自密实混凝土及其工作性评价

    摘  要：简要介绍了自密实混凝土的定义、发展概况与工作性内涵,较详细论述了自密实混凝土的工作机理、配合比设计和工作性评价方法，最后提及自密实混凝土在生产过程中的几个问题和发展前景。

    关键词：自密实混凝土；工作性;配合比;评价方法

    随着城乡建设的日益发展，混凝土早已成为现代工程结构的主要材料，但是在应用过程中也出现了一些问题,概括起来有以下几个方面。

  

    1) 混凝土的耐久性问题。目前,混凝土的耐久性问题已经受到全世界范围的关注。在混凝土浇筑施工中，由于缺乏熟练工人及其它客观条件所限,不能保证混凝土完全密实成为导致其耐久性不良的重要原因之一。

    2) 商品混凝土的可泵性要求。商品混凝土工业不断发展，对新拌混凝土的大流动性及在运输浇筑过程中较长时间的保塑性提出了新的要求。

    3) 振捣密实困难。许多工程结构配筋稠密且复杂，不易振捣；有的则是特种薄壁结构、高细结构、浅埋暗挖工程、隧道和地下结构,根本没有振捣可操作空间，施工非常困难。

    4) 生产效率和安全性要求。传统的混凝土振捣施工不但产生噪声污染，而且费时费工，工人劳动强度大，工作环境恶劣，且长时间手持振动器有可能导致“手臂振动综合症”。

    5) 环保节能问题。充分利用粉煤灰、磨细矿渣等工业废料取代适量水泥，开发新型环保节能混凝土,是可持续发展战略的具体要求。

    6) 工程造价。从提高施工速度、环境对噪声限制、减少人工、机械、电能费用、减小振捣对模板产生的磨损、利用工业废料、保证质量提高耐久性、减少加固修复费用等诸多方面综合考虑,降低工程整体造价。

    
    自密实混凝土以其优良的工作性能、力学性能和耐久性能极好地满足了上述要求，被称为“近几十年中混凝土建筑技术最具革命性的发展”。

    自密实混凝土(以下简称SCC) 可以定义为^[1] ：混凝土能够保持不离析和均匀性，不需要外加振动完全依靠重力作用充满模板每一个角落、达到充分密实和获得最佳的性能。

   
    SCC是第四代混凝土———高性能混凝土(HPC)的一个重要组成部分和发展方向。20 世纪80 年代日本东京大学罔村甫教授研究室率先提出SCC 的概念并研制成功。我国对SCC 的研究与应用开始于90 年代初期。实际上,清华大学冯乃谦教授早在1987 年就提出流态混凝土概念，奠定了这一研究的基础。1996 年，北京城建集团构件厂研制的免振捣自密实混凝土获得国家专利^[2]。成为SCC 成功运用于钢筋混凝土结构的先例。有学者肯定^[1]除超高强(C80 以上) 结构，自密实混凝土适用于所有种类的混凝土结构和施工条件，包括纤维增强结构。SCC 是一种特殊的高性能混凝土，拌合物表现出优良的工作性能，浇灌过程中不用振捣而完全依靠自重作用自由流淌充分填充模型内的空间形成均匀密实的结构，硬化后具有良好的力学性能和耐久性能。

    
    对于混凝土拌合物的工作性，众多学者曾给出自己不同的定义。T.P.Tassions1973 年从工程应用角度将工作性分解为流动性、可泵性、稳定性、均匀性、易密实性和终饰抹面性等几个方面^[3] 。同一般大流动性混凝土相比，SCC 的工作性内涵有所扩大。

