自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度影響因素分析與評(píng)價(jià)

韓春雨，劉 鑫

（1.重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶401336；2.中鐵二院智源檢測(cè)工程有限公司，四川 成都610036）

自密實(shí)混凝土（Self Compacting Concrete）是一種高流態(tài)混凝土（Highly Fluidized Concrete），是指在自重作用下就可以填充模版每個(gè)角落，對(duì)一些鋼筋比較密集部位無(wú)需振搗就可以很飽滿的包裹鋼筋。與普通混凝土相比自密實(shí)混凝土具有良好的流動(dòng)性、填充性和施工性能，在施工過(guò)程中可以減少振搗，節(jié)約了振搗設(shè)備和電力，減少了混凝土振搗時(shí)的振搗和一些輔助工作量，減少了噪音對(duì)環(huán)境的污染。因此，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，如日本及歐洲，自密實(shí)混凝土用量已占到總量的一半以上。

由于自密實(shí)混凝土靠自重作用來(lái)填滿模版、包裹鋼筋，這就要求拌合物要具有良好的坍落度、擴(kuò)展度和流變性。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料性能

本次試驗(yàn)的原材料均采購(gòu)于重慶市，其性能如下:

1）水泥:拉法基42.5#級(jí)普通硅酸鹽水泥。密度為3.1g／cm3，比表面積為328m2／kg；

2）粉煤灰:Ⅰ級(jí)粉煤灰；

3）砂:細(xì)度模數(shù)為2.31，屬中砂區(qū)；

4）硅粉:重慶烏江實(shí)業(yè)集團(tuán)硅業(yè)有限公司提供的微硅粉－92級(jí)；

5）石:普通石灰?guī)r碎石，粒徑為6～16mm，級(jí)配良好；

6）減水劑:重慶健杰JJC－PC－40聚羧酸高性能減水劑。

1.2 試驗(yàn)方法與測(cè)試結(jié)果

本次自密實(shí)混凝土工作性能測(cè)試方法參照2012年3月出版的《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ／T 283－2012）、《水 工 混 凝 土 試 驗(yàn) 規(guī) 程》（SL352－2006）。自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度工作性能指標(biāo)要求如表1所示。

表1 自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度性能表

按照《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ／T 283－2012）規(guī)定的實(shí)驗(yàn)方法及三個(gè)因素來(lái)設(shè)計(jì)配合比，按照所設(shè)計(jì)的配合比分別將稱(chēng)好的砂、石、水泥、粉煤灰和減水劑倒入60L混凝土攪拌機(jī)，啟動(dòng)攪拌機(jī)30s后，加入水，再攪拌90s后完成?；炷翑U(kuò)展度的測(cè)定按照《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ／T 283－2012）附錄 A1中所規(guī)定的操作方法操作。其中，將邊長(zhǎng)1 000mm硬質(zhì)不吸水的的正方形平板及坍落度筒潤(rùn)濕，自密實(shí)混凝土一次性裝入到坍落度筒中，并將坍落度筒頂口和周邊的多余混凝土清走。提起時(shí)間應(yīng)控制在2.0s，待混凝土停止流動(dòng)后，測(cè)試混凝土擴(kuò)展度。

新拌混凝土屬于賓漢姆流體，其流變方程為

式中:τ為剪切應(yīng)力，τ0為屈服剪切應(yīng)力，η為塑性粘度，γ為剪切速度。

由式（1）可知，τ0為阻止混凝土塑性變形的最大應(yīng)力，當(dāng)τ＞τ0時(shí)，混凝土才能產(chǎn)生流動(dòng)。η為混凝土內(nèi)部阻止其流動(dòng)快慢的一種性能，當(dāng)η越小，混凝土的流動(dòng)越快。所以τ0，η為自密實(shí)混凝土能否擁有很好擴(kuò)展度的兩個(gè)重要參數(shù)。

本次試驗(yàn)混凝土配合比強(qiáng)度等級(jí)為C30，一般的C30混凝土能夠保證自密實(shí)混凝土中粗、細(xì)骨料中空隙部分完全被砂漿包裹，使得砂漿在石子之間起到潤(rùn)滑作用。由多次試驗(yàn)得出的結(jié)論可知，膠凝材料在390～445kg／m3時(shí)，自密實(shí)混凝土的擴(kuò)展度比較理想。所以，本次實(shí)驗(yàn)?zāi)z凝材料的總量控制在420kg／m3、水膠比為0.37、外加劑用量為膠凝材料總量的1.8%，探討粉煤灰用量、砂率、硅粉復(fù)摻量對(duì)自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度的影響，測(cè)試結(jié)果如表2、表3和表4所示。

表2 粉煤灰用量對(duì)擴(kuò)展度影響的配合比列表

表3 砂率對(duì)擴(kuò)展度影響的配合比列表

表4 復(fù)拌微硅粉用量對(duì)擴(kuò)展度影響的配合比列表

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 粉煤灰對(duì)擴(kuò)展度的影響

參考李?lèi)偩幹频摹蹲悦軐?shí)混凝土技術(shù)與工程應(yīng)用》，自密實(shí)混凝土砂率一般在40%～50%為宜，本次試驗(yàn)的砂率暫定為43%，討論粉煤灰含量的變化對(duì)自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度的影響。

