清水混凝土是指一次成型，直接以混凝土原浇筑表面或以透明保护剂做保护性处理后的混凝土表面作为饰面的特种混凝土，其表面平整光滑、无明显色差、棱角分明、无损伤等质量问题，通过自身质感实现清水混凝土“内实外美”的技术要求。

      外观气孔指标在清水混凝土外观质量验收中起到极重要的作用，无论是从外观美学的角度考虑，还是从大孔属于缺陷性指标中易验收不合格的指标角度考虑，外观气孔的控制都是极有必要的。针对缺陷性指标中的表观气孔，目前常用的检验指标主要包含最大气孔直径、气孔深度、每m2气孔面积等。外观质量优异的清水混凝土应满足：最大气孔直径不大于4 mm且气孔面积率小于0.2%。外观质量较好的清水混凝土应满足：4 mm≤最大气孔直径≤8 mm，且气孔面积率≤0.2%。外观质量不合格的清水混凝土最大气孔直径大于8 mm，且气孔面积率大于0.2%。清水混凝土外观气泡受诸多因素控制。WALLEVIK 等认为外观气泡受混凝土流变性能控制，提出了自密实清水混凝土保持较优外观质量的屈服剪切应力和塑性黏度区间。牟廷敏等认为可以通过外加剂用量控制混凝土黏度。

      周立君等认为清水混凝土的外观质量与原材料参数（胶凝材料、减水剂等）、模板参数（脱模剂等）有关，选择合理参数可以有效防止清水混凝土外观气泡的产生，但未给出参数的具体范围。吴德通等认为，较低的浆体初始含气量可以使清水混凝土表面孔洞数量大幅减少，同时，孔洞尺寸变小，相对达到了清水状态；此外，塑性黏度也是影响混凝土表面清水性能的重要因素，具有优良外观的混凝土塑性黏度区间低于8.3 Pa·s；而脱模剂接触角在90 °左右时，自密实清水混凝土易产生粘膜现象，表面孔洞增多。对于模板参数，康祥认为水溶性脱模剂可以改善清水混凝土表观质量，且其浓度越高，效果越明显，使用塑料试模成型的清水混凝土表面孔洞较多。对于施工工艺参数，孟书灵发现，在相同振捣时间下，使用钢模具的清水混凝土表观模拟试验相较其他对比组气孔数量少。清水混凝土外观质量是多因素综合影响的结果，获得外观优异的混凝土应对材料参数进行综合控制。

      在实际的工程实践过程中，由于原材料、工艺参数等不可避免地出现波动，单一稳定的参数难以稳定制备外观优异的清水混凝土，应综合考虑各参数对混凝土外观质量的影响，设置合理的参数区间。此外，稳定制备高质量外观清水混凝土的材料参数区间还应具有一定的鲁棒性，以抵抗外界因素的影响。

      文献调研发现，少有学者对清水混凝土表观气孔的鲁棒性参数控制区间进行系统研究，少数研究成果因实际工程混凝土配合比各不相同，针对特定参数的研究不具有普适性，对实际工程的指导性不强。

      本文通过实验室试验和统计分析，探究清水混凝土外观气孔等级优异的初始含气量、黏度、接触角、脱模剂和模板等参数对混凝土外观气泡的影响，并提出可稳定制备清水混凝土的参数区间。在此基础上，开展工程实践以验证在实际工况条件下的材料参数区间对外界因素变化的抵抗力，为稳定制备外观质量优异的清水混凝土的材料参数控制提供借鉴。

      南京至句容城际轨道交通工程全长43.70 km，其中高架段长约27.44 km。高架区间位于城市主干道上，邻近、侧穿多处文物保护、居民区，高架混凝土外观对于区域景观影响较大。高架区间主梁采用后张法预应力混凝土预制U型梁，桥台面平整光滑对于其外观质量具有重要影响。

      该工程U梁梁体混凝土采用C55混凝土。U梁外观整体呈“U”字形，开口薄壁结构，腹板为弧形设计，如图1所示，支座中心距梁端0.50 m，梁端1 m为U梁底板加厚区，梁高由1.80 m增至1.94 m，渐变段长0.42 m。内外腹板厚分别为0.26 m、0.267 m，底板厚0.26 m，梁端底板加厚至0.40 m，并在梁端底部增加倒角，防止混凝土在放张时脱落。

      U型梁具有外腹板和内腹板的结构，由于线路中心线偏向内腹板侧，所以外腹板的外观质量才会对区域景观造成影响。外腹板分为上下两个部分，下部分高由于倾角较大，利于气泡的上浮；上部分由于模板向内侧倾，不利于气泡的上浮，外观气泡问题突出，如图2所示。

      在实验室，通过改变清水混凝土原材料和配合比，研究了材料参数、施工工艺参数和模板参数对清水混凝土外观气孔的影响，确定了获得较好混凝土外观气孔状况时具有高鲁棒性的参数控制区间。根据前述清水混凝土外观气孔质量评价指标，实验室所得高鲁棒性参数控制区间如下，材料参数方面：拌和物的初始含气量为2%~3%，粗骨料粒径为5~25 mm，塑性黏度系数为5~10 Pa·s，初始屈服应力为100~200 Pa，泌水率为8%~10%；工艺参数方面：振动频率为10 000~12 000 次/min、振动时间为20~25 s、振动幅度为1.0~1.2 mm；模板参数方面：使用脱模剂后的接触角为102 °~112 °。

