自密實(shí)混凝土及其工作性評(píng)價(jià)
2005-05-28 00:00
摘 要：簡(jiǎn)要介紹了自密實(shí)混凝土的定義、發(fā)展概況與工作性內(nèi)涵,較詳細(xì)論述了自密實(shí)混凝土的工作機(jī)理、配合比設(shè)計(jì)和工作性評(píng)價(jià)方法，最后提及自密實(shí)混凝土在生產(chǎn)過程中的幾個(gè)問題和發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：自密實(shí)混凝土；工作性;配合比;評(píng)價(jià)方法
0 引言
隨著城鄉(xiāng)建設(shè)的日益發(fā)展，混凝土早已成為現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)的主要材料，但是在應(yīng)用過程中也出現(xiàn)了一些問題,概括起來有以下幾個(gè)方面。
1) 混凝土的耐久性問題。目前,混凝土的耐久性問題已經(jīng)受到全世界范圍的關(guān)注。在混凝土澆筑施工中，由于缺乏熟練工人及其它客觀條件所限,不能保證混凝土完全密實(shí)成為導(dǎo)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。商品混凝土工業(yè)不斷發(fā)展，對(duì)新拌混凝土的大流動(dòng)性及在運(yùn)輸澆筑過程中較長(zhǎng)時(shí)間的保塑性提出了新的要求。
3) 振搗密實(shí)困難。許多工程結(jié)構(gòu)配筋稠密且復(fù)雜，不易振搗；有的則是特種薄壁結(jié)構(gòu)、高細(xì)結(jié)構(gòu)、淺埋暗挖工程、隧道和地下結(jié)構(gòu),根本沒有振搗可操作空間，施工非常困難。
4) 生產(chǎn)效率和安全性要求。傳統(tǒng)的混凝土振搗施工不但產(chǎn)生噪聲污染，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)工，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作環(huán)境惡劣，且長(zhǎng)時(shí)間手持振動(dòng)器有可能導(dǎo)致“手臂振動(dòng)綜合癥”。
5) 環(huán)保節(jié)能問題。充分利用粉煤灰、磨細(xì)礦渣等工業(yè)廢料取代適量水泥，開發(fā)新型環(huán)保節(jié)能混凝土,是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的具體要求。
6) 工程造價(jià)。從提高施工速度、環(huán)境對(duì)噪聲限制、減少人工、機(jī)械、電能費(fèi)用、減小振搗對(duì)模板產(chǎn)生的磨損、利用工業(yè)廢料、保證質(zhì)量提高耐久性、減少加固修復(fù)費(fèi)用等諸多方面綜合考慮,降低工程整體造價(jià)。
2) 商品混凝土的可泵性要求。商品混凝土工業(yè)不斷發(fā)展，對(duì)新拌混凝土的大流動(dòng)性及在運(yùn)輸澆筑過程中較長(zhǎng)時(shí)間的保塑性提出了新的要求。
3) 振搗密實(shí)困難。許多工程結(jié)構(gòu)配筋稠密且復(fù)雜，不易振搗；有的則是特種薄壁結(jié)構(gòu)、高細(xì)結(jié)構(gòu)、淺埋暗挖工程、隧道和地下結(jié)構(gòu),根本沒有振搗可操作空間，施工非常困難。
4) 生產(chǎn)效率和安全性要求。傳統(tǒng)的混凝土振搗施工不但產(chǎn)生噪聲污染，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)工，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作環(huán)境惡劣，且長(zhǎng)時(shí)間手持振動(dòng)器有可能導(dǎo)致“手臂振動(dòng)綜合癥”。
5) 環(huán)保節(jié)能問題。充分利用粉煤灰、磨細(xì)礦渣等工業(yè)廢料取代適量水泥，開發(fā)新型環(huán)保節(jié)能混凝土,是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的具體要求。