由于粉煤灰能夠和水泥發(fā)生二次水化反應(yīng)，產(chǎn)生水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝物質(zhì)，這些膠凝物質(zhì)在拌合物中可以有效增加其擴(kuò)展度、坍落度等工作性能，因此，在自密實(shí)混凝土中粉煤灰常用來(lái)作為拌合物的活性摻合料。

由圖1和表2可知，當(dāng)粉煤灰含量在5%～30%時(shí)，混凝土擴(kuò)展度隨粉煤灰的增加而逐漸變大。當(dāng)粉煤灰含量在30%～50%時(shí)，混凝土擴(kuò)展度隨粉煤灰用量的增加而逐漸減小。主要原因是:

1）由粉煤灰“三效應(yīng)”可知，當(dāng)其用量較少時(shí)，與其發(fā)生二次水化反應(yīng)的水泥過(guò)剩，而過(guò)剩水泥顆粒易在混凝土中凝聚，使得τ0沒(méi)有達(dá)到最小，混凝土的擴(kuò)展度也隨之減小，沒(méi)有達(dá)到規(guī)范要求的擴(kuò)展度值。隨著粉煤灰用量的增加，粉煤灰與水泥的反應(yīng)會(huì)變得較為充分，混凝土的擴(kuò)展度也隨之增加，當(dāng)其用量達(dá)到30%時(shí)，混凝土擴(kuò)展度也達(dá)到了最大值，這時(shí)水泥和粉煤灰的反應(yīng)也達(dá)到了最佳狀態(tài)。

圖1 不同粉煤灰用量的混凝土擴(kuò)展度

2）由于粉煤灰的顆粒比水泥顆粒小，顆粒形狀也較水泥顆粒圓滑。所以，在混凝土拌合物中起到“滾珠”潤(rùn)滑作用，是使混凝土拌合物擴(kuò)展度增大的原因之一。

3）隨著粉煤灰用量達(dá)到30%后，當(dāng)用量再次增加時(shí)，混凝土拌合物擴(kuò)展度會(huì)隨著用量增加而減小。這是因?yàn)?，在二次水化反?yīng)中粉煤灰有所剩余，粉煤灰的比表面積較水泥的比表面積大，起到潤(rùn)滑作用的膠凝材料表面變薄，從而使混凝土變得不易流動(dòng)，擴(kuò)展度也會(huì)隨之減小。

2.2 砂率對(duì)擴(kuò)展度的影響

本次試驗(yàn)是在粉煤灰含量為膠凝材料總量30%基礎(chǔ)上進(jìn)行的試驗(yàn)。借此來(lái)討論砂率對(duì)自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度的影響。

由于自密實(shí)混凝土中砂的主要作用是起潤(rùn)滑作用，因而砂率的大小是影響自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度大小的重要因素之一。

由圖2可知，當(dāng)砂率在40%～46%時(shí)，混凝土擴(kuò)展度隨著砂率的增加而逐漸變大。當(dāng)砂率在46%～49%時(shí)，混凝土擴(kuò)展度隨著砂率的增加而逐漸減小，主要原因是:

圖2 不同砂率的混凝土擴(kuò)展度

1）當(dāng)自密實(shí)混凝土中砂率過(guò)小，砂對(duì)混凝土中粗骨料潤(rùn)滑不夠充分，使得混凝土內(nèi)部依舊存在著較大的屈服剪切應(yīng)力，隨著砂率的增加，砂的潤(rùn)滑效果越發(fā)明顯，混凝土內(nèi)部的屈服應(yīng)力也會(huì)逐步減小，塑性粘度也同時(shí)減小。由于重力作用而產(chǎn)生的外部剪切力作用使混凝土的流動(dòng)速度增大，擴(kuò)展度也會(huì)隨之變大。因此，當(dāng)砂率達(dá)到46%左右時(shí)，自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度達(dá)到最大。當(dāng)砂率過(guò)小時(shí)，砂對(duì)混凝土內(nèi)部粗骨料的潤(rùn)滑作用也會(huì)變小，因此，混凝土粗骨料間就會(huì)存在一些水泥凈漿，對(duì)混凝土的流動(dòng)性起到一定的制約作用。

2）當(dāng)砂率過(guò)大時(shí)，由于砂的用量增加，使得骨料的比表面積和孔隙率增大。在膠凝材料用量一定的條件下，使起到潤(rùn)滑作用的膠凝材料表面變薄，從而使混凝土變得不易流動(dòng)，擴(kuò)展度也會(huì)隨之減小。

