自密實混凝土綜述

　　1 自密實混凝土的發(fā)展
　　自密實混凝土(Self Compacting Concrete) ，也有人稱為高流態(tài)混凝土(Highly Fluidized Concrete) ，指混凝土拌合物主要靠自重，不需要振搗即可充滿模型和包裹鋼筋，屬于高性能混凝土的一種。該混凝土流動性好，具有良好的施工性能和填充性能，而且骨料不離析，混凝土硬化后具有良好的力學性能和耐久性。

　　世界各國對混凝土結構的耐久性問題十分關注。目前所有混凝土均靠充分振搗來達到密實，滿足所需要的強度和耐久性，振搗不良會大大降低混凝土的最終性能。因此，日本崗村教授提出研究開發(fā)自密實混凝土，利用其自身優(yōu)良的施工性能，保證混凝土即使在不利施工的條件下，也能密實成型，避免因振搗不足而造成的空洞、蜂窩、麻面等質量缺陷。

　　他們首先利用水下混凝土的技術來研制這種流動性好、填充性高的混凝土。通過試驗發(fā)現(xiàn)簡單地把這種工藝移到地面上施工并不成功，主要原因有：a) 由于這類混凝土粘度較高，包裹在混凝土中的空氣難以排除；b) 在鋼筋密集部分，難以做到密實填充。因此，他們又開始做了新的研究，并取得較大進展。1989 年，在東京舉行了自密實混凝土的公開試驗，有100 多位研究人員和工程技術人員參加，會后許多大建筑公司開始了自密實混凝土的開發(fā)。1992 年出席日本混凝土學會關于自密實混凝土年會的單位增至30 家。

　　日本建筑協(xié)會在材料施工委員會下設置了“高流動性混凝土”分會，并于1992 年到1995 年三年內對自密實的質量標準、材料、配合比、施工、質量管理等有關內容進行了研究，1997 年1 月制定了“高流動性混凝土材料、配比、制造、施工指針”，大大推動了自密實混凝土在日本的應用。1998 年8月日本在一次國際會議上宣布到2003 年自密實混凝土的用量超過混凝土總用量50 %的計劃。

　　歐洲也不甘落后，出資300 萬歐元資助由多國建筑商、混凝土專家、外加劑生產廠、鋼纖維生產廠聯(lián)合攻關的開發(fā)項目，旨在開發(fā)土木工程通用型自密實混凝土(較高的強度)以及建筑用高質量飾面效果的纖維增強自密實混凝土，其目標是趕上和超過日本技術。

　　我國從20 世紀90 年代初期也開始了免振自密實混凝土的研究。從1995 年開始深圳、上海、北京等城市應用自密實混凝土澆筑了4 萬余立方米，主要應用于地下暗挖、配筋形狀較為密實、復雜等無法澆筑和振搗的部位，解決了施工擾民的問題，縮短了澆筑工期。

　　總結國內外的相關資料，自密實混凝土的工作性能指標應達到：坍落度240～270 mm ，擴展度≥600 mm ，Orimet 法流下時間8～16 s ，坍落度中邊高差20 mm。

　　2 自密實混凝土的制備原理
　　自密實混凝土具有高工作性、抗離析性、間隙通過性和填充性。按流變學理論，新拌混凝土屬賓漢姆流體，其流變方程為：

     τ = τ0 + ηγ                                   (1)

     式(1) 中：τ為剪切應力；
　　τ0 為屈服剪切應力；
　　η為塑性粘度；
　　γ為剪切速度。

　　τ0 是阻止塑性變形的最大應力，在外力作用下混凝土拌合物內部產生的剪切應力τ≥τ0 時，混凝土產生流動；η是混凝土拌合物內部阻止其流動的一種性能，η越小，在相同外力作用下流動速度越快，由此可見。屈服剪切應力τ0和塑性粘度η是反映混凝土拌合物工作性的兩個主要流變參數(shù)。

　　與普通混凝土采用機械振搗時因觸變作用令τ0 大幅減小，使振動影響區(qū)內的混凝土呈液化而流動并密實成型的道理相似，制備自密實混凝土的原理是通過外加劑、膠凝材料和粗細骨料的選擇搭配和配合比設計，使τ0 減小到適宜范圍，同時又具有足夠的塑性粘度η，使骨料懸浮于水泥漿中，不出現(xiàn)離析和泌水問題，能自由流淌充分填充模型內的空間，形成密實且均勻的結構。

　　首先，采用高效減水劑可對水泥顆粒產生強烈的分散作用，高效減水劑在水泥顆粒界面的吸附和形成的雙電層，使水泥顆粒間產生靜電斥應力，拆散其絮凝結構，釋放它們約束的水，水泥顆粒間相互滑動能力增大，使混凝土開始流動的屈服剪切應力τ0 降低，獲得高流動性能，同時能有效控制混凝土的用水量，保證力學與耐久性的要求。

　　另一方面，自密實混凝土應具有較好的抗離析性。試驗表明，離析的混凝土在通過間隙時，粗骨料會產生聚集而阻塞間隙?；炷岭x析的主要原因是τ0 和η過小，混凝土抵抗粗骨料與水泥砂漿相對移動的能力弱。由此可知，屈服剪切應力τ0 和塑性粘度η既是混凝土開始流動的前提，又是不離析的條件。

　　混凝土拌合物的漿固比和砂率值，對工作性有很大影響，漿固比越大流動性越好，但過大對硬化后的體積穩(wěn)定性不利；砂率適宜，粗骨料周圍包裹足夠的砂漿，不易在間隙處聚集而影響填充和密實效果，提高了拌合物通過間隙的能力。