6) 工程造價(jià)。從提高施工速度、環(huán)境對(duì)噪聲限制、減少人工、機(jī)械、電能費(fèi)用、減小振搗對(duì)模板產(chǎn)生的磨損、利用工業(yè)廢料、保證質(zhì)量提高耐久性、減少加固修復(fù)費(fèi)用等諸多方面綜合考慮,降低工程整體造價(jià)。
自密實(shí)混凝土以其優(yōu)良的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能極好地滿足了上述要求，被稱為“近幾十年中混凝土建筑技術(shù)最具革命性的發(fā)展”。
1 自密實(shí)混凝土簡(jiǎn)介
自密實(shí)混凝土(以下簡(jiǎn)稱SCC) 可以定義為[1] ：混凝土能夠保持不離析和均勻性，不需要外加振動(dòng)完全依靠重力作用充滿模板每一個(gè)角落、達(dá)到充分密實(shí)和獲得最佳的性能。
SCC是第四代混凝土———高性能混凝土(HPC)的一個(gè)重要組成部分和發(fā)展方向。20 世紀(jì)80 年代日本東京大學(xué)罔村甫教授研究室率先提出SCC 的概念并研制成功。我國(guó)對(duì)SCC 的研究與應(yīng)用開始于90 年代初期。實(shí)際上,清華大學(xué)馮乃謙教授早在1987 年就提出流態(tài)混凝土概念，奠定了這一研究的基礎(chǔ)。1996 年，北京城建集團(tuán)構(gòu)件廠研制的免振搗自密實(shí)混凝土獲得國(guó)家專利[2]。成為SCC 成功運(yùn)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的先例。有學(xué)者肯定[1]除超高強(qiáng)(C80 以上) 結(jié)構(gòu)，自密實(shí)混凝土適用于所有種類的混凝土結(jié)構(gòu)和施工條件，包括纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。SCC 是一種特殊的高性能混凝土，拌合物表現(xiàn)出優(yōu)良的工作性能，澆灌過程中不用振搗而完全依靠自重作用自由流淌充分填充模型內(nèi)的空間形成均勻密實(shí)的結(jié)構(gòu)，硬化后具有良好的力學(xué)性能和耐久性能。
對(duì)于混凝土拌合物的工作性，眾多學(xué)者曾給出自己不同的定義。T.P.Tassions1973 年從工程應(yīng)用角度將工作性分解為流動(dòng)性、可泵性、穩(wěn)定性、均勻性、易密實(shí)性和終飾抹面性等幾個(gè)方面[3] 。同一般大流動(dòng)性混凝土相比，SCC 的工作性內(nèi)涵有所擴(kuò)大。
1) 高流動(dòng)性：保證混凝土能夠繞過障礙物，充分填充模型內(nèi)每個(gè)角落。
2) 高穩(wěn)定性：保證混凝土質(zhì)量均勻一致,即不泌水,骨料不離析。
3) 通過鋼筋間隙能力：保證混凝土穿越鋼筋間隙時(shí)不發(fā)生阻塞。
4) 自充填性：是流動(dòng)性、穩(wěn)定性和間隙通過性的最終結(jié)果。
2 自密實(shí)混凝土的工作機(jī)理
按流變學(xué)理論劃分，新拌混凝土屬于賓漢姆流體，其流變方程為τ=τ0 +ηγ(τ為剪應(yīng)力；τ0為屈服剪應(yīng)力;η為塑性粘度;γ為剪切速度) 。τ0是阻礙塑性變形的最大應(yīng)力, 由材料之間的附著力和摩擦力引起, 它支配了拌和物的變形能力; 當(dāng)τ>τ0時(shí),混凝土產(chǎn)生流動(dòng)。η是反映流體各平流層之間產(chǎn)生的與流動(dòng)方向反向的阻止其流動(dòng)的粘滯阻力,它支配了拌和物的流動(dòng)能力,η越小,在相同外力作用下流動(dòng)越快。
2.1 SCC的流動(dòng)機(jī)理
新拌SCC 的流動(dòng)是自重力大于τ0而產(chǎn)生剪切變形的結(jié)果。采用高效復(fù)合減水劑增塑和超細(xì)粉摻合料改善膠凝材料級(jí)配都可以降低τ0值,使混凝土拌合物達(dá)到自流平所需要的流動(dòng)性。
2.1.1外加劑的潤(rùn)濕吸附作用[4]作為界面活性劑的外加劑分子吸附在水泥粒子表面形成雙電位層。由于雙電位層產(chǎn)生的斥力使得水泥顆粒間相互排斥,防止產(chǎn)生凝聚。外加劑分子同時(shí)吸附一定的極性化水分子形成溶劑化膜層,增加了水泥微粒的滑動(dòng)能力,因而易于分散。除此之外,外加劑還能降低表面張力,使水泥顆粒容易被水潤(rùn)濕,這樣在達(dá)到相同坍落度情況下,所需拌合水量減少而具有良好的流動(dòng)能力。