2.3 復(fù)拌微硅粉用量對(duì)擴(kuò)展度的影響

本次試驗(yàn)是在保持復(fù)拌材料（微硅粉與粉煤灰）占膠凝材料總量30%，砂率為46%時(shí)，討論微硅粉對(duì)自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度的影響。

由于微硅粉能夠填充水泥顆粒間的孔隙，同時(shí)與水化產(chǎn)物生成凝膠體，與堿性材料氧化鎂反應(yīng)生成凝膠體，使拌和物具有良好的保水性，防止拌合物離析和泌水現(xiàn)象的發(fā)生。

由圖3可知，當(dāng)復(fù)拌微硅粉用量在0%～5%時(shí)，混凝土的擴(kuò)展度變化不大，但微硅粉與水泥的水化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一些凝膠體，這些凝膠體在拌合物中起到了保水作用，大大減少了拌合物發(fā)生離析、泌水的幾率，更適合現(xiàn)場(chǎng)混凝土泵送要求的條件。當(dāng)復(fù)拌微硅粉用量超過(guò)5%時(shí)，混凝土擴(kuò)展度會(huì)下降的很快，其主要原因是:

圖3 不同復(fù)拌微硅粉含量的混凝土擴(kuò)展度

1）硅粉與水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生膠凝體過(guò)多，使得內(nèi)部屈服剪力變大，塑性粘度也隨之變大，由式（1）可知τ0、η均變大，進(jìn)而使得τ也會(huì)變大，就使得混凝土流動(dòng)所需要的外力變大。所以，混凝土的擴(kuò)展度也就隨之變小，流動(dòng)速度也變小。

2）由于微硅粉表面積大，使起到潤(rùn)滑作用的膠凝材料表面變薄，從而使混凝土變得不易流動(dòng)，擴(kuò)展度也會(huì)隨之減小。

2.4 自密實(shí)混凝土強(qiáng)度分析

本次試驗(yàn)所配置混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，試驗(yàn)所制備混凝土試塊規(guī)格均為100mm×100mm，采用YZ－500壓力機(jī)測(cè)定本次試塊的抗壓強(qiáng)度。

由表5可知，在同一水膠比條件下，隨著粉煤灰摻量的增加混凝土強(qiáng)度降低，這是由于粉煤灰含量增加導(dǎo)致水泥含量較少，使得混凝土拌和物中生成的Ca（HO）2含量減少，摻和料水化反應(yīng)后生成CS－H膠凝的比例也隨之減少，摻合料中部分粒料未能參與反應(yīng)，處于游離狀態(tài)，試塊中沒(méi)有足夠的C－S－H膠凝填充周?chē)障叮噪S著粉煤灰含量增加，試塊強(qiáng)度隨之減少。當(dāng)試塊達(dá)到28d時(shí)，粉煤灰有充足的時(shí)間進(jìn)行二次化合反應(yīng)，可產(chǎn)生更多的C－S－H膠凝，周?chē)臻g變得更加密實(shí)，使得粉煤灰含量較高的混凝土試塊后期的強(qiáng)度增加較快。由此可以預(yù)測(cè)，隨著養(yǎng)護(hù)期齡的增加，有利粉煤灰混凝土強(qiáng)度發(fā)展。由2.4試驗(yàn)結(jié)論可知，按2.3試驗(yàn)配合比所制備試塊的28d強(qiáng)度可按照C30混凝土的標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度。混凝土強(qiáng)度主要取決于配合比中的粗骨料和水泥強(qiáng)度，所以，按2.2試驗(yàn)配合比所制備的試塊28d強(qiáng)度也可按照C30混凝土的標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度。

表5 不同配合比試樣的抗壓強(qiáng)度值

3 結(jié) 論

自密實(shí)混凝土較普通混凝土的優(yōu)勢(shì)在于澆筑過(guò)程中無(wú)需振搗，只在自身重力作用下就可以達(dá)到密實(shí)、流平，完全填充模版內(nèi)的任何角落。所以，自密實(shí)混凝土擴(kuò)展性能的大小尤為關(guān)鍵，通過(guò)上述試驗(yàn)研究，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1）砂率是保證混凝土拌合物均勻性、填充性的重要因素。所以，砂率的大小是影響自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度大小的重要因素之一。砂率過(guò)大或過(guò)小都會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)展度的降低，本次試驗(yàn)條件下，合理的砂率應(yīng)控制在46%左右。

2）粉煤灰對(duì)自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度的影響主要表現(xiàn)在粉煤灰是否能夠和水泥漿體反應(yīng)充分，膠凝物質(zhì)產(chǎn)生量多。由本次試驗(yàn)可知，當(dāng)粉煤灰用量在25%左右時(shí)，自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度將達(dá)到最大。

3）當(dāng)微硅粉摻量在0%～5%時(shí)，雖然自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度變化不大，但可以有效改善混凝土離析、泌水，提高混凝土工作性能。當(dāng)微硅粉摻量大于5%時(shí)，混凝土擴(kuò)展度將急劇下降。所以，建議在進(jìn)行自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，微硅粉含量不大于5%。

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