采用侧立方式生产,在保证构件质量的基础上,可降低工人操作的危险性。预制柱的制作可采用两柱共用一侧模,减小侧模成本,如图7、图8所示。

  

 

  图 7 预制柱模具

  

 

  图 8 预制柱成品

  2 模具

  生产预制清水混凝土构件的核心和前提是模具,制作清水混凝土构件一般采用钢制模具,钢板选材、模具形式、细部处理、焊接工艺等均会对模具质量产生较大影响。

  2.1 钢板材料选择

  模具应具有足够的承载力、刚度和稳定性,以保证在构件生产时能确保承受浇筑混凝土的重量、侧压力及工作荷载。清水混凝土预制构件模具一般选用Q235钢板,表面氧化皮应致密、均匀、完整,钢板材料应表面平整,无扭曲变形、折叠死弯、划痕、锈蚀、斑痕、龟裂等缺陷。质量差的钢板在构件蒸养过程中会渗出氧化物,污染构件表面。相对来讲,我国武汉钢铁(集团)公司生产的钢板质量较好,适合做清水混凝土构件模具。

  2.2 模具技术方案

  模具的技术方案根据不同预制构件的特点而不同,不同的构件特点采取不同的生产工艺。清水混凝土预制构件因其外观的清水装饰效果,多采用反打工艺和侧打工艺。

  2.2.1 反打工艺

  清水混凝土预制构件中,清水面作为外饰面多采用反打工艺。混凝土构件外饰面与模具底板接触,利用钢板的表面效果,能够保证外饰面的平整度、光泽度、线型与角度等观感效果(如图9所示)。

  

 

  图 9 反打工艺模具

  2.2.2 侧打工艺

  当预制构件的两个或三个主要外露面都需达到清水效果时,宜采用侧打工艺,生产状态为正常使用状态侧旋转90度(如图10所示)。

  

 

  图 10 侧打工艺模具

  侧立生产,除顶面外其他面均与模具接触,外观效果明显,可大大提高预制构件的外观质量。

  因侧立生产只有顶面一个面作为手工压面,减少了人工操作量及操作范围,降低了人为原因导致外观缺陷发生的几率。

  2.3 模具生产制作要点

  2.3.1 钢板下料

  清水混凝土预制构件对模具的尺寸精度要求高,因此模具制作的下料工序尤为重要,宜采用激光切割下料,切实保证尺寸精准。钢板的切割断口应打磨光滑,无明显的锯齿状,无飞边毛刺。根据构件特点,确定整体下料还是拼接成型,并确定拼接的位置、方式等。模具设计、下料、安装应考虑改模需求。

  2.3.2 外观尺寸保证措施

  外观尺寸的精度直接关系着清水混凝土构件的安装和外观效果。首先,模具的底座应牢固,根据清水混凝土预制构件的长度和高度设计模具的固定方式,对大尺寸的构件设计要加装侧面支撑以防止侧弯,保证长边的平直和尺寸准确;其次,对较高的构件侧面要加横向工装措施以保证垂直方向的平整度;最后,对大尺寸、重量大的构件对角方向要加斜拉支撑以保证整体的尺寸在精度范围内。

  2.3.3 边角的保证措施

  清水混凝土预制构件装饰美观的效果经常用截面来体现,如何保证截面的线条平直顺滑、角度精确一致?要根据不同的边、角设计合适的制作方案,如下料环节保证尺寸精度,截面的角度准确,截面平滑整齐;直线边多用拼接,拼缝严密,无错台;圆弧边角多采用整体下料,一次弯折加工而成;外饰面四周多采用倒角效果,在保证脱模质量的同时增加外观美感。

  2.3.4 接缝处漏浆处理

  清水混凝土预制构件的模具如需要拼接,拼缝处的漏浆处理非常关键,应采取措施封闭,不得漏浆。模板拼接缝应全部焊接,并打磨修理平整,不应含有气孔夹渣。

  (1)焊接要点。与传统的手工电弧焊相比,二氧化碳保护焊的优势明显,如二氧化碳气体成形好、焊接速度快、不用换焊条、成本低、节省时间、提高效率和焊接质量。传统的手工电弧焊因使用方便灵活,可在小模具或大模具的小焊缝、修补时使用。

