國(guó)內(nèi)外自密實(shí)高性能混凝土研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

  摘要：自密實(shí)混凝土即拌合物具有很高的流動(dòng)性而不離析、不泌水， 能不經(jīng)振搗或少振搗而自動(dòng)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(zhì)量?？赏ㄟ^配合比調(diào)整其物理、力學(xué)性能。對(duì)原材料、配合比敏感， 對(duì)施工要求嚴(yán)格。由于歷史短， 尚有若干問題需進(jìn)一步研究。

  關(guān)鍵詞：混凝土 自密實(shí)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(xué)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(guó)泰克薩斯大學(xué)講學(xué)中， 村稱該混凝土為自密實(shí)高性能混凝土( 以下簡(jiǎn)稱自密實(shí)混凝土self compacting concr ete) 。之所以稱為高性能， 是因?yàn)榫哂泻芨叩氖┕ば阅埽?能保證混凝土在不利的澆筑條件下也能密實(shí)成型， 同時(shí)因使用大量礦物細(xì)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(shí)混凝土即拌合物具有很高的流動(dòng)性而不離析、不泌水， 能不經(jīng)振搗或少振搗而自動(dòng)流平并充滿模型和包裹鋼筋的混凝土。自密實(shí)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(xiàn)因振搗不足而造成的空洞、蜂窩、麻面等質(zhì)量缺陷。強(qiáng)度等級(jí)越高， 比常態(tài)混凝土費(fèi)用越低。自密實(shí)混凝土配制的關(guān)鍵是滿足良好的流變性能要求。自密實(shí)混凝土屬于高流動(dòng)性混凝土的一部分。

  1 國(guó)內(nèi)外自密實(shí)混凝土的應(yīng)用概況

至1994 年底， 日本已有28 個(gè)建筑公司掌握了自密實(shí)混凝土的技術(shù)。從日本1992～1993 年各學(xué)會(huì)、技術(shù)刊物等發(fā)表的自密實(shí)的高性能混凝土在土木工程中應(yīng)用實(shí)例來看， 自密實(shí)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(yīng)用， 如美國(guó)西雅圖65層的雙聯(lián)廣場(chǎng)鋼管混凝土柱， 28d 抗壓強(qiáng)度115MPa?；炷翉牡讓又饘颖盟停?無振搗。在美國(guó)為了保證混凝土的澆筑質(zhì)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)中， 也使用高坍落度而能自流平的混凝土， 但強(qiáng)調(diào)仍需要適當(dāng)?shù)恼駬v以確?；炷恋淖銐蛎軐?shí)。近年來由于在日本不斷有采用自密實(shí)混凝土成功的工程實(shí)例，美國(guó)也開始注意該項(xiàng)技術(shù)。在我國(guó)北京、深圳、濟(jì)南等城市也開始使用自密實(shí)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(fù)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(shí)混凝土的性能

  2. 1 自密實(shí)混凝土拌合物的性質(zhì)

  自密實(shí)混凝土的拌合物除高流動(dòng)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(guó)外大多用拌合物的坍落流動(dòng)度， 即坍落后拌合物鋪展的直徑， 作為高流動(dòng)性混凝土流變性能的量度。日本報(bào)道， 坍落流動(dòng)度一般為50 ～ 70mm。超過70mm 時(shí)， 拌合物易產(chǎn)生離析; 不到50mm 時(shí)， 則可能發(fā)生充填障礙。拌合物抗離析性可用坍落流動(dòng)速率來評(píng)定。坍落流動(dòng)速率用拌合物坍落后鋪展到直徑為50cm 的時(shí)間除以流動(dòng)距離15cm 的值表示。坍落流動(dòng)速率快時(shí)， 流動(dòng)性好， 但過快時(shí)容易產(chǎn)生離析。也有人在一種L形流動(dòng)性測(cè)定裝置的轉(zhuǎn)角處裝置傳感器測(cè)定拌合物流動(dòng)初始的速率， 來判斷拌合物的抗離析性。對(duì)于泌水量， 按日本標(biāo)準(zhǔn)JASS A1123 的方法檢測(cè)時(shí)， JASS 5 規(guī)定對(duì)普通混凝土要求< 0. 5cm³/ cm²， 而對(duì)高耐久性的混凝土則要求< 0. 3cm³/cm²?？闺x析性直接影響混凝土拌合物澆筑后的均勻性。必要時(shí)可檢測(cè)水平流動(dòng)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(zhì)性的評(píng)定。國(guó)內(nèi)不同單位或部門參考國(guó)外已有檢測(cè)方法， 結(jié)合自己的實(shí)驗(yàn)， 創(chuàng)造了各具特色的評(píng)價(jià)方法， 有待于規(guī)范化。