    1) 高流动性：保证混凝土能够绕过障碍物，充分填充模型内每个角落。

    2) 高稳定性：保证混凝土质量均匀一致,即不泌水,骨料不离析。
  
    3) 通过钢筋间隙能力：保证混凝土穿越钢筋间隙时不发生阻塞。

    4) 自充填性：是流动性、稳定性和间隙通过性的最终结果。

    按流变学理论划分，新拌混凝土属于宾汉姆流体，其流变方程为τ=τ₀ +ηγ(τ为剪应力；τ₀为屈服剪应力;η为塑性粘度;γ为剪切速度) 。τ₀是阻碍塑性变形的最大应力, 由材料之间的附着力和摩擦力引起, 它支配了拌和物的变形能力; 当τ>τ₀时,混凝土产生流动。η是反映流体各平流层之间产生的与流动方向反向的阻止其流动的粘滞阻力,它支配了拌和物的流动能力,η越小,在相同外力作用下流动越快。

     2.1 SCC的流动机理

     新拌SCC 的流动是自重力大于τ₀而产生剪切变形的结果。采用高效复合减水剂增塑和超细粉掺合料改善胶凝材料级配都可以降低τ₀值,使混凝土拌合物达到自流平所需要的流动性。

     2.1.1外加剂的润湿吸附作用^[4]作为界面活性剂的外加剂分子吸附在水泥粒子表面形成双电位层。由于双电位层产生的斥力使得水泥颗粒间相互排斥,防止产生凝聚。外加剂分子同时吸附一定的极性化水分子形成溶剂化膜层,增加了水泥微粒的滑动能力,因而易于分散。除此之外,外加剂还能降低表面张力,使水泥颗粒容易被水润湿,这样在达到相同坍落度情况下,所需拌合水量减少而具有良好的流动能力。

     2.1.2 裹挟滚动相互作用混凝土可以看作由骨料和浆体固液两相组成的物质,液相通常具有较大的变形能力。SCC 中超细粉掺合料的颗粒粒径与水泥颗粒在微观上形成级配体系,可以降低浆体的τ₀值。圆形颗粒的粉煤灰和硅灰等超细粉掺合料包裹在粗糙的水泥颗粒和骨料表面,具有“滚珠”润滑和物理减水作用,并与水泥浆一起作为液相,携带固相发生流动及滚动达到自流平。

     2.2 SCC的自密实机理

     2.2.1 浆体的粘聚作用混凝土的流动性与抗离析性是相互矛盾的。SCC 之所以能流平密实,关键在于其胶结料浆体具有一定的塑性粘度η,它能减少骨料间的接触应力,削弱骨料的固体特性,抑制骨料起拱堆集从而有效抑制离析。

     2.2.2 气泡自动聚合上浮作用在拌和浇筑混凝土时裹入模板内的气泡,由于混凝土自重对其产生浮力作用,具有自动聚合形成更大气泡的趋势。一旦气泡发生聚合,则所受浮力将进一步增大,最终会浮出表面使混凝土密实。SCC 由于掺加高效减水剂降低了混凝土的表面张力,使气泡更容易聚合上浮,增加混凝土的密实性。

     2.2.3 掺合料的微粉作用SCC 中的掺合料不仅具有物理填充效应,而且因为巨大的表面积产生较大的内表面力而提高混凝土的粘聚性。有的还具有火山灰活性效应,结合掺用高效减水剂和采用低水胶比改善集料界面结构和水泥石的孔结构,使混凝

土越来越密实。

     2.2.4 最大堆积密度^[1] SCC 中各组分粒径力求满足“最大堆积密度理论”,例如,颗粒从小到大依次为:微硅粉、粉煤灰、水泥、砂、石。这样细颗粒填充粗颗粒之间的空隙,更细颗粒填充细颗粒之间的空隙,达到最大密度或最小空隙率,从而有效提高SCC的密实度。

     SCC 工作性的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SCC 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。本文对其中的四种做详细介绍。

     3.1 坍落扩展度试验

     传统坍落度试验所测的坍落度主要反映拌合物开始流动所需力(即屈服值τ₀) 的大小,而不能反映塑性粘度η的差异。在此基础上测得的坍落扩展度D 同样主要由屈服值τ₀决定,τ₀ 越大,D 越小。

     试验表明,当混凝土拌合物的坍落度大于某一临界值时,它就不能正确地反映屈服值大小,而扩展度试验不存在这一临界值。SCC 通常具有较大的坍落度(240 mm～270 mm) ,因此可以用坍落扩展度试验代替坍落度试验做混凝土拌合物初步控制用。一般SCC 坍落扩展度为550 mm～750 mm。

