國內外自密實高性能混凝土研究及應用現狀

  摘要：自密實混凝土即拌合物具有很高的流動性而不離析、不泌水， 能不經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。不僅可大大降低施工噪聲， 而且可加快施工速度、保證和提高施工質量?？赏ㄟ^配合比調整其物理、力學性能。對原材料、配合比敏感， 對施工要求嚴格。由于歷史短， 尚有若干問題需進一步研究。

  關鍵詞：混凝土 自密實混凝土 高性能混凝土 配合比 展望

  80 年代后半期， 日本東京大學教授村甫開發(fā)了“不振搗的高耐久性混凝土”， 稱之為高性能混凝土( High Per for -mance Concr ete) 。1996 年在美國泰克薩斯大學講學中， 村稱該混凝土為自密實高性能混凝土( 以下簡稱自密實混凝土self compacting concr ete) 。之所以稱為高性能， 是因為具有很高的施工性能， 能保證混凝土在不利的澆筑條件下也能密實成型， 同時因使用大量礦物細摻料而降低混凝土的溫升，并提高其抗劣化的能力， 而可提高混凝土的耐久性。

  自密實混凝土即拌合物具有很高的流動性而不離析、不泌水， 能不經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。自密實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， 可避免出現因振搗不足而造成的空洞、蜂窩、麻面等質量缺陷。強度等級越高， 比常態(tài)混凝土費用越低。自密實混凝土配制的關鍵是滿足良好的流變性能要求。自密實混凝土屬于高流動性混凝土的一部分。

  1 國內外自密實混凝土的應用概況

至1994 年底， 日本已有28 個建筑公司掌握了自密實混凝土的技術。從日本1992～1993 年各學會、技術刊物等發(fā)表的自密實的高性能混凝土在土木工程中應用實例來看， 自密實高性能混凝土特別適合于澆筑量大、澆筑高度大、鋼筋密集、有特殊形狀等的工程。

  在西方也有不振搗的混凝土的應用， 如美國西雅圖65層的雙聯廣場鋼管混凝土柱， 28d 抗壓強度115MPa?；炷翉牡讓又饘颖盟?， 無振搗。在美國為了保證混凝土的澆筑質量以保證鋼筋和混凝土的整體性， 在密筋的鋼筋混凝土和幾何形狀復雜的結構中， 也使用高坍落度而能自流平的混凝土， 但強調仍需要適當的振搗以確保混凝土的足夠密實。近年來由于在日本不斷有采用自密實混凝土成功的工程實例，美國也開始注意該項技術。在我國北京、深圳、濟南等城市也開始使用自密實混凝土， 從1995 年開始， 澆筑量已超過4 萬m³。主要用于地下暗挖、密筋、形狀復雜等無法澆筑或澆筑困難的部位、解決擾民問題、縮短工期等。

  2 自密實混凝土的性能

  2. 1 自密實混凝土拌合物的性質

  自密實混凝土的拌合物除高流動性外， 還必須具有良好的抗材料分離性( 抗離析性) 、間隙通過性( 通過較密鋼筋間隙和狹窄通道的能力) 和抗堵塞性( 填充能力) 。國外大多用拌合物的坍落流動度， 即坍落后拌合物鋪展的直徑， 作為高流動性混凝土流變性能的量度。日本報道， 坍落流動度一般為50 ～ 70mm。超過70mm 時， 拌合物易產生離析; 不到50mm 時， 則可能發(fā)生充填障礙。拌合物抗離析性可用坍落流動速率來評定。坍落流動速率用拌合物坍落后鋪展到直徑為50cm 的時間除以流動距離15cm 的值表示。坍落流動速率快時， 流動性好， 但過快時容易產生離析。也有人在一種L形流動性測定裝置的轉角處裝置傳感器測定拌合物流動初始的速率， 來判斷拌合物的抗離析性。對于泌水量， 按日本標準JASS A1123 的方法檢測時， JASS 5 規(guī)定對普通混凝土要求< 0. 5cm³/ cm²， 而對高耐久性的混凝土則要求< 0. 3cm³/cm²。抗離析性直接影響混凝土拌合物澆筑后的均勻性。必要時可檢測水平流動至不同部位或垂直澆筑到不同高度的拌合物中粗骨料的含量， 作為拌合物均質性的評定。國內不同單位或部門參考國外已有檢測方法， 結合自己的實驗， 創(chuàng)造了各具特色的評價方法， 有待于規(guī)范化。

