摻加萘系減水劑的SCC配合比設(shè)計方法研究

陳成芹，余意恒

（1.西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124；2.甘肅省新型建材與建筑節(jié)能重點實驗室，甘肅 蘭州　730030）

摻加萘系減水劑的SCC配合比設(shè)計方法研究

陳成芹1，2，余意恒1

（1.西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124；2.甘肅省新型建材與建筑節(jié)能重點實驗室，甘肅 蘭州730030）

自密實混凝土（簡稱SCC）配合比設(shè)計方法在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的方法。在設(shè)計過程中，新拌混凝土的工作性非常敏感，受原材料質(zhì)量、配料準確性等因素波動的影響而大幅度變化，從而造成自密實混凝土的技術(shù)發(fā)展受到了一定的限制。通過介紹國內(nèi)較先進的固定砂石體積法、全計算法、改進全計算法、參數(shù)設(shè)計法、骨料比表面積法、簡易配合比設(shè)計方法6種方法各自特點，選擇比較成熟的固定砂石體積法、改進全計算法、參數(shù)設(shè)計法對C60自密實混凝土進行了工作性能以及力學(xué)性能對比試驗。通過試驗表明：固定砂石體積法參數(shù)選取明確，設(shè)計過程較簡單，工作性能較穩(wěn)定，具有一定的適用性。

自密實混凝土；配合比設(shè)計；工作性能；力學(xué)性能

1概述

混凝土材料從早期材料簡單、質(zhì)量粗糙、強度等級低的普通混凝土，到目前多組分、級配優(yōu)良、強度高的高性能混凝土，無論是在材料性能上，還是在施工工藝上都有了很大的飛躍［1-2］。自密實混凝土依靠其自重填充空隙、成型，具有降低施工噪聲、改善施工環(huán)境和周圍居民的居住壞境、提高施工速度、縮短工程工期等優(yōu)點，隸屬于一種高性能混凝土，在高層、大跨度項目中廣泛應(yīng)用。目前在自密實混凝土配合比設(shè)計中，不同配合比設(shè)計方法，設(shè)計理論不同，配制出的混凝土性能差異較大。況且自密實混凝土地域性強，即使采用了相同的配合比，由于原材料的地域差異、種類差異，配制的混凝土性能也有差別［3］。自密實混凝土配合比設(shè)計方法有多種，并且沒有固定的設(shè)計方法［4-7］。自密實混凝土突出的矛盾就是流動性與穩(wěn)定性的矛盾，解決這一矛盾的關(guān)鍵是：減小集料的粒徑；增大砂漿黏度來實現(xiàn)混凝土的穩(wěn)定性，而增大砂漿量可以改善流動性。這是自密實混凝土配合比設(shè)計的基本指導(dǎo)思想。在配制過程中，不僅要注重配合比設(shè)計方法之間的差異，更要嚴格控制原材料質(zhì)量、拌合物生產(chǎn)制備和整個施工過程。本論文通過探討國內(nèi)常用的固定砂石體積法、全計算法、改進全計算法、參數(shù)法、骨料比表面積法和簡易配合比設(shè)計方法6種設(shè)計方法的特點，從中選擇較成熟的固定砂石體積法、改進全計算法和參數(shù)法進行自密實混凝土配制，分別用不同品種礦物摻合料取代水泥，研究礦物摻合料對自密實混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響。通過對比試驗得出各個設(shè)計方法的適用特點及范圍，應(yīng)根據(jù)不同的要求和環(huán)境選擇合適的配合比設(shè)計方法。

2　原材料性能

（1）水泥。自密實混凝土適宜采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，且應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）的相關(guān)規(guī)定。在水泥品種的選擇上，應(yīng)選用水化放熱量較小的水泥［8］，避免溫升問題，不利于自密實混凝土的施工。本實驗采用P.O 42.5的水泥，其各項性能見表1。