     3.2 倒坍落度筒试验

     这种方法是我国山东学者最先采用^[5]的。实际上,它类似于Orimet 仪及V 型漏斗试验^[3] 。其测试原理是根据混凝土从倒置的坍落度筒中流空的时间和落下后的坍落度、扩展度及中边差(中间与边部的高度差) 来判断SCC 的工作性。

     流动时间主要反映拌合物的塑性粘度η, 同时也部分反映了屈服值τ₀的大小。扩展度则量化了混凝土在自重作用下克服屈服应力、粘度和摩擦后的流动状态;扩散越接近圆形表明混凝土匀质,变形能力良好,直径大则表明间隙通过能力强。中边差反映了石子在砂浆中的悬浮流动能力和抗离析性,其值越小表明这些性能越好。该方法简便实用, 可重复性好。目前广泛采用倒坍落度筒在铁板装料后直接提起测定拌合物扩展度。

     3.3 牵引球粘度计

     这种方法是日本学者发明并采用的。它不同于Kelly 沉球试验^[3]通过测量沉球贯入数值来反映屈服强度τ₀的大小,而是靠测定球体向上牵引受到的粘滞力来确定屈服值并估计混凝土的粘度,从而判断自流平特性。

     此方法问题在于其装置是采用电机牵引的方法提拉小球的,这使得该装置结构复杂;同时由于埋入混凝土中的测力物体为球体,故上拉时的拉力,并非完全剪切力,从而可能为测试带来误差。

     3.4 L仪流动度试验^[3]

     L2型流动仪法是先将混凝土装在L2型筒的竖直筒内,再将插板提起使其向水平槽内绕过钢筋流动。通过测定最终流动时间及混凝土在水平槽内的坡度来判断混凝土的自流平特性。

     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SCC 的工作性能。瑞士西卡集团天津分公司就是采用该方法向客户展示其产品性能的。

     制备自密实混凝土就是在保证所需强度的前提下,通过合理选择原材料及比例,使τ0减小到适宜范围,同时又具有足够的η值, 获得既具有高流动性,又不出现离析泌水的混凝土拌合物。

     4.1 原材料

     4.1.1 水泥

     理论上各种水泥都可用于配制SCC ,品种的选择决定于对混凝土强度、耐久性等的要求;但考虑到工作性要求及坍落度经时损失小,应优先选择C₃A 和碱含量小、标准稠度需水量低的水泥。

     4.1.2 骨料

     SCC 应选择质地坚硬、密实、洁净的骨料。粗骨料针片含量少, 最大粒径一般在16mm～20mm范围,且间断级配往往优于连续级配,因为前者的内摩擦低于后者,对改善流动性有利。细骨料宜选用级配良好的中砂或粗砂,砂中所含小于0.125 mm 的细粉对SCC 流变性能非常重要,一般要求不低于10 %。

     4.1.3化学外加剂

     宜采用减水率20%以上的高效减水剂,复合使用高效减水剂和普通减水剂也可获得较好效果。减水剂的掺量及减水率应经试验决定。除此之外,也可掺入增粘剂和引气剂等外加剂。

     4.1.4矿物掺合料

     石粉:石灰石、白云石、花岗岩等的磨细粉, 粒径小于0.125 mm 或比表面积(250～800) m²/ kg , 作为惰性填料,用改善和保持SCC 的工作性。粉煤灰:火山灰质掺合料,优质粉煤灰能够改善SCC 的流动性,有利于硬化混凝土的耐久性。应优先选用。磨细矿渣:火山灰质掺合料,用于改善和保持SCC 的工作性,有利于硬化混凝土的耐久性。微硅粉:高活性火山灰质掺合料,用于改善SCC 的流变性能和抗离析能力,提高硬化混凝土的强度和耐久性。应优先选用。