　　3 自密實混凝土的原材料選擇及配合比設計
　　3.1自密實混凝土原材料的選擇
　　3.1.1水泥
　　基于目前我國的原材料狀況，水泥的主要問題是與外加劑的相容性、標準稠度用水量和強度問題，水泥與外加劑是否相適應，決定著能否配制出某個強度等級的自密實混凝土，因此應選用較穩(wěn)定的水泥。

　　3.1.2 摻合料
　　摻合料是自密實混凝土不可缺少的組成部分之一，一般常用的有粉煤灰、磨細礦渣、硅粉、礦粉等。利用它們的物理效應、填充效應和火山灰效應，不但能提高新拌混凝土的工作性，而且能增強硬化后混凝土的耐久性。

　　粉煤灰是自密實混凝土最常用的活性摻合料，具有“活性效應”、“界面效應”、“微填充效應”和“減水效應”。在自密實混凝土中，要求充分發(fā)揮這些效應，一是要求活性摻合料的顆粒與水泥顆粒在微觀上應形成級配體系；二是球形玻璃體含量要求高，因為球形玻璃體摻合料的減水效應顯著，需水量比可大大降低。

　　磨細礦渣的火山灰效應高，因此能改善自密實混凝土硬化后的孔結構和強度；礦渣由于細度較高，能顯著提高自密實混凝土拌和物的流動速度，改善其流變性能，且對改善自密實混凝土的早期孔結構有一定作用。

　　日本自密實混凝土普遍采用粉煤灰和礦渣復摻，有時還加上礦粉。

　　3.1.3 細骨料
　　砂在混凝土中存在雙重效應，一是圓形顆粒的滾動減水效應；二是比表面積吸水率高的需水效應。這兩種相互矛盾的效應，決定了必須根據(jù)水泥、摻合料、外加劑等情況綜合考慮。砂的含泥量和雜質，會使水泥漿與骨料的粘結力下降，需要增加用水量和增加水泥用量，所以砂必須符合規(guī)范技術要求。

　　3.1.4 粗骨料
　　由于自密實混凝土常常用于鋼筋稠密或薄壁的結構中，因此粗骨料的最大粒徑一般以小于20 mm為宜，盡可能選用圓形且不含或少含針、片狀顆粒的骨料。

　　3.1.5 外加劑
　　自密實混凝土具備的高流動性、抗離析性、間隙通過性和填充性這四個方面都需要以外加劑的手段來實現(xiàn)，因此對外加劑的主要要求為：a) 與水泥的相容性好：b) 減水率大；c) 緩凝、保塑。

　　3.2 自密實混凝土配合比設計方法
　　3.2.1 普通適用的混凝土體積模型
　　全計算的基本觀點：

　　a) 混凝土各組成材料(包括固、氣、液三相) 具有體積加和性；
　　b) 石子的空隙由干砂漿填充；
　　c) 干砂漿的空隙由水填充；
　　d) 干砂漿由水泥、細摻合料、砂和空氣所組成。

　　根據(jù)美國混凝土專家P. K.Mehta 和P. C. Aitcin 的觀點，自密實混凝土同時達到最佳的施工和易性和強度性能，其水泥漿與骨料的體積比應為35∶65。

　　3. 2. 2 傳統(tǒng)的自密實混凝土配合比設計經驗
　　崗村教授于1996 年提出自密實混凝土配合比設計的特點：粗骨料體積用量固定為固體體積用量的50 %；細骨料用量固定為砂漿體積的40 %；體積水膠比建議為019～110 ，具體決定于膠凝材料組成與性質；超塑化劑摻量和最終水膠比以保證達到自密實來決定。

　　我國北京建工集團二公司等單位提出自密實混凝土配合比的經驗參數(shù)：膠凝材料的總量要超過500kg/m³ ；砂率較大，即粗骨料用量較小，砂率應在40%以上，最大可達50%；使用高效減水劑，由于膠凝材料的用量較大，必須摻用大量礦物細摻合料，細摻合料總摻量一般不大于膠凝材料總量的30%；為了保證耐久性，水膠比不宜大于014。

　　4 自密實混凝土的研究目標與實現(xiàn)方法
　　4.1 自密實混凝土的研究目標
　　隨著高層建筑的普及以及高度的不斷提高，對自密實混凝土的性能要求也越來越高了，主要表現(xiàn)為以下四個方面：

　　a) 流動度高、易于泵送施工的自密實混凝土；
　　b) 自密實混凝土的強度達到高強級，并且具有較高的耐久性；
　　c) 盡量減少自密實混凝土的坍落度損失，使自密實混凝土在較長的時間內保持較高的流動性；
　　d) 經濟，采用當?shù)夭牧虾秃唵蔚纳a工藝，使自密實混凝土的造價降低。

　　4.2 自密實混凝土的實現(xiàn)方法
　　針對當前我們對自密實混凝土提出的四個研究目標，我們可以通過以下途徑得到實現(xiàn)：

　　a) 高效減水劑的選用。目前市場上已經出現(xiàn)了減水率高達30 %左右的高效減水劑，同時可與各種外加劑(如緩凝劑、穩(wěn)定劑等) 復合改進，混凝土拌合物的流動性損失減慢，且有利于提高混凝土的力學性能合耐久性。

　　b) 摻合料的選用。采用單摻或復摻粉狀活性摻合料，調節(jié)混凝土拌合物流變特性，提高流動性和抗分離性，同時能增加活性，改善耐久性。

　　c) 配合比設計。選用適宜的配合比參數(shù)，膠凝材料所占體積和砂率值可通過試驗進行優(yōu)選，突出混凝土拌合物的工作性能，并充分考慮混凝土拌合物硬化后的物理力學性能和耐久性。