1　前言

混凝土是现代工程结构的主要材料,也是应用最广泛的人造建筑材料,混凝土的耐久性和高工作性已经成为衡量混凝土性能的首要标准。而高性能混凝土(High-Performance Con-crete)的研究应用已成为当今混凝土结构发展的主要方向。自密实(Self-Compacting Concrete)是高性能混凝土的一种,即主要通过依靠自重,勿需振捣即可自行填充模型且包裹配筋,其拌和物具有良好的流动性、粘聚性、保水性及填充性能,不离析、泌水且硬化后具有良好的力学性能和耐久性能。自密实混凝土于20世纪80年代后期由日本首先发明并应用,1988年日本东京大学教授冈村甫(Okamura)最早开发出“不振捣的高耐久性混凝土”,其关键技术是通过掺加高效减水剂和矿物掺合料,可在低水胶比条件下,大幅度的提高混凝土拌合物的流动性,同保证其具有良好的粘聚性、稳定性,防止泌水和离析。1996年冈村甫在美国德克萨斯大学讲学中,首次命名为“自密实高性能混凝土”[1-2]。

2　自密实混凝土原材料要求

自密实混凝土的基本组成与普通混凝土一样。但为了满足新拌混凝土需要的特性,自密实混凝土使用了较高比例的胶凝材料,掺入混凝土外加剂,并需要加入粉煤灰、矿渣粉、硅灰等填充料。

为了实现自密实混凝土良好的工作性能和钢筋通过性能,自密实混凝土的配合比设计至关重要,在配合比设计中,对集料的最大粒径、集料的用量及集料的级配进行了严格的限制。即随着拌和物工作性能的提高,离析的可能性增加,且由于引气产生的孔隙率降低,这些问题可以通过提高细粗集料比、降低水胶比、优化级配及使用高效减水剂加以解决。自密实混凝土的原材料必须符合如下要求:

(1)水泥:由于自密实混凝土采用较多的胶凝材料,为了减少混凝土的收缩,应尽量选择水化热较低的普通硅酸盐水泥。

(2)粗集料:自密实混凝土对粗集料的要求较为严格。考虑到混凝土的和易性、抗离析性及钢筋通过性能,不仅要严格限制集料的最大粒径,而且要选择集料的粒型和级配。配置自密实混凝土时集料的最大粒径一般不超过25mm,其中针、片状颗粒含量要少。级配一般选择5mm-25mm。如果集料级配不合理,会影响自密实混凝土的粘性,容易产生离析、泌水。

(3)细集料:考虑到流变性能的要求,自密实混凝土宜选用级配合理、粒型均匀圆滑、洁净的中砂。

(4)矿物掺合料:为了改善自密实混凝土的流变性能,通常需要掺加一些矿物掺合料。不同的掺合料种类及掺量对自密实混凝土的性能会产生不同的影响,如掺加硅灰可以使混凝土的强度增加,但容易造成拌合物离析,掺加粉煤灰可以有效改善自密实混凝土的流变性能和收缩性能,对其后期强度也无不良影响,但却会使其早期强度降低,有时会影响施工脱模时间。因此,应根据工程的实际要求,来确定不同的掺合料及掺量。

(5)混凝土外加剂:自密实混凝土的高流动性、高稳定性、间隙通过能力和填充性都需要以外加剂的手段来实现,对外加剂的主要要求为:与水泥的相容性好;减水率大;缓凝、保塑。宜采用减水率为20%以上的高效减水剂,聚羧酸盐高效减水剂最佳,能够提供强大的减水作用,减水率高达40%,具有特别优良的流动性,超强的粘聚性,高度的自密实性,良好的工作性保持能力,能够增强早期强度的发展。同时,为防止混凝土的离析,还需掺入增粘剂。目前用于自密实混凝土的主要有纤维素类聚合物、丙烯酸类聚合物、生物聚合物、乙及无机增粘剂等,用于增加混凝土粘度,提高抗离析能力。

3　自密实混凝土配合比设计

3·1　自密实混凝土工作性能的要求

新拌混凝土在浇筑时的性能统称为工作性(workability),包括流动性、粘聚性和保水性等。自密实混凝土的工作性可以通过新拌混凝土的流动性、抗离析性、钢筋间隙通过性和填充性四个方面来综合评价。