2.1.2 裹挾滾動(dòng)相互作用混凝土可以看作由骨料和漿體固液兩相組成的物質(zhì),液相通常具有較大的變形能力。SCC 中超細(xì)粉摻合料的顆粒粒徑與水泥顆粒在微觀上形成級(jí)配體系,可以降低漿體的τ0值。圓形顆粒的粉煤灰和硅灰等超細(xì)粉摻合料包裹在粗糙的水泥顆粒和骨料表面,具有“滾珠”潤(rùn)滑和物理減水作用,并與水泥漿一起作為液相,攜帶固相發(fā)生流動(dòng)及滾動(dòng)達(dá)到自流平。
2.2 SCC的自密實(shí)機(jī)理
2.2.1 漿體的粘聚作用混凝土的流動(dòng)性與抗離析性是相互矛盾的。SCC 之所以能流平密實(shí),關(guān)鍵在于其膠結(jié)料漿體具有一定的塑性粘度η,它能減少骨料間的接觸應(yīng)力,削弱骨料的固體特性,抑制骨料起拱堆集從而有效抑制離析。
2.2.2 氣泡自動(dòng)聚合上浮作用在拌和澆筑混凝土?xí)r裹入模板內(nèi)的氣泡,由于混凝土自重對(duì)其產(chǎn)生浮力作用,具有自動(dòng)聚合形成更大氣泡的趨勢(shì)。一旦氣泡發(fā)生聚合,則所受浮力將進(jìn)一步增大,最終會(huì)浮出表面使混凝土密實(shí)。SCC 由于摻加高效減水劑降低了混凝土的表面張力,使氣泡更容易聚合上浮,增加混凝土的密實(shí)性。
2.2.3 摻合料的微粉作用SCC 中的摻合料不僅具有物理填充效應(yīng),而且因?yàn)榫薮蟮谋砻娣e產(chǎn)生較大的內(nèi)表面力而提高混凝土的粘聚性。有的還具有火山灰活性效應(yīng),結(jié)合摻用高效減水劑和采用低水膠比改善集料界面結(jié)構(gòu)和水泥石的孔結(jié)構(gòu),使混凝
土越來越密實(shí)。
2.2.4 最大堆積密度[1] SCC 中各組分粒徑力求滿足“最大堆積密度理論”,例如,顆粒從小到大依次為:微硅粉、粉煤灰、水泥、砂、石。這樣細(xì)顆粒填充粗顆粒之間的空隙,更細(xì)顆粒填充細(xì)顆粒之間的空隙,達(dá)到最大密度或最小空隙率,從而有效提高SCC的密實(shí)度。
3 自密實(shí)混凝土工作性評(píng)價(jià)方法
SCC 工作性的評(píng)價(jià)是進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢驗(yàn)的基礎(chǔ)。為了方便有效地評(píng)價(jià)SCC 的高流動(dòng)性、高穩(wěn)定性和穿越鋼筋間隙能力,發(fā)展了一些新試驗(yàn)方法,如倒坍落度筒、L 型儀、U 型箱、J 環(huán)、牽引球粘度計(jì)、密配筋模型填充試驗(yàn)等。本文對(duì)其中的四種做詳細(xì)介紹。
3.1 坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)
傳統(tǒng)坍落度試驗(yàn)所測(cè)的坍落度主要反映拌合物開始流動(dòng)所需力(即屈服值τ0) 的大小,而不能反映塑性粘度η的差異。在此基礎(chǔ)上測(cè)得的坍落擴(kuò)展度D 同樣主要由屈服值τ0決定,τ0 越大,D 越小。
試驗(yàn)表明,當(dāng)混凝土拌合物的坍落度大于某一臨界值時(shí),它就不能正確地反映屈服值大小,而擴(kuò)展度試驗(yàn)不存在這一臨界值。SCC 通常具有較大的坍落度(240 mm～270 mm) ,因此可以用坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)代替坍落度試驗(yàn)做混凝土拌合物初步控制用。一般SCC 坍落擴(kuò)展度為550 mm～750 mm。
3.2 倒坍落度筒試驗(yàn)
這種方法是我國(guó)山東學(xué)者最先采用[5]的。實(shí)際上,它類似于Orimet 儀及V 型漏斗試驗(yàn)[3] 。其測(cè)試原理是根據(jù)混凝土從倒置的坍落度筒中流空的時(shí)間和落下后的坍落度、擴(kuò)展度及中邊差(中間與邊部的高度差) 來判斷SCC 的工作性。
流動(dòng)時(shí)間主要反映拌合物的塑性粘度η, 同時(shí)也部分反映了屈服值τ0的大小。擴(kuò)展度則量化了混凝土在自重作用下克服屈服應(yīng)力、粘度和摩擦后的流動(dòng)狀態(tài);擴(kuò)散越接近圓形表明混凝土勻質(zhì),變形能力良好,直徑大則表明間隙通過能力強(qiáng)。中邊差反映了石子在砂漿中的懸浮流動(dòng)能力和抗離析性,其值越小表明這些性能越好。該方法簡(jiǎn)便實(shí)用, 可重復(fù)性好。目前廣泛采用倒坍落度筒在鐵板裝料后直接提起測(cè)定拌合物擴(kuò)展度。
