自密實(shí)混凝土應(yīng)用與發(fā)展前景

李海卿（中交第二航務(wù)工程局有限公司，高級工程師）

自密實(shí)混凝土應(yīng)用與發(fā)展前景

李海卿（中交第二航務(wù)工程局有限公司，高級工程師）

1 自密實(shí)混凝土性能及技術(shù)

1.1 自密實(shí)混凝土的性能

自密實(shí)混凝土（SCC）拌合物具有良好的工作性能，與傳統(tǒng)普通混凝土相比，自密實(shí)混凝土具必須具備下述優(yōu)越性能：（1）高流動性：自密實(shí)混凝土能夠自行流動并填滿模板內(nèi)每個角落。（2）穩(wěn)定性好：自密實(shí)混凝土在流動過程中必須保證不離析，減少泌水。（3）不會堵塞：自密實(shí)混凝土在流過密集鋼筋或狹窄空間不能產(chǎn)生堵塞，能夠順暢流動布滿需澆注的空間。

由于 SCC 拌合物具有很高的流動性而不離析、不泌水，能不經(jīng)振搗或少振搗而自動流平并充滿模型和包裹鋼筋的混凝土。因此自密實(shí)混凝土綜合效益顯著，特別是用于難以澆筑甚至無法澆筑的部位，可避免出現(xiàn)因振搗不足而造成的空洞、蜂窩、麻面等質(zhì)量缺陷。自密實(shí)混凝土作為高流動性混凝土，配制的關(guān)鍵是如何滿足良好的流變性能要求。

1.2 自密實(shí)混凝土技術(shù)

1.2.1 自密實(shí)混凝土配制的基本原理

混凝土拌合物實(shí)際上是（粗、細(xì)） 集料懸浮于水泥漿體中的混合體系，拌合物本身的屈服剪切應(yīng)力和塑性粘聚度是決定混凝土流變特性的基本參數(shù)。對于混凝土拌合物這種多組份的分散流體而言，其屈服剪切應(yīng)力與塑性粘聚度隨著剪切應(yīng)力而變化，實(shí)質(zhì)上是隨著粘聚結(jié)構(gòu)的破壞程度而變化。人工振動澆注成型的原理就在于：通過振搗外力一方面破壞了水泥漿體水化初期形成的凝聚結(jié)構(gòu)，膠體粒子擴(kuò)散層中的弱結(jié)合水在振動的作用下解吸附變成自由水，混凝土拌合物呈現(xiàn)塑性性質(zhì)，膠體曲凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z；另一方面振動外力破壞了粗顆粒之間的粘結(jié)力和機(jī)械嚙合力，大大降低了內(nèi)阻，使混合料易于流動。

對于自密實(shí)混凝土而言，混凝土的成型和密實(shí)過程同時發(fā)生，并且是依靠拌合物自身的高流動性填充模板內(nèi)部空隙，從而形成密實(shí)的混凝土結(jié)構(gòu)物。這就要求：一方面混凝土拌合物必須具備較低的屈服剪切應(yīng)力和塑性粘聚度，拌合物才能具備高流動性，無需振動即能充模板內(nèi)部空隙；另一方面混凝土拌合物在密實(shí)成型的過程中必須保持均勻，無離析、不泌水現(xiàn)象發(fā)生。

采用增加單位用水量以及使用超塑化劑的傳統(tǒng)方法，使混凝土拌合物的屈服剪切應(yīng)力和塑性粘度大大降低，在一定范圍內(nèi)可改善混合料的流動性。但是當(dāng)混凝土拌合物塑性粘聚性降低到一定程度時，拌合物抗離析性就急劇下降，出現(xiàn)漿骨分離、粗集料聚集堆積，混凝土拌合物的流動性大大降低，因而不能達(dá)到自密實(shí)的效果。因此配制 SCC 的關(guān)鍵就在于采取有效方法獲取流動性與粘聚性高度統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)混凝土拌合物良好的工作性和抗離析性的和諧統(tǒng)一。

1.2.2 自密實(shí)混凝土的技術(shù)途徑

要獲得高流動性與抗離析性的和諧統(tǒng)一，成功地配制出自密實(shí)高性能混凝土，多功能高效的外加劑、大摻量礦物摻合料、原材料的嚴(yán)格控制以及合理的配合比是SCC 配制過程的關(guān)鍵。一般主要采用以下幾種技術(shù)途徑：