表1　水泥技術(shù)性能指標

（2）粉煤灰。粉煤灰采用Ⅱ級F類，密度為2 000 kg/m3，其性能見表2。

表2　粉煤灰性能指標

（3）細骨料。自密實混凝土中砂漿量大、砂率大。細度模數(shù)的計算見表3。

表3　分計篩余和累計篩余的計算結(jié)果

故可以判斷實驗所用細骨料為二區(qū)中砂，其物理性能見表4。

表4　細集料物理性能

（4）粗骨料。自密實混凝土比較普通混凝土的顯著特征是屈服剪應(yīng)力較小，影響屈服剪應(yīng)力最大的因素是集料的粒徑尺寸。集料粒徑混凝土的屈服剪應(yīng)力成正比例關(guān)系。反之，如果集料的粒徑越小，沉降速度也越慢，有利于保持混凝土的穩(wěn)定性。因此，在配制自密實混凝土?xí)r應(yīng)重視對集料的最大粒徑的控制。最大粒徑應(yīng)為20～25 m m比較合適。粒徑不宜過大，影響拌合物的間隙通過性，針、片狀顆粒對該性能也有影響，《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（CECS 203—2006）規(guī)定粗骨料中針、片狀含量不宜超過8%。

（5）H NS減水劑。實驗中采用的H SN萘系高效減水劑，是經(jīng)化工合成的非引氣型高效減水劑?；瘜W(xué)名稱萘磺酸鹽甲醛縮合物，它對于水泥粒子有很強的分散作用。對配制大流態(tài)混凝土，有早強、高強要求的現(xiàn)澆混凝土和預(yù)制構(gòu)件，有很好的使用效果，可全面提高和改善混凝土的各種性能，對各種水泥適應(yīng)性好，與其他各類型的混凝土外加劑配伍良好。其主要技術(shù)指標有：

a.含固量：粉劑≥92%。

b.pH值（5%水溶液）：7～9。

c.硫酸鈉含量：粉劑16%～19%。

d.水泥凈漿流動度：≥200 m m。

e.在相同水灰比情況下，可增大混凝土坍落度10 cm以上。

f.在保持坍落度不變時，減水率可達12%～20%。

g.對混凝土有顯著的早強、增強效果，其強度提高幅度為15%～40%，能全面改善和提高混凝土的物理力學(xué)性能，在保持強度相同時可節(jié)約水泥10%～20%，對鋼筋無銹蝕作用。

3　自密實混凝土各配合比設(shè)計方法的對比及適用性研究

3.1配合比設(shè)計方法特點

SCC配合比設(shè)計特點是采用較低水膠比、較高砂率和高膠凝材料用量；對原材料的依賴性大。研究者們有不同的設(shè)計方法，每種方法的理論意義和原理都存在著差異，配制的自密實混凝土性能上存在著較明顯差異，且不同的設(shè)計方法對于各參數(shù)的選取都有嚴格的要求，選取范圍有變化。目前國內(nèi)主要的自密實混凝土設(shè)計方法有固定砂石體積法、全計算法、改進的全計算法、參數(shù)法、簡易配合比設(shè)計方法和骨料比表面積法。每種方法都有各自的設(shè)計特點，有些方法相互關(guān)聯(lián)，也存在有不同之處［9］。各個配合比設(shè)計方法的特點如下：

（1）固定砂石體積法：該設(shè)計方法由日本崗村甫教授提出，他的靈感來源于高流態(tài)自密實混凝土流動性及抗離析性和配合比因素之間的平衡關(guān)系，通過試驗、調(diào)整，滿足于設(shè)計的基本性能要求。其設(shè)計步驟為：

