自密實(shí)混凝土綜述
2006-04-17 00:00
摘 要：本文首先對自密實(shí)混凝土的發(fā)展與現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，提出自密實(shí)混凝土的制備原理，同時(shí)介紹自密實(shí)混凝土的原材料選擇原則和配合比設(shè)計(jì)方法，并展望了自密實(shí)混凝土的發(fā)展方向與相應(yīng)的解決途徑。
關(guān)鍵詞：自密實(shí)混凝土；制備原理；配合比
1 自密實(shí)混凝土的發(fā)展
自密實(shí)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(xué)性能和耐久性。
世界各國對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題十分關(guān)注。目前所有混凝土均靠充分振搗來達(dá)到密實(shí)，滿足所需要的強(qiáng)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(shí)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(shí)成型，避免因振搗不足而造成的空洞、蜂窩、麻面等質(zhì)量缺陷。
他們首先利用水下混凝土的技術(shù)來研制這種流動性好、填充性高的混凝土。通過試驗(yàn)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(shí)填充。因此，他們又開始做了新的研究，并取得較大進(jìn)展。1989 年，在東京舉行了自密實(shí)混凝土的公開試驗(yàn)，有100 多位研究人員和工程技術(shù)人員參加，會后許多大建筑公司開始了自密實(shí)混凝土的開發(fā)。1992 年出席日本混凝土學(xué)會關(guān)于自密實(shí)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(shè)置了“高流動性混凝土”分會，并于1992 年到1995 年三年內(nèi)對自密實(shí)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、材料、配合比、施工、質(zhì)量管理等有關(guān)內(nèi)容進(jìn)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(shí)混凝土在日本的應(yīng)用。1998 年8月日本在一次國際會議上宣布到2003 年自密實(shí)混凝土的用量超過混凝土總用量50 %的計(jì)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(chǎn)廠、鋼纖維生產(chǎn)廠聯(lián)合攻關(guān)的開發(fā)項(xiàng)目，旨在開發(fā)土木工程通用型自密實(shí)混凝土(較高的強(qiáng)度)以及建筑用高質(zhì)量飾面效果的纖維增強(qiáng)自密實(shí)混凝土，其目標(biāo)是趕上和超過日本技術(shù)。
我國從20 世紀(jì)90 年代初期也開始了免振自密實(shí)混凝土的研究。從1995 年開始深圳、上海、北京等城市應(yīng)用自密實(shí)混凝土澆筑了4 萬余立方米，主要應(yīng)用于地下暗挖、配筋形狀較為密實(shí)、復(fù)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(jié)國內(nèi)外的相關(guān)資料，自密實(shí)混凝土的工作性能指標(biāo)應(yīng)達(dá)到：坍落度240～270 mm ，擴(kuò)展度≥600 mm ，Orimet 法流下時(shí)間8～16 s ，坍落度中邊高差20 mm。
2 自密實(shí)混凝土的制備原理
自密實(shí)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(xué)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(yīng)力；
τ0 為屈服剪切應(yīng)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(yīng)力，在外力作用下混凝土拌合物內(nèi)部產(chǎn)生的剪切應(yīng)力τ≥τ0 時(shí)，混凝土產(chǎn)生流動；η是混凝土拌合物內(nèi)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(yīng)力τ0和塑性粘度η是反映混凝土拌合物工作性的兩個(gè)主要流變參數(shù)。與普通混凝土采用機(jī)械振搗時(shí)因觸變作用令τ0 大幅減小，使振動影響區(qū)內(nèi)的混凝土呈液化而流動并密實(shí)成型的道理相似，制備自密實(shí)混凝土的原理是通過外加劑、膠凝材料和粗細(xì)骨料的選擇搭配和配合比設(shè)計(jì)，使τ0 減小到適宜范圍，同時(shí)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(nèi)的空間，形成密實(shí)且均勻的結(jié)構(gòu)。
首先，采用高效減水劑可對水泥顆粒產(chǎn)生強(qiáng)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(chǎn)生靜電斥應(yīng)力，拆散其絮凝結(jié)構(gòu)，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(yīng)力τ0 降低，獲得高流動性能，同時(shí)能有效控制混凝土的用水量，保證力學(xué)與耐久性的要求。
另一方面，自密實(shí)混凝土應(yīng)具有較好的抗離析性。試驗(yàn)表明，離析的混凝土在通過間隙時(shí)，粗骨料會產(chǎn)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(yīng)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(shí)效果，提高了拌合物通過間隙的能力。
3自密實(shí)混凝土的原材料選擇及配合比設(shè)計(jì)
3. 1自密實(shí)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(biāo)準(zhǔn)稠度用水量和強(qiáng)度問題，水泥與外加劑是否相適應(yīng)，決定著能否配制出某個(gè)強(qiáng)度等級的自密實(shí)混凝土，因此應(yīng)選用較穩(wěn)定的水泥。
3. 1. 2 摻合料
