自密實混凝土配合比試驗設(shè)計與實踐

朱慧娟 何春保

（華南農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院）

0 引言

自密實混凝土（Self-Compacting Concrete，簡稱S），始于1988 年日本東京大學岡村甫教授研制成功的一種高性能混凝土，其新拌混凝土具有高流動性，均勻性和穩(wěn)定性，能在無振搗或少量振搗的情況下依靠自重作用勻質(zhì)流動并充滿模板的空間，硬化后混凝土能滿足工程的力學性和耐久性的要求[1]。自密實混凝土拌合物的特點是高流動性而無離析，而流動性和抗離析性是相互矛盾的，因此自密實混凝土配合比設(shè)計的關(guān)鍵就是使原材料參數(shù)和工程需求的強度、耐久性等性質(zhì)間的矛盾得到統(tǒng)一，如達到用水量、外加劑用量和流動性、抗離析性的平衡[2]。自密實混凝土成型原理是通過外加劑(包括減水劑、超塑劑、穩(wěn)定劑等)、膠結(jié)材料和粗細骨料的選擇與搭配，以及配合比的精心設(shè)計，使混凝土拌合物在屈服剪應(yīng)力減小到適宜范圍內(nèi)的同時，又具有足夠的塑性粘度，使骨料懸浮于水泥漿中，不出現(xiàn)離析和泌水的現(xiàn)象[3]。

現(xiàn)有研究[4，5]表明，影響混凝土抗壓強度的主要參數(shù)為：水泥強度等級、水膠比、膠凝材料用量、粉煤灰摻量、骨料體積含量、粗骨料品種。周朋[6]等通過研究發(fā)現(xiàn)，水膠比的增大會增多混凝土內(nèi)部孔隙數(shù)量，顯著降低混凝土的抗壓強度，但較大的水膠比又能夠增強局部的水泥水化反應(yīng)。陳守開[7]等研究發(fā)現(xiàn)再生骨料透水混凝土水膠比與孔隙率呈指數(shù)變化關(guān)系，與抗壓強度呈線性反相關(guān)關(guān)系；在確定水膠比下，摻入粉煤灰會降低再生骨料透水混凝土強度。戴雄[8]研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰摻入會不同程度的降低混凝土早期強度，但后期強度不會降低而略有上升。孫家國[9]等研究表明，隨著粉煤灰取代率（混凝土中粉煤灰摻加量取代水泥的百分率）的增加，混凝土的流動性逐漸提高，而抗壓強度呈逐漸降低的趨勢，而粉煤灰取代率高于一定范圍時，混凝土抗壓強度會呈明顯下降趨勢。對于自密實混凝土，崔俊[10]等研究發(fā)現(xiàn)隨著齡期增加，粉煤灰的火山灰活性作用逐漸明顯，水化反應(yīng)生成的水化硅酸凝膠會逐漸填充孔隙，有效提高了自密實混凝土的界面黏結(jié)力，從而促進自密實混凝土后期強度的增長。綜上所述，水膠比和粉煤灰摻量對自密實混凝土強度是有顯著影響的，是其配合比的關(guān)鍵參數(shù)。

目前，國內(nèi)研究水膠比和粉煤灰摻量對混凝土抗壓強度的影響主要集中在混凝土強度隨各種參數(shù)的變化規(guī)律上，鮮少有報道水膠比和粉煤灰對自密實混凝土強度的具體變化數(shù)據(jù)。結(jié)合研究生教學和科技創(chuàng)新項目開展，本文設(shè)定標準立方體抗壓強度為35～45MPa，選取水膠比和粉煤灰摻量為變量，分別配制自密實混凝土與普通混凝土，并對其工作性和強度進行檢測。試驗結(jié)果對豐富自密實混凝土的配合比設(shè)計，研究自密實混凝土抗壓強度與其水膠比、粉煤灰摻量的相互關(guān)系等，具有重要的意義。

1 設(shè)計要求

為保證其良好的流動性和粘聚性，自密實混凝土配合比中粉體含量往往較高。而隨著粉體材料比例增大，混凝土收縮量增加。在纖維增強復合材料約束混凝土柱中一般使用抗壓強度為30～40MPa 流動性較好的普通混凝土（不摻粉煤灰）與自密實混凝土（高摻量粉煤灰）。為研究自密實混凝土自收縮產(chǎn)生的力學影響，根據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2002），本文試配出立方體抗壓強度為35～45MPa 的普通混凝土和自密實混凝土，并研究水膠比對自密實混凝土強度和粉煤灰摻量對自密實混凝土早期強度影響。其中普通混凝土的坍落度為75mm～90mm，自密實混凝土坍落擴展度性能等級為SF1 即550mm～650mm 范圍，以滿足應(yīng)用于構(gòu)件截面較小或鋼筋較密的混凝土結(jié)構(gòu)物的工程中。

2 試驗概況

2.1 試驗材料

⑴水泥：試驗采用普通硅酸鹽水泥（P·O42.5）其各項性能符合《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）；

⑵粗骨料：試驗采用的瓜米石，最大粒徑不大于10mm，含水率為0.002；

⑶細骨料：試驗采用中粗砂，粒徑級配為2mm～5mm，含水率為0.004；

⑷減水劑：試驗采用MasterGlenium SKY 8860 高性能減水劑；

⑸粉煤灰：試驗采用Ⅱ級粉煤灰。

原材料表觀密度如表1 所示。

2.2 試驗配合比

表1 混凝土原材料的表觀密度

依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ 55—2011）和《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 283—2012）。本文設(shè)計了2 組普通混凝土配合比（不摻粉煤灰）和4 組自密實混凝土配合比（粉煤灰摻量為0.3～0.46），各組配合比的水膠比均不同，調(diào)整砂率以滿足流變性能，最后的抗壓強度需要達到設(shè)計要求，即標準立方體抗壓強度為35～45MPa。具體混凝土配合比設(shè)計方案見表2，其中C 表示普通混凝土，S 表示自密實混凝土，字母后面的數(shù)字1～4 表示混凝土的組次。