a.最重要的參數(shù)是粗骨料松散體積和砂漿中砂的體積分數(shù)。

b.根據(jù)設(shè)計要求，確定配制強度和水膠比。

c.設(shè)定單位混凝土中粗骨料的松散體積范圍在0.5～0.6 m3，根據(jù)相關(guān)的密度計算出1 m3混凝土粗骨料用量（m g）。

d.設(shè)定砂占砂漿體積含量為0.42～0.45 m3，根據(jù)砂漿密實體積Va和砂的體積、密度等關(guān)系，計算出單位混凝土砂子用量。

e.根據(jù)礦物摻合料的摻入比例，膠凝材料密度與體積關(guān)系，計算出各膠凝材料用量和單位用水量。

f.根據(jù)混凝土的工作性能要求，合理選擇外加劑，并確定其摻入量占膠凝材料總質(zhì)量的百分含量，確定用量。

（2）全計算法：由武漢工業(yè)大學(xué)陳建奎教授提出［10］。主要原理及理論為：

a.混凝土中各組成材料固體、氣、液具有體積加和性。

b.石子的孔隙由干砂漿填充。

c.干砂漿的孔隙由水填充。

d.干砂漿由水泥、細摻料、砂和孔隙組成。

使得自密實混凝土有了定量的計算方法。通過對高性能混凝土的配合比計算，推導(dǎo)出了砂率和單位用水量公式。美國M eht a和Ai t ci n［11-12］教授認為水泥漿和骨料的體積比為35∶65時，高性能混凝土的性能最佳，則Ve=350 L。

式中：ves為干砂漿體積；vw為單位用水量；ve為漿體體積；ρs為砂的表觀密度；ρg為石子的表觀密度；ρ'g為石子的堆積密度。

（3）改進的全計算法：中南大學(xué)對全計算法進行改進，得到更容易滿足性能要求的設(shè)計方法。該方法中砂石用量的計算采用了固定砂石體積法的設(shè)計步驟，算出砂石用量，將全計算法用水量計算運用到該設(shè)計方法中，可根據(jù)各參數(shù)計算出單位用水量；結(jié)合水膠比計算出膠凝材料用量。該計算方法公式明確，步驟簡單，是一種較好的定量設(shè)計方法。

（4）參數(shù)法：天津大學(xué)在經(jīng)驗的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的一種配合比設(shè)計方法。具體為四個重要參數(shù)：用于計算石子用量的粗骨料系數(shù)α；摻合料系數(shù)γ；計算砂用量的砂撥開系數(shù)β以及水膠比W/B。在該設(shè)計方法中，參數(shù)α、β由原材料性能決定，當(dāng)原材料發(fā)生變化時，α、β的參數(shù)選取范圍也會發(fā)生改變。因此該方法對原材料質(zhì)量的控制意義重大。配制的混凝土性能波動性也存在著較大差異。當(dāng)選擇該種方法進行設(shè)計時，應(yīng)多次試配、調(diào)整、總結(jié)經(jīng)驗以選取更適宜的參數(shù)范圍，滿足工作性能要求和設(shè)計要求［5，13］。

（5）簡易配合比設(shè)計方法：由臺灣國立云林科技大學(xué)Nan Su教授提出。該方法認為混凝土骨料間的空隙由膠凝材料砂漿填充，因而砂率增大，混凝土流動性和密實性較好。這種方法的新穎之處在于提出密實印數(shù)概念來控制混凝土骨料用量，而其他則與體積法相似，進而控制拌合物的流動性和密實性。這種方法存在的缺點；一方面是抗壓強度全部由水泥提供而不考慮礦物參合料對強度的貢獻，導(dǎo)致水泥用量增加，成本增加，耐久性也會受到不同影響。使使用范圍受限，大部分應(yīng)用于中低強度自密實混凝土配合比設(shè)計。另一方面，用水量的確定存在著技術(shù)問題。總用水量是由水泥所用水維持水泥水化和流動性的量與各個摻合料用水保證與水泥漿體相同的流動度的量之和。把混凝土從一個整體拆分開確定用水量是不科學(xué)的，忽略了各材料之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)及相容性問題和疊加效應(yīng)問題。