3.1   原材料

      水泥：盘固水泥有限公司生产的P·Ⅱ 52.5级水泥，性能符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》规定；粉煤灰：南京扬子粉煤灰开发有限责任公司生产的F类Ⅰ级；矿渣粉：南京南钢嘉华新型建材有限公司生产的S95级；中砂：江西赣江生产；碎石：湖北宜昌聂家河生产的5~20 mm连续级配碎石；外加剂：南京某公司提供的聚羧酸高效减水剂，减水率为30%；江苏阔润化工有限公司生产的工业消泡剂，型号为KR-XP98，用水稀释10倍后使用，加入混凝土用量的5‰进行消泡；Sika油性脱模剂；水：自来水。

3.2   混凝土配合比设计与试件制备

      工程采用C55的清水混凝土强度等级，在原配合比的基础上使用实验室所得鲁棒性区间进行调整，试验配合比如表1所示。现场采用的模板尺寸为500 mm×500 mm×5 000 mm。

      基于获得的材料和工艺参数区间，工程现场配制的清水混凝土浆体初始含气量为4%~5%；粗骨料粒径为5~20 mm；实验室得出的塑性黏度系数和初始屈服应力鲁棒性区间转化成现场使用的倒坍落度筒排空时间为8~11s，工程现场的清水混凝土浆体流动性较大，倒坍落度筒排空时间为6 s左右；泌水率为5%左右；振动棒使用的振动频率为12 000次/min，振动时间为30~35 s，振动幅度为0.4~0.6 mm；工程现场使用的脱模剂为液压油，接触角为130 °左右。分别调节工程现场清水混凝土的材料参数、施工工艺参数和模板参数使其在鲁棒性区间范围内，对成型的清水混凝土外观气孔等级情况进行对比，也就是说通过试拌，以降低水泥用量，采用提高粉煤灰和矿粉掺量的方法，使现场清水混凝土拌和物初始含气量降低至约3%；减少减水剂用量，降低其流动性使倒坍落度筒排空时间达到8 s；振动时间减少至25 s，增大振动幅度至1 mm，更换脱模剂使其接触角为110 °。

3.3   清水混凝土表观气孔的观测和评价方法

      使用表面气孔面积率、最大气孔直径定量表征清水混凝土表面的气孔情况，同时，引入气孔分布标准差表征待测清水混凝土表面气孔分布的均匀程度。其中，表面气孔面积率为待测表面气孔面积占待测表面总面积的百分比；气孔分布标准差表征待测表面气孔分布的均匀程度；最大气孔直径表征待测表面气孔的大小。

      采用2 000万像素的数码相机进行图像的采集，镜头距离试件表面的距离固定为1 m，采集尺寸为500 mm×500 mm的试件表面。采集时，保证周围光线充足，在试件表面图像采集区内设置精度为0.1 mm的标尺，镜头垂直于试件表面，并且位于试件表面的正中央。采用Image-Pro-Plus软件，经过图像采集、尺寸校正、气孔测定、数据导出几个步骤，对表面状态进行分析，通过Image-Pro-Plus软件可直接导出表面气孔面积率和最大气孔直径两个指标。气孔分布标准差是将试件表面划分为5×5的方格，分别测量每个方格内的表面气孔面积率，然后计算这25个表面气孔面积率的标准差，数值越大，说明气孔分布越不均匀。

      首先，在工程现场对实验室做出的鲁棒性区间进行了验证，试验过程如图3所示，使用原工程现场的材料参数、模板参数和施工工艺参数制备了十组清水混凝土柱墩，对其进行外观气泡的评价；然后，按照实验室所得各参数的鲁棒性区间，适当调整配合比、施工工艺等，使材料参数、模板参数和工艺参数均达到鲁棒性区间，再制备十块清水混凝土柱墩进行外观气泡的评价，清水混凝土柱墩的对照组和应用鲁棒性区间之后的外观气泡情况分别如图4及图5所示。 

      对比图4和图5可以看出，当没调整清水混凝土浆体的材料参数以及施工工艺参数时，表观质量较差，表面气孔面积率较大，应用了鲁棒性区间后的表观质量较为优异，表面气孔面积率明显降低，表明实验室所得清水混凝土外观气泡控制鲁棒性区间具有一定的抗干扰能力，对改善工程上清水混凝土外观气泡具有指导意义。

      图6为清水混凝土外观气孔定量评价结果。根据图6的评价结果可知，当没调整清水混凝土浆体的材料参数及施工工艺参数时，表面气孔面积率在0.2%以上，气孔分布标准差数值和起伏均较大，最大气孔直径也较大；对于应用鲁棒性区间组，表面气孔面积率降低到了0.2%以下，气孔分布标准差和最大气孔直径均有明显减小。

      （1）本文提出了可实现稳定制备外观优异的高鲁棒性材料参数区间：拌和物的初始含气量为2%~3%，粗骨料粒径为5~25 mm，塑性黏度系数为5~10 Pa·s，初始屈服应力为100~200 Pa，泌水率为8%~10%；振捣时振动频率为10 000~12 000 次/min、振动时间为20~25 s、振动幅度为1.0~1.2 mm；使用脱模剂后模板接触角为102 °~112 °。

      （2）提出了评价外观气泡的定量评价方法，即通过表面气孔面积率、最大气孔直径对清水混凝土外观质量进行评价，并通过气孔分布标准差表征清水混凝土外观气孔的分布均匀程度。

      （3）工程实践表明，应用鲁棒性区间后，工程现场清水混凝土外观气孔情况有明显改善，表面气孔面积率下降至0.2%以下，气孔分布标准差下降、气孔分布更均匀，最大气孔直径减小约50%。实验室所得清水混凝土高鲁棒性参数控制区间对清水混凝土工程具有很好的指导意义。