2.3 試驗過程

試件尺寸統(tǒng)一采用150mm×150mm×150mm 的標準立方體試件，每組6 個強度試件，根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080—2002），用坍落度和坍落擴展度來分別測定普通混凝土和自密實混凝土拌合物的流動性，如圖1 和圖2 所示。試件24h 脫模后，淋水養(yǎng)護，直至7 天和28 天齡期后分別進行標準立方體混凝土試件抗壓強度試驗，以每組三個試件的7 天和28 天的平均抗壓強度為強度性能指標，如圖3 所示。

3 試驗結(jié)果

3.1 強度預(yù)測

本次試驗中，分別在7 天和28 天齡期檢測到6 種不同配合比混凝土試件的標準立方體抗壓強度值，其中S-3 組試件在28 天齡期間受到損壞，利用在砂率和膠凝材料不變或極為相似的情況下，混凝土強度與水膠比、膠凝材料實際強度等因素之間的線性經(jīng)驗公式[11]，參考S-1 和S-2 的配合比參數(shù)，對S-3 組的28 天抗壓強度值進行經(jīng)驗公式預(yù)測：

表2 混凝土配合比設(shè)計 (kg/m3)

圖1 普通混凝土坍落度測量

圖2 自密實混凝土坍落擴展度測量

圖3 標準立方體混凝土試塊抗壓試驗

利用公式（1）對S-1 和S-2 組混凝土試件28 天強度進行模擬，模擬結(jié)果表明28 天強度預(yù)測值與實測值的相對誤差控制在1%以下，混凝土強度與水膠比呈明顯正線性關(guān)系。將S-3 組的水膠比代入公式（1）中，預(yù)測S-3 組混凝土試件28 天的抗壓強度為37.04MPa。

C-1、C-2、S-1、S-2、S-3 和S-4 共5 組混凝土試件的7 天和28 天齡期抗壓強度實測值及S-3 組混凝土的7 天齡期強度實測值和28 天齡期強度預(yù)測值如表3 所示。其中C-2 組的28 天齡期試件受到輕微破壞，強度值受到影響。

3.2 抗壓強度結(jié)果分析

根據(jù)表2 和表3 的數(shù)據(jù)繪制圖4 自密實混凝土的標準立方體強度與時間的關(guān)系曲線、圖5 各齡期的S-1、S-2 和S-3 組試件水膠比與抗壓強度的關(guān)系曲線和圖6 試件粉煤灰摻量對混凝土強度比的影響曲線。強度比是指同種配合比試件中7 天齡期與28 天齡期的抗壓強度之比。

⑴自密實混凝土在各齡期的抗壓強度隨著水膠比降低而增大。

圖4 中，在28 天抗壓強度時，水膠比每降低1%，自密實混凝土試件平均升幅2.6%。原因是在膠凝材料用量相同的條件下，混凝土的強度主要取決于水膠比，低水膠比的混凝土拌合物游離水分少，一方面減小了骨料顆粒間的空隙，另一方面減少了拌合物硬化后留下的氣孔或通道，提高了混凝土的密實度，從而提高了混凝土抵抗荷載的有效斷面，強度因而顯著提高。

表3 抗壓強度結(jié)果

圖4 自密實混凝土強度與時間的關(guān)系曲線

⑵隨著水膠比的降低，自密實混凝土強度的增大幅度在減少。

在圖5 的7 天抗壓強度曲線中，水膠比在0.46～0.42 時，自密實混凝土抗壓強度平均上升8.03%；水膠比在0.43 到0.42，抗壓強度平均上升2.16%。這主要是當水膠比過小時，用水量減少，混凝土拌合物會干稠，流動度大大降低，水泥不易與水充分水化，水化產(chǎn)物生成量增長速率減緩，混凝土強度增加減緩。

圖5 水膠比對抗壓強度的影響

⑶粉煤灰摻量會不同程度地影響混凝土的早期強度。

由圖6 可知，隨著粉煤灰摻量的增加，試件的強度比先是緩慢上升，然后大幅度下降。粉煤灰摻量在0～0.3 內(nèi)，混凝土強度比在0.8 以上；當超過0.3 時，隨著摻量增加1%，混凝土強度比平均下降幅度為1.19%。粉煤灰摻量過大的混凝土早期強度較低的原因是粉煤灰活性較低，水泥水化反應(yīng)生成的Ca(OH)2與粉煤灰中的SiO2、Al2O3等發(fā)生二次水化生成了水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，水化產(chǎn)物填充顆粒間空隙，但粉煤灰水化反應(yīng)速率很低，研究表明[12]摻粉煤灰的混凝土在180 天時約有20%粉煤灰參與二次水化反應(yīng)，混凝土強度增長速率極為緩慢，導致粉煤灰摻量較高的試件早期強度均較低的現(xiàn)象。

圖6 粉煤灰摻量對混凝土強度比的影響

4 結(jié)語

根據(jù)以上研究生創(chuàng)新試驗，得到水膠比對自密實混凝土強度和粉煤灰摻量對自密實混凝土早期強度影響如下：

⑴根據(jù)設(shè)計強度35～45MPa，配合比選用普通混凝土的水膠比為0.49，自密實混凝土水膠比為0.43，粉煤灰比例為0.46；

⑵隨著水膠比降低，自密實混凝土抗壓強度增大，但增大的幅度在減少；

⑶粉煤灰添加會不同程度地影響混凝土的早期強度，當摻量低于30%，對早期強度影響不明顯。