（6）骨料比表面積法：由浙江大學(xué)提出，該方法認為骨料的量對混凝土工作性能影響大。包括粗骨料的最大粒徑、砂子的細度模數(shù)、骨料的密實度等。通過研究，建立骨料比表面積計算方法及富余漿量計算模型，并總結(jié)出了設(shè)計步驟。在其設(shè)計步驟中較為不同的是計算骨料比表面積和骨料的總表面積，從而計算出石子和砂子的計算比表面積。設(shè)計過程相對復(fù)雜和運算煩瑣。但是所得配合比較合理，降低了成本，帶來了顯著的經(jīng)濟效益。

通過6種配合比設(shè)計方法的特點對比，本研究選擇較成熟的固定砂石體積法、改進全計算法和參數(shù)設(shè)計法進行對比研究，得出適用性較廣泛的設(shè)計方法。

3.2SCC配合比設(shè)計方法對比研究

本論文以某辦公樓現(xiàn)澆鋼筋混凝土柱為基礎(chǔ)，柱截面最小尺寸為300 m m，鋼筋間距最小尺寸為60 m m，在露天受雨雪影響?；炷猎O(shè)計強度等級C60，采用P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，無實測強度；Ⅱ級粉煤灰，S95?；郀t礦渣。石子堆積密度ρ'g=1 560 kg/m3，表觀密度ρg=2 700 kg/m3；砂子表觀密度ρs=2 630 kg/m3，粉煤灰表觀密度ρf=2 000 kg/m3。每種配合比設(shè)計方法在設(shè)計中，都做了相應(yīng)的假設(shè)，具體如下：

（1）在固定砂石體積法設(shè)計步驟中，設(shè)定每立方混凝土中石子用量的松堆體積α=0.55 m3，其中α范圍為0.5～0.6 m3；設(shè)定砂漿中砂體積含量為44%（42%～45%）；設(shè)水泥和粉煤灰總體積為1 m3，粉煤灰摻量為30%，粉煤灰體積Vf，水泥體積Vc，總重量mz，Vc=0.7 m3，Vf=0.3 m3；減水劑的摻量為1.5%。

（2）在改進全計算法設(shè)計步驟中，石子用量和砂子用量的計算方法與固定砂石體積法相同，用量分別為mg=858 kg，ms=789.21 kg（α=0.56），M eht a和Ai t ci n教授認為膠凝材料中水泥與礦物摻合料的體積比為75∶25，取=25%，減水劑的用量為2.0%。

（3）在參數(shù)法設(shè)計步驟中，設(shè)定粗骨料系數(shù)α=0.7，砂撥開系數(shù)β=1.2，減水劑用量1.5%。實驗過程中該配合比設(shè)計的配比，混凝土容易出現(xiàn)離析泌水現(xiàn)象、骨漿分離。經(jīng)過試配與調(diào)整，推薦α在0.5～0.6選取，β在1.5～1.6選取。本論文選取α=0.58，β=1.6來設(shè)計配合比，減水劑用量為1.8%。

三種配合比在滿足相應(yīng)的假設(shè)條件下，各個設(shè)計方法配合比1 m3原材料用量匯總見表5。

表5　各配合比方法單位混凝土材料用量

3.3礦物摻合料對自密實混凝土的影響

礦物摻合料的使用，使得自密實混凝土的性能變得更加優(yōu)越，滿足越來越多的工程領(lǐng)域不同的施工要求?？梢匀〈?，減少水泥用量，降低了因生產(chǎn)水泥耗能，改善空氣質(zhì)量。同時，大量的工業(yè)廢渣能夠回收利用，節(jié)約了更多的礦產(chǎn)資源，節(jié)約生產(chǎn)成本，經(jīng)濟效益顯著。本論文所采用粉煤灰、高爐礦渣兩種礦物摻合料。分別采用粉煤灰取代15%水泥，高爐礦渣取代30%水泥，配合比見表6。