  一般， 自密實混凝土的凝結時間較長， 可達10h 左右， 尤其是在冷天施工時。但初、終凝時間間隔短， 一旦凝結， 強度很快就會增長; 如果使用低濃度的高效減水劑， 由于NaSO₄含量較高， 會使混凝土凝結時間縮短， 甚至在夏季還需添加適量緩凝劑。

  2. 2 硬化混凝土的性質

  ( 1) 強度 自密實混凝土屬于高性能混凝土， 可有很寬的強度范圍， 即從C25 到C60 以上。我國目前大量使用的是C30～C40。為了保證及時拆模， 成型后在標準條件下24h 抗壓強度應≥5MPa。在施工計劃允許、著重長期強度、使用低熱水泥等情況下， 可放寬上述要求。

  ( 2) 彈性模量 由于粗骨料用量較少， 自密實混凝土比使用同一品種骨料的普通混凝土彈性模量稍低些， 根據JIS的方法試驗， 標準養(yǎng)護28d 時， 降低值小于10%。根據北京二建的測試， 因采用低水膠比， 盡管有所降低， 仍能滿足結構設計規(guī)范的要求。適當提高配制強度、增加粉煤灰摻量、添加適量合成短纖維等措施均可提高彈性模量。

  ( 3) 收縮 通常， 由于粗骨料用量小， 粉體材料用量大，自密實混凝土的干燥收縮會大些， 容易產生有害裂縫?？筛鶕Y構形式、構件尺寸、施工條件、工程性質等的不同， 確定不同的目標。據日本的資料， 標準條件下養(yǎng)護7d 的試件在20± 2℃、相對濕度60± 5%的條件下6個月的干縮為≤ 8×10- 4以下，比同種骨料的普通混凝土收縮增加量< 10%。摻用粉煤灰和少量膨脹劑有利于減小收縮。摻用合成纖維不僅可減小收縮，也可提高抗裂性能。

  ( 4) 抗碳化性 普通混凝土的碳化速率和水灰比近似于線性關系。摻入礦物細摻料后，在相同水灰比下，碳化速率增加。降低混凝土的水膠比，則可達到相近的碳化速率?；炷翐接么罅炕旌喜牧虾?，堿度大大降低，會加速碳化而不利于對鋼筋的保護，但自密實混凝土因水膠比很低，混凝土密實度高，抵抗碳化的能力強。單純從材料來說， 可以不懷疑其對鋼筋保護的作用。實際上，對不同的構件應作不同的考慮: 對主要受壓的構件， 如基礎、墩柱以及長期處于水下的結構，可不考慮碳化問題; 對受彎構件，如梁、板，則因在荷載作用下產生裂縫是不可避免的，設計時允許受力后受拉區(qū)產生寬度不大于0. 2mm( 對預應力鋼筋混凝土是0. 1mm) 的裂縫，則碳化問題就應考慮。在此情況下，抗碳化的性能和細摻料的品種、摻量有關。例如摻粉煤灰30%而水膠比為0.35 時，碳化速率約與普通混凝土水灰比為0. 5 時相當；同樣效果的礦渣摻量可達70%；水膠比為0. 4、礦渣摻量達50%時， 碳化速率同普通混凝土的相差無幾。

  因此，對用于不同部位的自密實混凝土，可通過配合比的調整來保證其抗碳化的性能。有些礦物細摻料中往往含有一定量的堿， 對保持混凝土中的pH 值是否起作用，需要通過試驗來證明。對自密實混凝土的抗碳化性也需要和構件的裂縫情況結合起來進行試驗研究。

  ( 5) 其它 摻用一定量的引氣劑， 是抵抗凍融， 特別是除冰鹽作用的有效措施。日本規(guī)范規(guī)定， 經凍融循環(huán)作用后， 動彈性模量必須保持80%以上， 循環(huán)次數最低為200 次， 在凍融循環(huán)作用頻繁的環(huán)境下， 要求300 次; 含氣量一般要求為3%～6%， 在凍融循環(huán)作用頻繁的環(huán)境下， 為4%～7%。在日本多使用引氣型減水劑( AE 減水劑) 。由于摻入較大量礦物細摻料， 自密實混凝土有很好的抗化學侵蝕和抗堿骨料反應的能力。礦物細摻料抗堿骨料反應的有效摻量粉煤灰為30%， 礦渣是40%。