（1）使用高性能礦物摻合料（高爐微粉、粉煤灰及硅灰等），提高漿體比例來改善混凝土拌合物的抗離析性。大摻量的礦物外摻料應(yīng)用于自密實(shí)混凝上的外摻料主要包括磨細(xì)石灰石粉、硅灰、粉煤灰以及磨細(xì)礦粉，后兩種在我國應(yīng)用較為普遍。礦物外摻料在 SCC的配制中主要起著以下作用：

① 改善混凝土拌合物的流變性

通常采用的這幾類摻合料比表面積較水泥高，比重相對較小，等量替代水泥時增加了漿體的體積，使得漿骨比增大，更多的漿體包裹在集料周圍，減少了集料之間直接接觸的幾率，因而降低了混合料的屈服剪應(yīng)力，改善了混合料的流動性和透過鋼筋的能力，混凝土自密實(shí)性也因此增強(qiáng)。尤其是品質(zhì)優(yōu)良的粉煤灰，由于粉煤灰微粒具有圓球狀的形態(tài)，在混凝土拌合物合中能起著滾珠效應(yīng)，減少了顆粒之間的內(nèi)部摩擦，能有效降低降低了拌合物的內(nèi)部剪應(yīng)力，對改善混凝土拌合物的流動性具有顯著的效果。

② 改善混凝土的體積穩(wěn)定性及抗裂性能

礦物摻合料的使用，使水泥早期水化熱及總的水化熱均有較大程度的降低，水化熱的降低大大減小了混凝土的溫升，減小了由于溫度應(yīng)力而引起的開裂。此外，優(yōu)質(zhì)的粉煤灰對于降低混凝土的自收縮以及所引起的開裂具有明顯的效果。

（2）使用多功能高效的外加劑。

多功能高效外加劑是配制自密實(shí)混凝土的核心技術(shù)，與普通混凝土所用的外加劑相比，SCC 所用的外加劑更加強(qiáng)調(diào)多組份復(fù)合或者是多功能的疊加，在工程中目前應(yīng)用較多的是復(fù)合型的多組份外加劑，其功能組份主要包括以下幾種：

① 減水組份：引入高效減水組分的目的是一方面為了利用其強(qiáng)分散作用，降低混凝土拌合物的屈服剪應(yīng)力，改善其流變性；另一方面為了有效降低水膠比，保證硬化混凝土的力學(xué)性能及耐久性。目前高效減水劑的種類主要包括萘磺酸鹽系列、磺化三聚氰胺系列、氨基磺酸鹽系列和聚羧酸系列四大類，在我國應(yīng)用較多的是前兩類，尤以萘系為主，但是近年來聚羧酸的外加劑由于摻量小、減水率高、堿含量低、環(huán)保清潔特點(diǎn)，且兼具有塑性保坍等多重功效而在重點(diǎn)工程中（尤其是高鐵等工程）受到了廣泛使用。

② 其他組份：多功能高效外加劑中的緩凝組份以保證實(shí)際的施工時間；引氣組份以改善混合料的流變性和抗凍性；減縮組份以改善混凝土硬化過程中的體積穩(wěn)定性；增稠組份以提高混凝土拌合物合抗離析的能力等。多組份的復(fù)合和多功能的疊加，為 SCC 配置提供技術(shù)基礎(chǔ)。

2 自密實(shí)混凝土在國內(nèi)外的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 自密實(shí)混凝土在國外的研究及工程應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1.1 自密實(shí)混凝土在國外的研究

日本作為最早提出并研制 SCC 的國家，在 70 年代便開始了 SCC 的研究，最早由 Kochi 大學(xué) Okamura教授在 1986 研制成功并開始在日本推廣。Ozawa 教授1992年 5 月在伊斯坦布爾舉行的“CANMET & ACT”國際會議上關(guān)于日本 SCC 研究及應(yīng)用的介紹引起了國際社會的廣泛關(guān)注。