摻合料是自密實(shí)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(xì)礦渣、硅粉、礦粉等。利用它們的物理效應(yīng)、填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)，不但能提高新拌混凝土的工作性，而且能增強(qiáng)硬化后混凝土的耐久性。
粉煤灰是自密實(shí)混凝土最常用的活性摻合料，具有“活性效應(yīng)”、“界面效應(yīng)”、“微填充效應(yīng)”和“減水效應(yīng)”。在自密實(shí)混凝土中，要求充分發(fā)揮這些效應(yīng)，一是要求活性摻合料的顆粒與水泥顆粒在微觀上應(yīng)形成級配體系；二是球形玻璃體含量要求高，因?yàn)榍蛐尾Ａw摻合料的減水效應(yīng)顯著，需水量比可大大降低。
磨細(xì)礦渣的火山灰效應(yīng)高，因此能改善自密實(shí)混凝土硬化后的孔結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度；礦渣由于細(xì)度較高，能顯著提高自密實(shí)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(shí)混凝土的早期孔結(jié)構(gòu)有一定作用。
日本自密實(shí)混凝土普遍采用粉煤灰和礦渣復(fù)摻，有時(shí)還加上礦粉。
3. 1. 3 細(xì)骨料
砂在混凝土中存在雙重效應(yīng)，一是圓形顆粒的滾動減水效應(yīng)；二是比表面積吸水率高的需水效應(yīng)。這兩種相互矛盾的效應(yīng)，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(zhì)，會使水泥漿與骨料的粘結(jié)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(shù)要求。
3. 1. 4 粗骨料
由于自密實(shí)混凝土常常用于鋼筋稠密或薄壁的結(jié)構(gòu)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(shí)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(gè)方面都需要以外加劑的手段來實(shí)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(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法
3. 2. 1 普通適用的混凝土體積模型
全計(jì)算的基本觀點(diǎn)：
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(xì)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(diǎn)，自密實(shí)混凝土同時(shí)達(dá)到最佳的施工和易性和強(qiáng)度性能，其水泥漿與骨料的體積比應(yīng)為35∶65。
3. 2. 2 傳統(tǒng)的自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)
崗村教授于1996 年提出自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：粗骨料體積用量固定為固體體積用量的50 %；細(xì)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(zhì)；超塑化劑摻量和最終水膠比以保證達(dá)到自密實(shí)來決定。
我國北京建工集團(tuán)二公司等單位提出自密實(shí)混凝土配合比的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)：膠凝材料的總量要超過500 kg/m3 ；砂率較大，即粗骨料用量較小，砂率應(yīng)在40 %以上，最大可達(dá)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(xì)摻合料，細(xì)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(shí)混凝土的研究目標(biāo)與實(shí)現(xiàn)方法
4. 1 自密實(shí)混凝土的研究目標(biāo)
隨著高層建筑的普及以及高度的不斷提高，對自密實(shí)混凝土的性能要求也越來越高了，主要表現(xiàn)為以下四個(gè)方面：
a) 流動度高、易于泵送施工的自密實(shí)混凝土；
b) 自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度達(dá)到高強(qiáng)級，并且具有較高的耐久性；
c) 盡量減少自密實(shí)混凝土的坍落度損失，使自密實(shí)混凝土在較長的時(shí)間內(nèi)保持較高的流動性；
d) 經(jīng)濟(jì)，采用當(dāng)?shù)夭牧虾秃唵蔚纳a(chǎn)工藝，使自密實(shí)混凝土的造價(jià)降低。
4. 2 自密實(shí)混凝土的實(shí)現(xiàn)方法
針對當(dāng)前我們對自密實(shí)混凝土提出的四個(gè)研究目標(biāo)，我們可以通過以下途徑得到實(shí)現(xiàn)：
a) 高效減水劑的選用。目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了減水率高達(dá)30 %左右的高效減水劑，同時(shí)可與各種外加劑(如緩凝劑、穩(wěn)定劑等) 復(fù)合改進(jìn)，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(xué)性能合耐久性。
b) 摻合料的選用。采用單摻或復(fù)摻粉狀活性摻合料，調(diào)節(jié)混凝土拌合物流變特性，提高流動性和抗分離性，同時(shí)能增加活性，改善耐久性。
c) 配合比設(shè)計(jì)。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(yàn)進(jìn)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(xué)性能和耐久性。
5 小結(jié)
隨著當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)的需要，自密實(shí)混凝土的市場將越來越大，對自密實(shí)混凝土拌合物和硬化后的性能的要求也越來越高，為此，我們應(yīng)該通過試驗(yàn)研究，提出更多有效的方法來滿足更高的要求。
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