  3 自密實混凝土的原材料和配合比

  3. 1 自密實混凝土的原材料

  ( 1) 膠凝材料 除要求溫升很低的大體積自密實混凝土需要選用中熱或低熱水泥外， 硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥和礦渣硅酸鹽水泥都可選用， 按目前我國標準標號應不低于425 號， 具有較低的需水性， 還應考慮與所有高效減水劑的相容性。摻用礦物細摻料的目的是調節(jié)混凝土的施工性能、提高混凝土的耐久性， 降低混凝土的溫升。因此礦物細摻料應具有低需水量、高活性。為了保證混凝土的耐久性， 可利用不同細摻料的復合效應。例如， 礦渣比粉煤灰活性高， 而抗離析性差; 粉煤灰比礦渣抗碳化性能差， 但收縮小。按適當比例同時摻用粉煤灰和礦渣， 則可取長補短。由于采用低水灰比， 強度要求較低時， 可再摻用適量填充性細摻料， 如石英砂粉、石灰石粉等， 來保證足夠的漿量。因此， 日本的高流動性混凝土普遍采用水泥、礦渣、粉煤灰三組份膠凝材料， 有時加上石粉， 成為四組份。據日本資料， 從活性來說， 磨細礦渣最優(yōu)的比面積為6000～ 8000cm²/ g， 但從減小收縮來說， 最好為4000cm²/g 左右。

  ( 2) 骨料 骨料的粒形、尺寸和級配對自密實混凝土拌合物的施工性， 尤其是對拌合物的間隙通過性影響很大。和泉意登志報道， 用密實體積率為62%的日本青梅碎石， 混凝土拌合物的間隙通過量是用密實體積率為67%的日本鬼怒川卵石時的一半， 因此粗骨料的密實體積率大的好。粗骨料的最大粒徑， 當使用卵石時為25mm， 使用碎石時為20mm，間隙狹小的部位用15mm。由于砂率大， 砂子宜選用中粗砂，以偏粗為好。應嚴格控制砂中粉細顆粒的含量和石子的含泥量。同時要保證0. 63mm 篩的累計篩余大于70%， 0. 315mm篩的累計篩余為90%左右， 而0. 15mm 篩的累計篩余>98%。

  ( 3) 外加劑 即使設計強度等級不高， 也要用高效減水劑。日本杉本貢報道， 對高流動混凝土外加劑性能的要求為:有優(yōu)質的流化性能， 保持拌合物流動性的性能、合適的凝結時間與泌水率、良好的泵送性; 對硬化混凝土力學性質、干縮和徐變無壞影響、耐久性( 抗凍、抗?jié)B、抗碳化、抗鹽浸) 好。為此多采用高性能引氣型( AE ) 減水劑。同時， 由于自密實混凝土拌合物往往有離析的傾向， 在日本多采取摻抗離析劑或增稠劑來解決。日本的抗離析劑有纖維素水溶性高分子、丙烯酸類水溶性高分子、葡萄糖或蔗糖等生物高聚物等。其中纖維素醚和甲基纖維素用得最多。但是添加抗離析劑時， 對混凝土的強度有些影響。北京建工集團二建公司使用兩種不同原料來源的萘系高效減水劑復合使用， 對自密實混凝土的抗離析性有顯著效果。

  3. 2 自密實混凝土的配合比

   自密實混凝土的配合比應滿足拌合物高施工性能的要求， 因此， 與相同強度等級的普通混凝土相比， 有較大的漿骨比， 即較小的骨料用量， 膠凝材料總量一般要超過500kg/m3; 砂率較大， 即粗骨料用量較小， 砂率最大可達50%左右;使用高效減水劑， 由于膠凝材料用量大， 必須摻用大量礦物細摻料， 細摻料總摻量一般大于膠凝材料總量的30%。為了保證耐久性， 水膠比一般不宜大于0. 4。

自密實混凝土配合比的確定是以上各參數和混凝土強度、耐久性、施工性、體積穩(wěn)定性( 硬化前的抗離析性， 硬化后的彈性模量、收縮徐變) 等諸性質間矛盾的統(tǒng)一。例如流動性和抗離析性要求粗骨料用量小， 但粗骨料用量小時硬化混凝土的彈性模量低， 收縮、徐變大; 砂率大， 有利于施工性和強度而不利于彈性模量; 水膠比大， 有利于流動性， 而不利于強度和耐久性等等。因此與普通混凝土配合比設計不同的是，根據上述矛盾的統(tǒng)一確定粗骨料的最合適用量、砂子在砂中的含量。小和村建議作為砂漿和混凝土兩個層次的體系考慮自密實混凝土配合比設計。石子最大粒徑為20mm，使用中熱水泥和增稠劑。北京建工集團二建公司建議按混凝土、砂漿、水泥凈漿、膠凝材料四層次體系設計， 如圖1 所示。