  一般， 自密實(shí)混凝土的凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)， 可達(dá)10h 左右， 尤其是在冷天施工時(shí)。但初、終凝時(shí)間間隔短， 一旦凝結(jié)， 強(qiáng)度很快就會(huì)增長(zhǎng); 如果使用低濃度的高效減水劑， 由于NaSO₄含量較高， 會(huì)使混凝土凝結(jié)時(shí)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(zhì)

  ( 1) 強(qiáng)度 自密實(shí)混凝土屬于高性能混凝土， 可有很寬的強(qiáng)度范圍， 即從C25 到C60 以上。我國(guó)目前大量使用的是C30～C40。為了保證及時(shí)拆模， 成型后在標(biāo)準(zhǔn)條件下24h 抗壓強(qiáng)度應(yīng)≥5MPa。在施工計(jì)劃允許、著重長(zhǎng)期強(qiáng)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(shí)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(jù)JIS的方法試驗(yàn)， 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d 時(shí)， 降低值小于10%。根據(jù)北京二建的測(cè)試， 因采用低水膠比， 盡管有所降低， 仍能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。適當(dāng)提高配制強(qiáng)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(shí)混凝土的干燥收縮會(huì)大些， 容易產(chǎn)生有害裂縫?？筛鶕?jù)結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件尺寸、施工條件、工程性質(zhì)等的不同， 確定不同的目標(biāo)。據(jù)日本的資料， 標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)7d 的試件在20± 2℃、相對(duì)濕度60± 5%的條件下6個(gè)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(guān)系。摻入礦物細(xì)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(dá)到相近的碳化速率。混凝土摻用大量混合材料后，堿度大大降低，會(huì)加速碳化而不利于對(duì)鋼筋的保護(hù)，但自密實(shí)混凝土因水膠比很低，混凝土密實(shí)度高，抵抗碳化的能力強(qiáng)。單純從材料來說， 可以不懷疑其對(duì)鋼筋保護(hù)的作用。實(shí)際上，對(duì)不同的構(gòu)件應(yīng)作不同的考慮: 對(duì)主要受壓的構(gòu)件， 如基礎(chǔ)、墩柱以及長(zhǎng)期處于水下的結(jié)構(gòu)，可不考慮碳化問題; 對(duì)受彎構(gòu)件，如梁、板，則因在荷載作用下產(chǎn)生裂縫是不可避免的，設(shè)計(jì)時(shí)允許受力后受拉區(qū)產(chǎn)生寬度不大于0. 2mm( 對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土是0. 1mm) 的裂縫，則碳化問題就應(yīng)考慮。在此情況下，抗碳化的性能和細(xì)摻料的品種、摻量有關(guān)。例如摻粉煤灰30%而水膠比為0.35 時(shí)，碳化速率約與普通混凝土水灰比為0. 5 時(shí)相當(dāng)；同樣效果的礦渣摻量可達(dá)70%；水膠比為0. 4、礦渣摻量達(dá)50%時(shí)， 碳化速率同普通混凝土的相差無幾。