(1)    流动性测试

(2)    混凝土流动性常用方法为坍落度和坍落流动度测量,即测试混凝土拌合物的坍落高度和扩展直径,以及倒坍落筒试流出时间。混凝土达到自密实基本的要求是坍落度大于250mm,扩展度大于600mm,倒坍落度筒流出的时间在10S~30S之内。

(3)抗离析性

该项时间测定即为前述坍流度试验,在坍落度筒底离开混凝土面开始到混凝土流到直径为500mm的时间。须在水平板上事先标记。也有人在一种L形流动性测定装置的转角处装置来测定拌合物流动初始速率,来判断拌合物的抗离析性。V形漏斗流下时间测试时,先关闭漏斗底盖,将混凝土拌合物连续注满漏斗并抹平上表面,10S内打开底盖,测定全部混凝土拌合物排完所需时间。www.tmgc8.com

(4)钢筋间隙通过性试验

测试新拌混凝土钢筋通过性能采用U型槽试验测试方法:先关闭中间活动隔板,将混凝土拌合物连续注入其中一室至顶面抹平,拉开活动隔板,让混凝土经过流动障碍流向另一室至静止。另一室容器底端至混凝土上表面的高度即为箱形填充高度。U型槽可同时测定混凝土的屈服应力、塑性粘度,匀质性以及混凝土拌合物的填充能力和间隙通过性,自密实混凝土两边高差应小于5mm,是一种较为理想的测试方法。综上所述,自密实混凝土工作性能的评价主要包括Slumpflow试验、T50、L-box试验、U-box试验、V-funnel试验、J-ring试验、湿筛试验、Orimet试验和贯入试验等,其中前五种是被多数研究最长采用的试验方法,而对于湿筛试验和贯入试验则主要是用来评价自密实混凝土抗离析性能。各种试验方法所采用的试验指标的标准应该根据混凝土施工其中前五种是被多数研究最长采用的试验方法,而对于湿筛试验和贯入试验则主要是用和使用情况来确定自密实混凝土的自密实等级,从而确定试验指标所需要满足的条件,这样才能获得既能满足使用需要有相对经济的自密实混凝土。

我国自密实混凝土工作性能评价标准如表1所示二醇类聚合物

表1　我国规范CECS203:2006对自密实混凝土

                             工作性能的规定

3·2　

3·2·1　配制原则

根据日本土木工程学会的《高流动性混凝土施工指南及自密实混凝土制造指引》及湾廖肇昌先生《自充填混凝土配比、产制与浇制手册》,及中国工程建设标准化协会标准CECS203:2006《自密实混凝土应用技术规程》拟以下配制原则:

(1)粗集料最大粒径不超过20mm或25mm。粗集料单位绝对体积不超过0·36m3/m3或单位含量不超过950kg。细集料占集料总量40%~50%。

(2)单位用水量控制在150 kg/m3~170 kg/m3。胶凝材料总量控制在0·16 m3/m3~0·19 m3/m3。水胶比控制在0·28~0·35之间。

(3)配制的混凝土应同时满足新拌及硬化混凝土各项性能要求即表1所列性能期望值。

3·2·2　配制过程因自密实混凝土在配合比设计上用粉体取代了相当数量的粗集料,通过高效减水剂的分散和塑化作用,使浆体具有优良的流动性和粘聚性,能够有效地包裹粗集料,从而达到自流动和自密实的效果,故混凝土配合比设计宜采用超量取代法进行。

首先按照普通混凝土配合比设计的有关规定计算出未掺粉煤灰的基准混凝土配合比;再根据粉煤灰的质量和混凝土强度等级等初步选取粉煤灰取代水泥百分率和超量系数,并计算出掺粉煤灰的混凝土各材料用量;计算灰浆富余系数α并调整粉煤灰取代水泥百分率和超量系数使其在3·6~4·0;最后还应采用工程实际使用的材料进行试配。自密实混凝土配合比的突出特点是;高砂率、低水胶比、高矿物掺合料掺量。此外应满足拌合物高施工性能的要求,其主要参数应满足:水胶比为0·28~0·40;混凝土拌合物中胶结材料浆体体积占35%~45%;砂率为45%~50%;减水剂掺量为0·5%~1·5%;粉煤灰、磨细矿渣等掺合料按其品质和作用效应的不同,有各自不同的掺量范围,如粉煤灰的掺量一般为15%~35%,磨细矿渣一般为30%~50%。自密实混凝土配合比的确定是以上各参数和混凝土强度、耐久性、施工性、体积稳定性(硬化前的抗离析性,硬化后的弹性模量、收缩徐变)等诸性质间矛盾的统一。例如流动性和抗离析性要求粗集料用量小,但粗集料用量小时硬化混凝土的弹性模量低,收缩、徐变大、砂率大,有利于施工性和强度而增大弹性模量;水胶比大,有利于流动性,而不利于强度和耐久性等等。根据上述矛盾的统一确定粗集料的最合适用量、砂子在砂浆中的含量。配制自密实混凝土应首先确定混凝土配制强度、水胶比、用水量、砂率、粉煤灰掺量、膨胀剂等主要参数,再经过混凝土性能试验强度检验,反复调整各原材参数来确定混凝土配合比的方法。