1998 年 8 月在日本 Kochi 大學(xué)專門召開了 SCC 首次國際會議。這之后該領(lǐng)域的研究在世界范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注。除了日本外，1998 在臺灣； 1999 在冰島和瑞典；2000 年在瑞士、英國和香港；2001 年在阿聯(lián)酋、臺灣和俄羅斯；2002 年在瑞士；2003 年在韓國、冰島、墨西哥、德國和瑞典；2004 年在臺灣、荷蘭和墨西哥；2005 年在中國長沙及美國均召開關(guān)于 SCC 的專題研討會和國際會議。經(jīng)過近年的研究與應(yīng)用實(shí)踐，在SCC 的配制理論、評估方法及實(shí)際工程應(yīng)用方面均取得了較好的成果。

2.1.2 自密實(shí)混凝土在國外工程領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

到 2004 年為止，日本自密實(shí)混凝土總應(yīng)用量已超過 250 萬 m3，并有逐年增加之勢。目前，日本正在致力于將自密實(shí)混凝土從特種混凝土發(fā)展成普通混凝土。典型的工程應(yīng)用實(shí)例是跨度為 1990m 的明石海峽大橋（懸索橋），該橋的兩個錨碇分別使用了 24 萬 m3和15 萬 m3強(qiáng)度為 25MPa 的自密實(shí)混凝土。由于采用了自密實(shí)混凝土，使得錨碇的施工工期由 2.5 年縮短為 2年，縮短工期 20%。近年來，由于日本應(yīng)用自密實(shí)混凝土的不斷成功，使西方國家也開始關(guān)注和應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)。其中，美國西雅圖六層的雙聯(lián)廣場鋼管混凝土柱 28d 抗壓強(qiáng)度 115MPa，是迄今為止自密實(shí)混凝土應(yīng)用中強(qiáng)度最高的實(shí)例。由于采用了超高強(qiáng)度自密實(shí)混凝土，從底層逐層泵送，無振搗，降低了結(jié)構(gòu)成本的30%。荷蘭也是目前應(yīng)用該技術(shù)較為普及的國家之一，大約有 75% 的預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)采用自密實(shí)混凝土。不僅保證了特殊結(jié)構(gòu)施工的需求，也使混凝土制品的性能與外觀質(zhì)量得到了改善和提高。

2.2 自密實(shí)混凝土在國內(nèi)的研究及工程應(yīng)用現(xiàn)狀

2.2.1 自密實(shí)混凝土在國內(nèi)研究及發(fā)展

我國對自密實(shí)混凝土的研究及應(yīng)用相對較晚，但是最近幾年隨著城市化進(jìn)程加快，大型復(fù)雜的基礎(chǔ)建設(shè)及市政工程，對于建筑施工技術(shù)和混凝土施工性能的要求也越來越高。

自密實(shí)混凝土在我國發(fā)展應(yīng)用速度也逐步加快，應(yīng)用領(lǐng)域也進(jìn)一步拓展，為適應(yīng)工程建設(shè)需要，中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會在搜集了國內(nèi)外有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)資料及翻譯了國外的有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)的實(shí)際情況編制了 CECS203:2006《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，推薦給工程建設(shè)、施工和使用單位采用。在我國建筑工程中 SCC 主要應(yīng)用于澆注量大、鋼筋密集、以及有特殊形狀的部位，應(yīng)用領(lǐng)域也從房屋建筑擴(kuò)大到水利、橋梁、隧道等大型工程。

2.2.2 自密實(shí)混凝土在國內(nèi)工程領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

從 1995 年開始，SCC 澆筑量已超過 4 萬 m3。主要用于解決地下暗挖、密筋、形狀復(fù)雜等無法人工振搗澆筑或澆筑困難的部位，同時也解決了施工擾民等問題，縮短了建設(shè)工期，延長了構(gòu)筑物的使用壽命。其中具有代表性的工程實(shí)例有：北京首都機(jī)場新航站樓的簡體墻、西單北大街東側(cè)商業(yè)區(qū)改造的工程、大亞灣核電站的核廢料容器建設(shè)工程、廈門集美歷史風(fēng)貌建筑的保護(hù)工程、長江三峽等多個水電站的導(dǎo)流洞、潤揚(yáng)的長江大橋的建設(shè)工程以及福建萬松關(guān)的隧道工程等，均取得了較好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會效益。主要工程實(shí)例介紹：