  (2)边线、角部处理。清水混凝土预制构件的边线密封非常重要。对边模在底模上面的,焊接或下压牢固,一般用密封胶做好密封,将缝隙封堵;对边模在底模侧面的,一定要用顶推丝杠、定位销栓等固定措施固定好,令侧模与底模接合紧密;接合处粘贴泡沫密封条,多余部分使用壁纸刀等工具切割掉,保证拼缝处不漏浆、直线顺直。此外,有倒角的模具也应注意倒角处密封,防止漏浆。钢板折弯前应按照图纸或样板划出折弯线,根据钢板厚度、长度、折弯半径等参数选择正确的折弯“V”形模口,采用与被折钢板相同厚度的板条,试折出所需角度、圆弧、形状,核实无误后再进行实际折弯,以保证折弯的角度和光滑度。

 

  3 混凝土原材料及性能

  清水混凝土构件首先应具有混凝土本身的力学性能和耐久性,具有构件的结构性能。其次,应具有清水混凝土特有的“清水”装饰效果。混凝土作为最关键的材料,其原材料及配合比是至关重要的。

  3.1 混凝土原材料的选择

  混凝土原材料包括水泥、掺合料、砂、石、外加剂等。选择具有一定生产能力的原材料厂家能够保证材料供应的稳定性,包括颜色和各种性能指标。每种材料应使用同一厂家、同一规格型号的原材料,砂、石要保证是同一产地的。每种材料颜色的变化都会引起混凝土构件的颜色差异,外加剂的掺用不应改变混凝土的颜色。

  3.2 混凝土原材料的性能要求

  水泥宜用低碱水泥,性能检测要求颜色、标准稠度、凝结时间、比表面积、安定性、抗压强度、抗折强度等指标合格,并且每个指标试验结果的标准差较小。

  粉煤灰应选用F类Ι级或Ⅱ级灰,不能使用二次加工磨细的粉煤灰,容易引入杂质,影响外观质量。由于粉煤灰的烧失量影响混凝土拌合物的状态及早期强度,因此要严格控制烧失量,宜控制在≤5%。

  矿粉在清水混凝土中不用或少用,因为矿粉的水化容易引起混凝土颜色变绿,对养护的温度更加敏感。混凝土中一般使用S95级矿粉,不同厂家矿粉的颜色差别较大,同一厂家也可能有差异,因此每车都要进行检测对比,严禁不同颜色的矿粉入场。

  砂、石各项性能指标要符合标准要求,尤其是颜色、含泥量、泥块含量、骨料级配指标要合格且试验结果标准差小。含泥量、泥块含量、骨料级配会影响混凝土拌合物的状态、水化后混凝土的颜色和体积稳定性。

  外加剂多使用聚羧酸系减水剂,外加剂的掺入不能改变混凝土的颜色,不能引起混凝土表面气泡,每车都要检测颜色、减水性能、坍落度损失和含气量。

  3.3 混凝土原材料的性能检测

  各种原材料除按照国家标准规范检测外,还应加强入场检测,所有原材料必须每车都要检测。首先是颜色,必须从运输车的不同部位取样,比对颜色是否一致;其次是入场的车检项目;批检项目可适当增加检测频次和抽检次数。

  3.4 配合比设计和性能试验

  选定原材料后,根据GB 50204-2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》和JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》进行配合比设计,考虑到清水混凝土(如图11所示)的“清水”装饰效果颜色一致的要求,一般选用单掺粉煤灰的设计思路。

  

   

 

  图 11 清水混凝土效果图

  浇筑时混凝土拌合物的和易性对混凝土硬化后的表观效果有重要影响,所以要试验其和易性,一般通过坍落度和扩展度、坍落度经时损失、含气量等试验,需要混凝土在浇筑的时间段坍落度保持损失在20mm以内。对成型试块进行力学性能测试,有抗渗要求的要做抗渗试块,有其他耐久性要求的要对每个配合比做相应的耐久性试验。

  4 浇筑与振捣工艺

  4.1 隔离剂的选择与涂刷

  隔离剂的选择与涂刷对清水混凝土预制构件的外观效果非常重要。清水混凝土预制构件的隔离剂除应具有普通构件隔离剂的易脱模、涂刷方便、成模快、易清洗、对混凝土无害、性能稳定、耐水性和耐候性好等性能外,还应具有以下三方面特性:

  (1)脱模后构件表面气泡少,有光亮感。

  (2)不影响混凝土表面装饰效果,混凝土表面不留浸渍印痕、反黄变色。

  (3)不腐蚀钢模、钢筋和混凝土。

  隔离剂的涂刷(如图12、图13所示)应注意以下四点:

  

 

  图 12 棉丝蘸取涂刷隔离剂

  

 

  

 

  图 13 涂刷隔离剂完成后效果图

  (1)涂刷隔离剂时,模板内不得有积水、冰雪、灰渣等杂物,涂刷应均匀,不得漏刷或积蜡。

  (2)隔离剂严禁滴、撒到钢筋和预埋件上,以免影响混凝土与钢筋的握裹力及预埋件的锚固力。

  (3)模内隔离剂被雨水等冲洗后,应重新涂刷。

  (4)隔离剂在使用时应搅匀,使油液分布均匀,不允许再加水。

  4.2 浇筑成型

  清水混凝土预制构件的混凝土浇筑方式、先后顺序对构件的质量有重要影响,应根据前期的模具方案及生产工艺确定合理的浇筑顺序、浇筑高度及浇筑点位置,以避免构件成品表面出现色差和质量缺陷。

  (1)浇筑混凝土前应清除模内的杂物,并用吸尘器或吹风机将模内的灰尘吸出或吹走。

  (2)平板构件应采用振动台振捣成型,高帮部分采用振捣棒振捣成型,直立生产的构件采用附着式振动器振动模板,并用插入振捣棒配合振捣。

  (3)带肋平板构件分两次浇筑混凝土,先浇筑板面部分,放上吊模后再浇筑板肋部分。板面混凝土振捣后应测量其厚度,少料时应添料后再振捣,超厚时应及时铲除多余的料,铲料时不得搅动已振实的混凝土。

  (4)带高帮的L形板或U形板成型,先浇筑水平部分混凝土,压上盖板再浇筑高帮部分混凝土。振捣时尽可能不使高帮部分的混凝土向水平部分流动。

  (5)浇筑成型后,上表面应抹平,收水后压光一次。上表面要求清水面的,抹面应采用水平尺找平,收水后应用铁抹子压光两次,达到无抹痕。

  4.3 振捣方式的影响

  根据清水混凝土预制构件特点选择适合的生产工艺,不同的构件生产工艺有不同的振捣方式。常用的振捣方式有台式振捣、附着式振捣器、插入式振捣棒三种。恰当的振捣方式和方法能减少表观气泡、增加混凝土密实性、有利于表观颜色光亮一致,增强清水混凝土预制构件的装饰效果。

  台式振捣和附着式振捣较插入式振捣更均匀,但插入式振捣更灵活。混凝土振捣应注意以下事项:

  (1)使用插入式振捣方式振捣混凝土拌合物时,严禁振动钢筋、模具、板材。

  (2)要控制好振捣时间,不得漏振、欠振和过振,否则容易出现气泡、砂线、色差等外观缺陷。

  (3)使用振捣棒振捣时(如图14所示),一定要注意整个构件振捣的均匀性。

  (4)当用振捣棒振捣薄板类构件板面时,振捣棒应平卧使用(如图15所示)。

  

 

  图 14 附着式振捣器与振捣棒组合使用

  

 

  图 15 振捣棒平卧使用

  5 蒸汽养护与表面防护

  5.1 蒸养温度控制

  清水混凝土预制构件宜采用自动温控系统蒸汽养护(如图16所示)。蒸养温度会影响构件表面的颜色:温度高,拆模时间早,颜色偏浅偏白;反之,颜色偏深灰。因此,对清水混凝土构件应严格控制升降温的速度及恒温最高温度。

  

预制构件蒸汽养护

 

  图 16 自动蒸养温控设备

  同一工程的清水混凝土预制构件应制定养护方案,所有预制构件的养护温度要严格一致,并保证整个工程的预制构件整体颜色一致。自动温控系统在构件蒸养过程中可以减少人为影响,很好地保证蒸养温度一致,最大限度地减少因蒸养过程不当导致的色差和缺陷。

  5.2 蒸养管口布置方式

  为保证清水面质量,养护时根据构件的尺寸合理布置蒸汽管道。根据以往清水混凝土构件生产实践经验,应在模板两端每端各布置一根蒸汽管道;对长度超过10m的构件,应在模板中间增设一根蒸汽管道。要避免蒸汽直吹构件,出汽角度调整为30度,尽量使蒸汽在构件周围均匀循环。