3.3 牽引球粘度計(jì)
這種方法是日本學(xué)者發(fā)明并采用的。它不同于Kelly 沉球試驗(yàn)[3]通過測(cè)量沉球貫入數(shù)值來反映屈服強(qiáng)度τ0的大小,而是靠測(cè)定球體向上牽引受到的粘滯力來確定屈服值并估計(jì)混凝土的粘度,從而判斷自流平特性。
此方法問題在于其裝置是采用電機(jī)牽引的方法提拉小球的,這使得該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜;同時(shí)由于埋入混凝土中的測(cè)力物體為球體,故上拉時(shí)的拉力,并非完全剪切力,從而可能為測(cè)試帶來誤差。
3.4 L儀流動(dòng)度試驗(yàn)[3]
L2型流動(dòng)儀法是先將混凝土裝在L2型筒的豎直筒內(nèi),再將插板提起使其向水平槽內(nèi)繞過鋼筋流動(dòng)。通過測(cè)定最終流動(dòng)時(shí)間及混凝土在水平槽內(nèi)的坡度來判斷混凝土的自流平特性。
在自密實(shí)混凝土的研究中,應(yīng)鼓勵(lì)多種檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展,但鑒于目前尚未形成統(tǒng)一、成熟的檢測(cè)方法,筆者認(rèn)為,在施工條件下應(yīng)該力求簡(jiǎn)單實(shí)用性原則。例如可以同時(shí)采用倒坍落筒和L 儀或U 型箱試驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)實(shí)際工程中SCC 的工作性能。瑞士西卡集團(tuán)天津分公司就是采用該方法向客戶展示其產(chǎn)品性能的。
4 自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)
制備自密實(shí)混凝土就是在保證所需強(qiáng)度的前提下,通過合理選擇原材料及比例,使τ0減小到適宜范圍,同時(shí)又具有足夠的η值, 獲得既具有高流動(dòng)性,又不出現(xiàn)離析泌水的混凝土拌合物。
4.1 原材料
4.1.1 水泥
理論上各種水泥都可用于配制SCC ,品種的選擇決定于對(duì)混凝土強(qiáng)度、耐久性等的要求;但考慮到工作性要求及坍落度經(jīng)時(shí)損失小,應(yīng)優(yōu)先選擇C3A 和堿含量小、標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量低的水泥。
4.1.2 骨料
SCC 應(yīng)選擇質(zhì)地堅(jiān)硬、密實(shí)、潔凈的骨料。粗骨料針片含量少, 最大粒徑一般在16mm～20mm范圍,且間斷級(jí)配往往優(yōu)于連續(xù)級(jí)配,因?yàn)榍罢叩膬?nèi)摩擦低于后者,對(duì)改善流動(dòng)性有利。細(xì)骨料宜選用級(jí)配良好的中砂或粗砂,砂中所含小于0.125 mm 的細(xì)粉對(duì)SCC 流變性能非常重要,一般要求不低于10 %。
4.1.3化學(xué)外加劑
宜采用減水率20%以上的高效減水劑,復(fù)合使用高效減水劑和普通減水劑也可獲得較好效果。減水劑的摻量及減水率應(yīng)經(jīng)試驗(yàn)決定。除此之外,也可摻入增粘劑和引氣劑等外加劑。
4.1.4礦物摻合料
石粉:石灰石、白云石、花崗巖等的磨細(xì)粉, 粒徑小于0.125 mm 或比表面積(250～800) m2/ kg , 作為惰性填料,用改善和保持SCC 的工作性。粉煤灰:火山灰質(zhì)摻合料,優(yōu)質(zhì)粉煤灰能夠改善SCC 的流動(dòng)性,有利于硬化混凝土的耐久性。應(yīng)優(yōu)先選用。磨細(xì)礦渣:火山灰質(zhì)摻合料,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:高活性火山灰質(zhì)摻合料,用于改善SCC 的流變性能和抗離析能力,提高硬化混凝土的強(qiáng)度和耐久性。應(yīng)優(yōu)先選用。
4.2 配合比
4.2.1漿骨比