（1）在民用建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

當(dāng)代民用建筑正在向著超高層、構(gòu)形復(fù)雜、密集配筋等方向發(fā)展，此外，文明施工要求盡量降低噪音，避免振動擾民等問題，這些傳統(tǒng)混凝土施工無法滿足的問題，都可以通過 SCC 的應(yīng)用來有效解決。主要代表性工程案例：沈陽遠(yuǎn)吉大廈工程。沈陽遠(yuǎn)吉大廈工程為地下 2 層，地上 27 層，局部 28 層，高 96m，地下 2 層至地上 5 層為鋼管混凝土疊合柱，鋼管內(nèi)芯澆筑 C100、C80混凝土，鋼管外圍為 C40 混凝土。C100 高性能混凝土要求免振、超大流動、自密實(shí)、低收縮、低徐變、高彈模。在配制自密實(shí)混凝土?xí)r，采用 42. 5 級 P·II 水泥，摻合料“雙摻”技術(shù)路線和特種泵送外加劑，同時選用粒形及細(xì)度模數(shù)較好的石灰石及普通河砂作骨料，配制出 C100 混凝土，C100 混凝土初始坍落度達(dá)到 250～260mm，擴(kuò)展度達(dá) 600～650mm，經(jīng) 4h 靜停后，其保塑性仍非常優(yōu)異，坍落度保留值和擴(kuò)展度與初始變化不大，混凝土拌合物的倒置坍落度筒排空時間也充分說明該混凝土的流動性好，工作性好，不泌水、不離析、不浮漿，也沒有抓底現(xiàn)象，其凝結(jié)時間為8～10h，混凝土達(dá)終凝后即產(chǎn)生強(qiáng)度，早期強(qiáng)度上升明顯，7、28 天強(qiáng)度發(fā)展也很快。

（2）在水利工程領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著我國水利水電等大型基礎(chǔ)設(shè)施的蓬勃發(fā)展，對混凝土材料的技術(shù)要求也日益提高，SCC 因其良好的技術(shù)性能滿足了復(fù)雜的施工技術(shù)的要求。主要代表性工程應(yīng)用案例：四川雜谷腦河紅葉二級水電站壓力管道回填四川雜谷腦河紅葉二級水電站的壓力管道回填部位，混凝土澆筑振島困難、施工難度大，采用傳統(tǒng)的施工振搗方式很難保證混凝土的澆筑質(zhì)量，后采用 JM-SCC（膨脹型）外加劑配制的 SCC 具有普通混凝土無法比擬的高流動性，從混凝土材料的性能徹底解決這項(xiàng)工程施工的難題。整個工程自密實(shí)混凝土澆筑長度 327m，其中水平 135m，斜管段 200m，垂直高度 119m，混凝土澆筑厚度 60cm，采用溜筒一次澆筑完成。從工程應(yīng)用結(jié)果表明：經(jīng)過 119m 的垂直澆筑高度后仍然能夠保持混凝土各相、各組分之間的比率，不離析、不泌水，而且由于配制時采用的外加劑具有適度微膨脹作用，有效補(bǔ)償了混凝土的收縮，增強(qiáng)了回填混凝土與壓力鋼管之間的界面粘結(jié)，該項(xiàng)工程采用 SCC 后不僅大大縮短了施工時間，而且減輕了工人的施工強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了文明施工也確保了工程質(zhì)量。

（3）在橋梁和隧道工程領(lǐng)域的應(yīng)用

在公路和橋梁的建設(shè)中, 有的部位的混凝土澆筑振搗難以進(jìn)行，SCC 的應(yīng)用完全可以從材料的角度解決混凝土施工的難題，這一類型的結(jié)構(gòu)比較突出的有隧道襯砌部位及近年來比較流行的系桿拱橋。主要代表性工程應(yīng)用案例：福建萬松關(guān)隧道襯砌。

萬松關(guān)隧道地處福建省漳州市萬松關(guān)口之下，二次補(bǔ)砌混凝土設(shè)計(jì)總數(shù)量為 25000m3，設(shè)計(jì)襯砌斷面為圓拱形，襯砌厚度為 35～50cm，澆筑最大高度為 85m，混凝土中配筋密集，施工時工作面小、振搗困難。