  5.3 表面防护

  表面防护技术是清水混凝土预制构件的一项重要技术,可以令构件实现超强的渗透能力、良好的透气“呼吸”功能、优异的防水性能和极佳的环保性。该技术无色透明不改变基层的颜色和外观,可阻止以水为载体的一些介质对混凝土的侵蚀,提高混凝土的耐久性、延长混凝土的使用寿命。表面防护技术的应用可以保护石材、砖板、古建筑物等免受与水相关的损坏,防止霉菌、苔藓产生、减少风化、盐渍和返碱、免受污染,保持洁净。

  一般的清水混凝土保护剂利用“硅烷浸渍”保护原理,硅烷类防护剂是目前所用最广泛、效果最好的表面防护剂。

  几种类型防护剂对比见表1。

  

 

  图17和图18是北京榆构有限公司在清水构件表面涂刷防护剂(硅烷类)的效果对比展示,图17中左侧板涂刷的是水性防护材料,右侧板涂刷的是油性防护材料,两种材料对混凝土挂板表面防护效果都很好。图18中挂板侧面未刷防护剂,通过对比,明显发现此部位出现很多裂缝。

  

 

  图 17 涂刷防护剂效果

  

 

  图 17 涂刷防护剂效果

  6 成品保护

  清水混凝土预制构件的成品保护很重要。从构件出模码放、装车运输到工地吊装的全过程,任何环节都不能对它造成损伤和污染,否则将无法恢复它的清水混凝土效果。

  6.1 防磕碰防护

  (1)构件背面埋件及尺寸验收合格后,应及时翻板,以利于板内水分蒸发、保证颜色均匀,翻板时应注意边角防护避免磕碰。

  (2)拆模后应对易磕碰的阳角部位采用多层板、塑料等硬质材料进行包裹保护。

  (3)装车时,固定构件的缆绳与构件接触处放置专用护角,防止磕碰损坏棱角;固定时,要求使用软质材料固定,严禁使用钢丝绳直接接触。

  6.2 防污染措施

  (1)清水构件成品码放的垫木应用白色聚苯板隔开或用塑料膜包裹,以防雨淋后垫木的颜色污染板面。

  (2)板上不得放脏物,起重设备不得滴油,操作工人不得戴脏手套(特别是不能戴有油的手套)接触板面。

  (3)入库的清水构件成品重叠码放时,若无特殊要求最上边一块要进行覆盖;立放的构件应放于立放架上,与立放架接触的清水面要有防污染措施防止污染构件清水面。

  (4)运输要求立放的构件要制作运输架来固定构件,运输架与清水接触面要有防污措施防止污染清水面。

 

  7 常见质量问题原因分析及应对措施

  清水混凝土预制构件较现浇清水混凝土质量有很大提升,颜色更均匀,一些蜂窝、麻面、孔洞、露筋等缺陷基本可以避免,但有时仍会出现色差和砂线或砂斑的现象,尤其是出现色差情况较多,影响清水混凝土的外观效果。

  7.1 砂线或砂斑

  原因分析:混凝土拌合物坍落度过大甚至泌水,导致拌合物不均,水分(浆体)富集于一处产生砂线或者砂斑。

  控制措施:严格控制坍落度,可以通过调整配合比或者外加剂等措施将坍落度控制在一定范围内,尤其是要保证和易性,即保水性、黏聚性、流动性。

  7.2 色差

  原因分析:产生色差的原因主要有五点,一是和易性差所致,振捣不均匀导致与模板接触面的混凝土拌合物不均匀,水化后的颜色出现色差;二是坍落度变化大;三是原材料没有控制好;四是养护与温度控制出现波动;五是脱模后的构件受到外界环境的影响。

  控制措施:一是浇筑时要保证拌合物的和易性,控制振捣时间;二是坍落度控制在±10mm,浇筑过程中经时损失≤20mm;三是原材料使用过程中不同批次的一定要进行颜色检验,每车进场原材料都要进行检验;四是制定、执行一致的养护制度,控制一样的养护温度,过程中加强检查控制,防止漏气等原因影响养护过程;五是对脱模后的构件及时防护处理,必要时要采取苫盖等措施。

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