以上步驟均采用絕對體積方法計算。由此可見， 自密實混凝土的漿骨比變化的范圍是很小的?；炷恋男再|主要受水泥漿濃度和性質的支配。自密實混凝土配合比的實例如表1所示。

  4 自密實混凝土施工的特點

  自密實混凝土的質量對原材料的變動很敏感，制作和施工中各環(huán)節(jié)的控制要求嚴格，因此對操作工人的要求低了，而對技術和管理人員的要求高了。由于組成材料多，必須注意攪拌均勻，目前多采用雙臥軸強制式攪拌機，攪拌時間比普通混凝土的長1～2 倍，60～180min 甚至更長是必要的。攪拌不足的拌合物不僅因不均勻而影響硬化后的性質，而且在泵送出管后流動性進一步增大，會產生離析現象。投料順序最好是先攪拌砂漿，最后投入粗骨料。

  一般來說，自密實混凝土適合于泵送澆筑。墻或柱的澆筑高度可在4m 左右。澆筑順序可參考和泉意登志在文獻中給出的泵管移動順序，如圖2 所示。

  用吊斗澆筑時產生離析的可能性大，對配合比要求更嚴格，難度較大。在必須用吊斗澆筑時，應使出料口和模板入口的距離盡量小，必要時可加串筒。

  柱子和墻澆筑前要嚴格檢查鋼筋間距及鋼筋與模板間的距離，最好準備一根長釬，以便必要時進行適當的插搗，排除可能截留的空氣。

  自密實混凝土的質量對原材料和配合比的變動以及施工工藝都很敏感，因此對施工管理水平要求較高。每項工程實施前要有嚴格的施工規(guī)程和班前交底，尤其在交接班時，要有具體的措施以免差錯。

  5 自密實混凝土應用展望及需進一步研究的問題

  (1) 自密實混凝土由于優(yōu)異的施工性能，可大大加快施工速率，減小勞動強度，并可避免由于可能振搗不足而引起混凝土的嚴重質量事故; 低水膠比、低溫升和大量礦物細摻料，可保證混凝土的耐久性。但與相同強度的普通混凝土相比，彈性模量稍低，收縮和徐變稍大。此問題可通過適當提高配制強度、摻用膨脹組分或纖維和收縮小的細摻料( 如優(yōu)質粉煤灰) 等措施來解決。但因摻用大量細摻料，混凝土堿度較低，宜用于主要受壓的構件，特別適用于較大體積的基礎底板和樁。用于受彎構件時，在目前尚無構件試驗的情況下，細摻料摻量以不超過30%為宜。為此需要系統(tǒng)研究用自密實混凝土的主要受彎構件在荷載作用下的裂縫和混凝土性質的關系、碳化及其對鋼筋繡蝕的影響。

  (2) 目前尚未查到自密實混凝土用于預應力鋼筋混凝土的報道,需要進行有針對性的系統(tǒng)研究。

  (3)自密實混凝土由于一般凝結時間較長,早期強度較低,冬季施工時最好不用。但在大體積混凝土中混凝土溫升對摻用細摻料的混凝土強度發(fā)展有利,自密實混凝土可在采取冬施措施的前提下使用。

  (4) 對都可達到自密實的高流動性混凝土并不是所有文獻上都稱之為“自密實”或其它如“免振”等，如明石大橋的混凝土無論水下還是水上，都是不振搗的; 美國西雅圖雙聯廣場鋼管柱混凝土也是不振搗的，但都沒有稱做“自密實或“免振”等，因為在“擁擠的部位”“盡管可得到高坍落度而自流平，但仍需稍加振搗以保證混凝土的足夠密實”，也就是說，并非任何工程澆筑的混凝土都能夠完全不振搗，需要在施工規(guī)程中加以區(qū)別，否則反而會引起質量問題。

  ( 5) 自密實混凝土由于質量對原材料和配合比很敏感，要求嚴格的施工管理制度。實踐表明，進行過自密實混凝土施工后，可有力地推動施工管理水平的提高，但在管理水平低、缺少技術人員的工程中不宜采用。

  參考文獻( 略)