  因此，對(duì)用于不同部位的自密實(shí)混凝土，可通過配合比的調(diào)整來保證其抗碳化的性能。有些礦物細(xì)摻料中往往含有一定量的堿， 對(duì)保持混凝土中的pH 值是否起作用，需要通過試驗(yàn)來證明。對(duì)自密實(shí)混凝土的抗碳化性也需要和構(gòu)件的裂縫情況結(jié)合起來進(jìn)行試驗(yàn)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(jīng)凍融循環(huán)作用后， 動(dòng)彈性模量必須保持80%以上， 循環(huán)次數(shù)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(xì)摻料， 自密實(shí)混凝土有很好的抗化學(xué)侵蝕和抗堿骨料反應(yīng)的能力。礦物細(xì)摻料抗堿骨料反應(yīng)的有效摻量粉煤灰為30%， 礦渣是40%。

  3 自密實(shí)混凝土的原材料和配合比

  3. 1 自密實(shí)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(shí)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)號(hào)應(yīng)不低于425 號(hào)， 具有較低的需水性， 還應(yīng)考慮與所有高效減水劑的相容性。摻用礦物細(xì)摻料的目的是調(diào)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(xì)摻料應(yīng)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(xì)摻料的復(fù)合效應(yīng)。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(dāng)比例同時(shí)摻用粉煤灰和礦渣， 則可取長(zhǎng)補(bǔ)短。由于采用低水灰比， 強(qiáng)度要求較低時(shí)， 可再摻用適量填充性細(xì)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(dòng)性混凝土普遍采用水泥、礦渣、粉煤灰三組份膠凝材料， 有時(shí)加上石粉， 成為四組份。據(jù)日本資料， 從活性來說， 磨細(xì)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(jí)配對(duì)自密實(shí)混凝土拌合物的施工性， 尤其是對(duì)拌合物的間隙通過性影響很大。和泉意登志報(bào)道， 用密實(shí)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(shí)體積率為67%的日本鬼怒川卵石時(shí)的一半， 因此粗骨料的密實(shí)體積率大的好。粗骨料的最大粒徑， 當(dāng)使用卵石時(shí)為25mm， 使用碎石時(shí)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(yīng)嚴(yán)格控制砂中粉細(xì)顆粒的含量和石子的含泥量。同時(shí)要保證0. 63mm 篩的累計(jì)篩余大于70%， 0. 315mm篩的累計(jì)篩余為90%左右， 而0. 15mm 篩的累計(jì)篩余>98%。

  ( 3) 外加劑 即使設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)不高， 也要用高效減水劑。日本杉本貢報(bào)道， 對(duì)高流動(dòng)混凝土外加劑性能的要求為:有優(yōu)質(zhì)的流化性能， 保持拌合物流動(dòng)性的性能、合適的凝結(jié)時(shí)間與泌水率、良好的泵送性; 對(duì)硬化混凝土力學(xué)性質(zhì)、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(shí)， 由于自密實(shí)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(shí)， 對(duì)混凝土的強(qiáng)度有些影響。北京建工集團(tuán)二建公司使用兩種不同原料來源的萘系高效減水劑復(fù)合使用， 對(duì)自密實(shí)混凝土的抗離析性有顯著效果。

  3. 2 自密實(shí)混凝土的配合比

   自密實(shí)混凝土的配合比應(yīng)滿足拌合物高施工性能的要求， 因此， 與相同強(qiáng)度等級(jí)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(dá)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(xì)摻料， 細(xì)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(shí)混凝土配合比的確定是以上各參數(shù)和混凝土強(qiáng)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(zhì)間矛盾的統(tǒng)一。例如流動(dòng)性和抗離析性要求粗骨料用量小， 但粗骨料用量小時(shí)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(qiáng)度而不利于彈性模量; 水膠比大， 有利于流動(dòng)性， 而不利于強(qiáng)度和耐久性等等。因此與普通混凝土配合比設(shè)計(jì)不同的是，根據(jù)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(gè)層次的體系考慮自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)。石子最大粒徑為20mm，使用中熱水泥和增稠劑。北京建工集團(tuán)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(shè)計(jì)， 如圖1 所示。