表6　礦物摻合料取代水泥配合比　kg/m3

4　自密實混凝土性能

4.1SCC拌合物工作性能測試及評價方法

SCC最突出的是自密實性，具體包括填充性、抗離析性和間隙通過性，三者相輔相成，相互制約。評價方法主要包括：

（1）坍落度及坍落擴展度試驗。將混凝土一次性免振搗裝入坍落度筒中，自坍落度筒提起時開始計時直到混凝土擴展到500 m m直徑的圓餅狀的時間止為T5（0s）。自密實混凝土的坍落擴展度一般為550～750 m m，在該范圍內(nèi)，數(shù)值越大，其填充性能越好，流動性能越好。

（2）V形漏斗試驗。將混凝土試樣裝入漏斗中，直至達到漏斗頂部邊緣，用刮尺抹平漏斗表面，檢測水平狀況，靜置10 s左右，打開活門并開始計時，記錄混凝土拌合物完全流過漏斗所用的時間T。

（3）U形箱測試。評價拌合物間隙通過能力的性能。

4.2SCC力學(xué)性能及評價方法

新拌合物工作性能測試完成后，依次成型，將混凝土均勻地免振搗裝入尺寸為150 m m立方體三聯(lián)試模中，直至充滿模具上邊緣為止，用刮刀抹平后，放置在標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護，并在24 h后進行拆模，養(yǎng)護到規(guī)定齡期后，根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2002）分別測試自密實混凝土的7 d、28 d立方體抗壓強度。

4.3實驗結(jié)果分析

SCC工作性能規(guī)范值見表7。通過試驗所測工作性能及力學(xué)性能指標見表8。

表7　SCC工作性能指標

表8　SCC工作性能及其硬化強度

三種設(shè)計方法下的SCC工作性能及力學(xué)性能值見表8。

從表8中可以看出：

（1）除了標號SCC-4，其余混凝土工作性能都能滿足規(guī)范要求，硬化強度除SCC-7偏低，混凝土力學(xué)性能都能滿足規(guī)范要求。

（2）在SCC-1與SCC-3中，在水膠比、礦物摻合料相同的情況下，硬化混凝土的立方體抗壓強度隨著膠凝材料數(shù)量的增加而增加，但增長幅度不明顯。

（3）粗骨料對混凝土抗壓強度的影響。由SCC-1和SCC-2可得出，粗骨料最大粒徑減小，顆粒整體能夠密實堆積，獲得最大的密實度，新拌混凝土具有較小的內(nèi)摩擦力、流動性和填充性良好，但是抗壓強度有所降低。

（4）從SCC-6和SCC-7中可得，隨著粉煤灰、礦渣取代了水泥，抗壓強度下降。礦物摻合料活性較低，且實驗過程中對礦渣細度的處理不夠，導(dǎo)致活性小，在短期時間不能發(fā)揮其活性。粉煤灰、礦渣取代了部分水泥，減少了水泥用量而造成強度下降。

5　結(jié)語

通過探討國內(nèi)較成熟的6種SCC配合比設(shè)計方法各自的特點，選取目前國內(nèi)常用、性能優(yōu)越的固定砂石體積法、改進全計算法和參數(shù)法進行配比設(shè)計并進行性能研究，得出如下結(jié)論：

（1）在設(shè)計過程中，固定砂石體積法和改進全計算法設(shè)計的自密實混凝土性能能夠達到基本要求，而參數(shù)法和易性不滿足要求，需要通過試配與調(diào)整。

（2）固定砂石體積法各個參數(shù)的選取確定，設(shè)計原理明確，設(shè)計步驟簡單。該方法配制的自密實混凝土穩(wěn)定性好，是一種穩(wěn)定、適用性強的配合比設(shè)計方法。改進全計算方法是一種定量的設(shè)計方法，其用水量的計算公式，有利于計算的準確性。對自密實高強高性能混凝土的設(shè)計發(fā)展有推動意義。參數(shù)法具有不穩(wěn)定性。在設(shè)計過程中，應(yīng)對原材料進行大量的試驗，根據(jù)原材料性能來確定α、β值，該方法不具有適用性。

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TU5

A

1009-7716（2016）09-0216-05

2016-05-30

陳成芹（1986-），女，碩士，山東莒縣人，從事路基路面材料教學(xué)及研究工作。