自密實(shí)混凝土可看成由固液兩相組成的3層體系(見圖4) 。漿體的粘性是影響混凝土τ0和η的重要因素。欲獲得對(duì)流動(dòng)中發(fā)生堵塞有較高的抵抗力,一是賦予液相一定的粘度提高兩相間的粘著力,使液相具有足夠的能力攜帶固相顆粒一起變形流動(dòng)。這就需要一定的膠結(jié)料漿體含量,一般為35～45 %。另一是采用較小的粗骨料體積含量,以減少粗大顆粒在狹窄空間內(nèi)頻繁接觸發(fā)生堆集堵塞的概率(見圖5) 。但對(duì)混凝土而言,過小的粗骨料體積含量會(huì)使彈性模量下降較多而產(chǎn)生較大的收縮,因此,確定最佳漿骨比是配合比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
4.2.2砂率
減小砂漿與粗骨料之間的相互分離作用,還可通過增加混凝土砂率的辦法加以實(shí)現(xiàn),但砂率值過大會(huì)影響SCC 的彈性模量和抗壓強(qiáng)度,一般宜控制在40 %～45 %。
4.2.3 摻合料用量
可以按凈漿和砂漿流動(dòng)度試驗(yàn)確定不同種類摻合料的具體用量,也可根據(jù)實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)選取合理值,可大于膠凝材料總量的30 %。
4.2.4水灰比
水灰比按混凝土強(qiáng)度、耐久性選擇確定,一般在014 以下,且用水量不宜超過200 kg/m3 。
日本的罔村甫1996 年將SCC 介紹到美國(guó)時(shí)提出的配合比特點(diǎn)為[4]: 1) 粗集料體積用量固定為固體體積的50 %; 2) 細(xì)集料用量固定為砂漿體積的40 %; 3) 體積水膠比建議為0.9～1.0 ,具體取決于膠凝材料的組成與性質(zhì); 4) 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。北京建工集團(tuán)就是依據(jù)上述原理,采用設(shè)定粗集料用量和砂漿中砂子體積含量的方法進(jìn)行SCC 配合比設(shè)計(jì)的[2] 。
4.3 發(fā)展高性能膠凝材料[4]
高性能膠凝材料主要是從流變性能的需要進(jìn)行各組分的選擇和配合比優(yōu)化的。產(chǎn)品用于混凝土?xí)r,可在達(dá)到相同工作性時(shí)選用最低的水膠比,并在得到高流動(dòng)性的同時(shí)不離析、不泌水,有良好的可泵性和填充性。
5 自密實(shí)混凝土的攪拌、澆筑與養(yǎng)護(hù)
因?yàn)镾CC 中含有大量超細(xì)粉摻合料,因此加料順序很重要;攪拌時(shí)間要適當(dāng)延長(zhǎng);更為重要的是要嚴(yán)格控制加水量。SCC 澆筑時(shí)應(yīng)注意模板的側(cè)壓力問題。若泵送澆筑SCC ,為減少截留空氣,應(yīng)從模板底部開始進(jìn)行澆筑。泵送時(shí)采用幾個(gè)軟管輸出口同時(shí)操作,以便減少澆筑時(shí)間避免混凝土凝固。普通混凝土澆筑層間的冷接縫可通過振搗消除,SCC則不能,因此,澆筑過程要連續(xù)進(jìn)行,盡量避免中斷防止冷接縫。SCC 由于粉體系數(shù)大,砂率高,缺乏更多的抵抗收縮的粗集料組分,施工澆注后很容易產(chǎn)生塑性收縮。若得不到及時(shí)有效的養(yǎng)護(hù),混凝土固化后還極易產(chǎn)生干燥收縮以致開裂。免振自密實(shí)混凝土工程事故之一就是由于養(yǎng)護(hù)不當(dāng)造成的開裂。
6 自密實(shí)混凝土發(fā)展前景展望
SCC 具有許多振動(dòng)密實(shí)混凝土所不具備的優(yōu)點(diǎn),有良好的發(fā)展前景。但目前仍需要進(jìn)行深入的研究敏感性問題?；炷恋乃苄孕阅軙?huì)受到原材料質(zhì)量、配料準(zhǔn)確性、攪拌運(yùn)輸設(shè)備等波動(dòng)因素的影響而大幅度變化,這是一個(gè)重要的課題。
經(jīng)濟(jì)性問題。探求更為優(yōu)異的超細(xì)粉摻合材料,挖掘SCC 的經(jīng)濟(jì)性潛力。工程實(shí)用性問題。制訂自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程和統(tǒng)一的工作性檢測(cè)方法。
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