以上步驟均采用絕對(duì)體積方法計(jì)算。由此可見， 自密實(shí)混凝土的漿骨比變化的范圍是很小的。混凝土的性質(zhì)主要受水泥漿濃度和性質(zhì)的支配。自密實(shí)混凝土配合比的實(shí)例如表1所示。

  4 自密實(shí)混凝土施工的特點(diǎn)

  自密實(shí)混凝土的質(zhì)量對(duì)原材料的變動(dòng)很敏感，制作和施工中各環(huán)節(jié)的控制要求嚴(yán)格，因此對(duì)操作工人的要求低了，而對(duì)技術(shù)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(qiáng)制式攪拌機(jī)，攪拌時(shí)間比普通混凝土的長(zhǎng)1～2 倍，60～180min 甚至更長(zhǎng)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(zhì)，而且在泵送出管后流動(dòng)性進(jìn)一步增大，會(huì)產(chǎn)生離析現(xiàn)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(shí)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(xiàn)中給出的泵管移動(dòng)順序，如圖2 所示。

  用吊斗澆筑時(shí)產(chǎn)生離析的可能性大，對(duì)配合比要求更嚴(yán)格，難度較大。在必須用吊斗澆筑時(shí)，應(yīng)使出料口和模板入口的距離盡量小，必要時(shí)可加串筒。

  柱子和墻澆筑前要嚴(yán)格檢查鋼筋間距及鋼筋與模板間的距離，最好準(zhǔn)備一根長(zhǎng)釬，以便必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟鍝v，排除可能截留的空氣。

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

  5 自密實(shí)混凝土應(yīng)用展望及需進(jìn)一步研究的問題

  (1) 自密實(shí)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(dòng)強(qiáng)度，并可避免由于可能振搗不足而引起混凝土的嚴(yán)重質(zhì)量事故; 低水膠比、低溫升和大量礦物細(xì)摻料，可保證混凝土的耐久性。但與相同強(qiáng)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(dāng)提高配制強(qiáng)度、摻用膨脹組分或纖維和收縮小的細(xì)摻料( 如優(yōu)質(zhì)粉煤灰) 等措施來解決。但因摻用大量細(xì)摻料，混凝土堿度較低，宜用于主要受壓的構(gòu)件，特別適用于較大體積的基礎(chǔ)底板和樁。用于受彎構(gòu)件時(shí)，在目前尚無構(gòu)件試驗(yàn)的情況下，細(xì)摻料摻量以不超過30%為宜。為此需要系統(tǒng)研究用自密實(shí)混凝土的主要受彎構(gòu)件在荷載作用下的裂縫和混凝土性質(zhì)的關(guān)系、碳化及其對(duì)鋼筋繡蝕的影響。

  (2) 目前尚未查到自密實(shí)混凝土用于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土的報(bào)道,需要進(jìn)行有針對(duì)性的系統(tǒng)研究。

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

  (4) 對(duì)都可達(dá)到自密實(shí)的高流動(dòng)性混凝土并不是所有文獻(xiàn)上都稱之為“自密實(shí)”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(guó)西雅圖雙聯(lián)廣場(chǎng)鋼管柱混凝土也是不振搗的，但都沒有稱做“自密實(shí)或“免振”等，因?yàn)樵凇皳頂D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(shí)”，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(huì)引起質(zhì)量問題。

  ( 5) 自密實(shí)混凝土由于質(zhì)量對(duì)原材料和配合比很敏感，要求嚴(yán)格的施工管理制度。實(shí)踐表明，進(jìn)行過自密實(shí)混凝土施工后，可有力地推動(dòng)施工管理水平的提高，但在管理水平低、缺少技術(shù)人員的工程中不宜采用。

  參考文獻(xiàn)( 略)