     4.2 配合比

     4.2.1浆骨比

     自密实混凝土可看成由固液两相组成的3层体系(见图4) 。浆体的粘性是影响混凝土τ₀和η的重要因素。欲获得对流动中发生堵塞有较高的抵抗力,一是赋予液相一定的粘度提高两相间的粘着力,使液相具有足够的能力携带固相颗粒一起变形流动。这就需要一定的胶结料浆体含量,一般为35～45 %。另一是采用较小的粗骨料体积含量,以减少粗大颗粒在狭窄空间内频繁接触发生堆集堵塞的概率(见图5) 。但对混凝土而言,过小的粗骨料体积含量会使弹性模量下降较多而产生较大的收缩,因此,确定最佳浆骨比是配合比设计的关键。

 

     4.2.2砂率

     减小砂浆与粗骨料之间的相互分离作用,还可通过增加混凝土砂率的办法加以实现,但砂率值过大会影响SCC 的弹性模量和抗压强度,一般宜控制在40 %～45 %。

     4.2.3 掺合料用量

     可以按净浆和砂浆流动度试验确定不同种类掺合料的具体用量,也可根据实际情况和经验选取合理值,可大于胶凝材料总量的30 %。

     4.2.4水灰比

     水灰比按混凝土强度、耐久性选择确定,一般在014 以下,且用水量不宜超过200 kg/m³ 。

     日本的罔村甫1996 年将SCC 介绍到美国时提出的配合比特点为^[4]: 1) 粗集料体积用量固定为固体体积的50 %; 2) 细集料用量固定为砂浆体积的40 %; 3) 体积水胶比建议为0.9～1.0 ,具体取决于胶凝材料的组成与性质; 4) 超塑化剂掺量和最终水胶比以保证达到自密实来决定。北京建工集团就是依据上述原理,采用设定粗集料用量和砂浆中砂子体积含量的方法进行SCC 配合比设计的^[2] 。

     4.3 发展高性能胶凝材料^[4]

     高性能胶凝材料主要是从流变性能的需要进行各组分的选择和配合比优化的。产品用于混凝土时,可在达到相同工作性时选用最低的水胶比,并在得到高流动性的同时不离析、不泌水,有良好的可泵性和填充性。

     因为SCC 中含有大量超细粉掺合料,因此加料顺序很重要;搅拌时间要适当延长;更为重要的是要严格控制加水量。SCC 浇筑时应注意模板的侧压力问题。若泵送浇筑SCC ,为减少截留空气,应从模板底部开始进行浇筑。泵送时采用几个软管输出口同时操作,以便减少浇筑时间避免混凝土凝固。普通混凝土浇筑层间的冷接缝可通过振捣消除,SCC则不能,因此,浇筑过程要连续进行,尽量避免中断防止冷接缝。SCC 由于粉体系数大,砂率高,缺乏更多的抵抗收缩的粗集料组分,施工浇注后很容易产生塑性收缩。若得不到及时有效的养护,混凝土固化后还极易产生干燥收缩以致开裂。免振自密实混凝土工程事故之一就是由于养护不当造成的开裂。

     SCC 具有许多振动密实混凝土所不具备的优点,有良好的发展前景。但目前仍需要进行深入的研究敏感性问题。混凝土的塑性性能会受到原材料质量、配料准确性、搅拌运输设备等波动因素的影响而大幅度变化,这是一个重要的课题。

     经济性问题。探求更为优异的超细粉掺合材料,挖掘SCC 的经济性潜力。工程实用性问题。制订自密实混凝土配合比设计规程和统一的工作性检测方法。

     参考文献:

     [1 ] 赵筠. 自密实混凝土的研究和应用[J ]. 混凝土,2003 (6) :9 – 17.

     [2 ] 李清和. 高强与免振捣自密实混凝土[J ]. 建筑技术开发,1997(12):34 –38.

     [3 ] 徐定华,徐敏1 混凝土材料学概论[M]. 北京:中国标准出版社,2002.

     [4 ] 吴中伟、廉慧珍. 高性能混凝土[M]. 北京:中国铁道出版社,1999.