4　自密实混凝土施工质量控制

4·1　自密实混凝土生产过程

自密实混凝土与普通混凝土使用的生产设备与生产方法不尽相同。由于自密实混凝土原材料种类多,拌和物的粘性较大,应优先使用强制式搅拌机,以节约拌制时间,使拌和物搅拌均匀。生产自密实混凝土的投料顺序分两步进行。第一步:用水泥、适当的掺合料、砂、水与高效减水剂配制出具有良好流动性的砂浆;第二步:在上述砂浆中加入粗集料,充分搅拌,视拌合物流动情况适当增加高效减水剂用量,若仍不能满足要求则需调整配合比。www.tmgc8.com

4·2　自密实混凝土的浇筑与养护

自密实混凝土的输送方式应尽量选用泵送,并尽可能从模板底部泵送混凝土,以防止或减少混凝土表面缺陷。自密实混凝土一般能够自己找水平,但表面并不平整,粗集料会部分突起,故需要在凝结硬化前适当时间进行抹面。自密实混凝土浇筑完毕后,应及时加以覆盖防止水分散失,并在终凝后立即洒水养护,洒水养护时间不得少于7d,以防止混凝土出现干缩裂缝。冬季浇筑的混凝土初凝后,应及时用塑料薄膜覆盖,防止水分蒸发,塑料薄膜上应覆盖保温材料。模板应在混凝土达到规定强度后方可拆除,拆除模板后应在混凝土表面涂刷养护剂进行养护。

4·3　新拌混凝土的工作性评价

自密实混凝土的工作性评价是进行配合比设计和现场质量检验的基础。为了方便有效地评价新拌混凝土的高流动性、高稳定性和穿越钢筋间隙能力,发展了一些新试验方法,如倒坍落度筒、L型仪、U型箱、J环、牵引球粘度计、密配筋模型填充试验等。在自密实混凝土的研究中,应鼓励多种检测技术的发展,但鉴于目前尚未形成统一、成熟的检测方法,笔者认为,在施工条件下应该力求简单实用性原则。例如可以同时采用倒坍落筒和L仪或U型箱试验综合评价实际工程中自密实混凝土的工作性能。

5　结论与展望

由于自密实混凝土的诸多优点,其应用前景非常广阔,但由于开发与应用的历史较短。尚有一些问题及内容需要进行更深入的研究:(1)早期收缩问题。由于自密实混凝土水胶比较低、胶凝材料用量较高,使得混凝土早期的收缩较大,尤其是早期的自收缩。(2)配合比设计方法。自密实混凝土对工作性要求较高,配合比计算涉及的因素较多,至今没有形成统一的设计计算方法。(3)物理力学性能和耐久性能的认识。自密实混凝土的施工性能已得到了比较充分的研究,但是在掺入大量的高效减水剂后,自密实混凝土的物理力学性能和耐久性能是否发生变化及其变化规律,目前还不是十分了解。(4)自密实混凝土的抗震性能。这是混凝土结构设计中的一个重要问题,即与其它技术(纤维增强材料,钢管混凝土,自应力混凝土,纤维布等)复合使用时物理力学性能,抗震性能值得更深入的研究。(5)经济性问题。自密实混凝土的材料成本要略高于普通混凝土,这也成为应用自密实混凝土的主要障碍,因此,解决自密实混凝土高性能与高成本之间的矛盾,将自密实混凝土发展成为普通混凝土是我们的目标。保型混凝土、再生骨料混凝土和机敏混凝土发展。

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