由于混凝土在鋼管中很難振動，針對以上特點(diǎn)，隧道二次襯砌采用自密實(shí)混凝土。施工時，該混凝土在拱橋底部的兩端同時泵送至橋的上部，這需要大約 4～5h的連續(xù)澆筑，因此該 SCC 的主要難度是應(yīng)具有較高的保坍能力。

3 自密實(shí)混凝土在我國發(fā)展的必要性

3.1 工程建筑及施工技術(shù)發(fā)展的需要

隨著我國建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，無論是在工業(yè)民用建筑領(lǐng)域還是市政道路交通工程，以及水利、鐵路等大型基建項(xiàng)目建設(shè)的快速發(fā)展，對于工程設(shè)計(jì)及施工技術(shù)要求越來越高，許多工程建設(shè)依靠傳統(tǒng)的施工方式已不能滿足工程建設(shè)的需要，尤其像結(jié)構(gòu)物梁板柱交接鋼筋密集部位、隧道襯砌、橋梁鋼管混凝土施工等工程建設(shè)施工工程中依靠人工振搗已不能滿足實(shí)際需要，必須從材料上進(jìn)行技術(shù)革新，以滿足工程實(shí)際的需要，SCC 良好的技術(shù)性能完全能徹底解決上述施工過程的難題，提高工程施工效率。

3.2 適應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要

目前我國建筑產(chǎn)業(yè)還處于勞動密集型產(chǎn)業(yè)，在建筑施工過程中，需要大量從事體力勞動的熟練工人，包括現(xiàn)場施工振搗的混凝土澆筑人員，最近幾年勞動力緊張局面已經(jīng)凸顯，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國內(nèi)從事現(xiàn)場施工的熟練工人日益減少，勞動力成本會逐步提高，不能滿足建筑業(yè)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，因此從施工技術(shù)及材料技術(shù)上的革新，來適應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，滿足建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展是必然的趨勢。SCC 的應(yīng)用不僅可以緩解熟練工人日益短缺的危機(jī)， 而且消除了現(xiàn)場施工振搗噪音，減弱了工人的勞動強(qiáng)度，提高了文明施工和現(xiàn)代化施工管理水平。同時由于自密實(shí)混凝土良好的流動性，大大減少了對于混凝土輸送泵等設(shè)備的磨損，提高了設(shè)備的使用效率，加快了施工進(jìn)度。

3.3 滿足混凝土質(zhì)量及建筑物耐久性需要

普通混凝土傳統(tǒng)施工中，工人在現(xiàn)場振搗澆筑混凝土的過程中，往往為了提高混凝土的流動性而人為加水現(xiàn)象較為普遍，無形增大混凝土的水膠比；以及梁板柱等鋼筋密集處或者較高的柱子等振搗不密實(shí)，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)物不致密，混凝土上下分層不勻質(zhì)的現(xiàn)象產(chǎn)生，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及耐久性。

由于 SCC 良好的技術(shù)特性，毋須振搗即能密實(shí)成型，能夠在自重作用下自動穿越鋼筋密集處并且仍保持混凝土拌合物的均勻性，避免了混凝土在施工振搗過程的加水、振搗不實(shí)或過度振搗的現(xiàn)象，使傳統(tǒng)混凝土的施工技術(shù)產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，適應(yīng)了當(dāng)代混凝土工程超大規(guī)?；?fù)雜化的要求，滿足工程設(shè)計(jì)的需要；同時由于SCC 采用了高性能外加劑和大摻量礦物外摻料，使得低水膠比、低水泥用量的混凝土配制成為可能，從而在提高了硬化混凝土的力學(xué)性能基礎(chǔ)上提升了混凝土結(jié)構(gòu)物耐久性。

李海卿（1988—），本科畢業(yè)，高級工程師，主要從事混凝土攪拌站技術(shù)負(fù)責(zé)及混凝土技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)、管理等工作。

［通訊地址］福建省福州市馬尾區(qū)瑯岐鎮(zhèn)南兜村中交二航局閩江對臺碼頭項(xiàng)目部（350015）