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干拌自密实混凝土基本力学性能试验研究 摘要 干拌自密实混凝土是免振捣自密实混凝土的基础上发展的一种新型混凝 土，它是以水泥作为基料，以高强度材料作为粗、细骨料，辅以高流态、微膨 胀、抗离析等掺和料配制而成的一种具有较好抗裂性能的新型复合材料。本文 较为系统地研究了干拌自密实混凝土的工作性能和基本力学性能，并对按照现行规范 g b 5 0 0 1 0 设计的干拌自密实混凝土梁的安全性进行了评价。论文的主要工作包括以下 几个方面： ( 1 ) 按照自密实混凝土设计与施工指南( c c e s 0 2 2 0 0 4 ) 测试了干拌自密实混 凝土工作性能。试验结果表明，加水量为1 3 的干拌自密实混凝土拌和物工 作性能较好。 ( 2 )通过3 3 0 块立方体试块试验，研究了干拌自密实混凝土加水量分别为1 2 、 1 3 和1 4 - - 个系列混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度特征。重点分析了加 水量及粗骨料含量对混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度的影响、干拌自密实 混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度随龄期的发展规律、干拌自密实混凝土 的抗压强度与其表观密度的关系。研究结果表明，当粗骨料含量在3 0 以内 时，干拌自密实混凝土的抗压强度随粗骨料含量的增加而增大；加水量也 是影响干拌自密实混凝土抗压强度的主要因素；干拌自密实混凝土的早期 强度发展较快，具有早强性能。 ( 3 )研究了加水量分别为1 2 、1 3 和1 4 三个系列的混凝土的应力一应变关系， 分析了不同加水量、不同粗骨料含量的混凝土的轴心抗压强度、应力一应交 曲线、弹性模量、横向变形系数和峰值应变。结果表明，加水量对干拌自 密实混凝土的应力一应变曲线有较大影响；不同粗骨料含量对其有一 定影响；但不同加水量、不同粗骨料含量的混凝土应力一应变曲线的 形状较为类似；干拌自密实混凝土的弹性模量低于普通混凝土；干拌 白密实混凝土的轴心抗压强度与立方体抗压强度之比明显高于普通 混凝士。 ( 4 )为了考察普通混凝土各种基本力学性能指标之间的换算关系式对于 干拌自密实混凝土的适用性，基于作者和其他研究者的试验结果对干 拌自密实混凝土进行了统计分析。研究结果表明，普通混凝土的抗压 强度、劈裂抗拉强度、弹性模量之间的换算关系不适用于干拌自密实 混凝土。基于试验数据的回归分析，建议了新的干拌自密实混凝土各 种力学指标问的换算关系式。 ( 5 )基于假设的抗压强度分布参数，对按照现行规范g b 5 0 0 1 0 设计的干拌自 密实混凝土梁的安全性进行了评价，并提出了干拌自密实混凝土梁可靠性 设计的一些建议。 本文的研究工作为干拌自密实混凝土的进一步研究和推广应用提供了基础。 关键词；干拌自密实混凝土；工作性能；力学性能；统计分析；安全性 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f d r y - m i x i n gs e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t e a b s t r a c t d r y - m i x i n gs e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t e ( d s c c ) i sak i n do f n e wc o n c r e t ew h i c h b a s e do nf r e e - v i b r a t i o n 。i tw a sp r e p a r e dw i t ht h ec e m e n t ，t h ee o a l s ea g g r e g a t ea n ds a n d o fl l i g hs t r e n g t ha n ds o m ec e m e n tr e p l a c e m e n tm a t e r i a l s ( c r m ) t h a tw a sw e l l - p e r f o r m i n g c o n c r e t ew i t ht h eg o o dp e r f o r m a n c eo ff l u i d i t y ，a n t i s e g r e g a t i o n , t i n yi n f l a t i o na n dh a dt h e b e t t e rc r a c kr e s i s t a n c e i nt h i sp a p e r , a ne x t e n s i v ei n v e s t i g a t i o nw a sc o n d u c t e dt oe v a l u a t e t h ew o r k i n g - p e r f o r m a n c ea n dt h em e c h a n i c a lb e h a v i o rd s c c t h es a f e t yo fd s c c b e a m sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tv a l i dc o d eg b s 0 0 1 0 t h ef o l l o w i n gr e s e a r c h w o r kw a sc a r r i e do u t ： ( 1 ) t h ev a r i o u sw o r k i n g - p e r f o r m a n c e so fd s c cw e r ei n v e s t i g a t e da c c o r d i n gt o g u i d et od e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fs e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t e ( c c e s 0 2 2 0 0 4 ) t h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed s c co f w a t e rr a t e s1 3 h a dt h eb e t t e rt h ew o r k i n g p e r f o r m a n c e ( 2 ) t h ec u b i c a lc o m p r e s s i v es t r e n g t ha n ds p l i t t i n gs t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c so f d s c cw i t h t h ec o n c r e t ew a sp r e p a r e dw i t hw a t e rr a t e so f1 2 1 3 a n d1 4 、 咣 i n v e s t i g a t e dt h r o u g ha s e r i e so fe x p e r i m e n t a lw o r kw i t h3 3 0c u b e s ，m a i l l l yc o v e r e d t h e e f f e c to fv a r y i n gw a t e rr a t e s ，t h ee f f e c to fc o a r 辩a g g r e g a t er a t i o s ，t h e c o m p r e s s i v es t r e n g t ha n ds p l i t t i n gm e n 西hd e v e l o p m e n tw i t ha g ea n dt h ea g ef a c t o r ， t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dd e n s i t y i ti ss h o w nf r o mt h et e s t r e s u l t st h a tt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fd s c cg e n e r a l l yi n c r e a s e so fw i t hi n c r e a s e o fc o a r s ea g g r e g a t er a t i ow h e nc o a r s ea g g r e g a t er a t i oi sl e s st h a n3 0 t h ea d d e d w a t e rr a t i oh a sac o n s i d e r a b l ei n f l u e n c eo nt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fd s c c i ti s c o n c l u d e dt h a tg r o w t ho fe a r l i e rp e r i o ds t r e n g t ho fd s c ci sm o r eq u i c k l y , w h i c hh a s e a r l ys t r e n g t hp e r f o r m a n c e ( 3 ) t h es t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i po fd s c cw i t hw a t e rr a t e so f1 2 ，1 3 ，1 4 w a s s t u d i e de x p e r i m e n t a l l y t h ea x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t h , s t r e s s - s t r a i nc u r v e ， m o d u l u so fe l a s t i c i t y ，p o i s s o n sr a t i oa n dp e a ks t r a i nw e r ee v a l u a t e di nd e t a i la n da n a p p r o x i m a t es 舡e s s m a i nr e l a t i o nw a sp r o p o s e db a s e do nt h er e g r e s s i o na n a l y s e s i ti s f o u n dt h a tt h ee l a s t i cm o d u l u so f d s c ci sh i g h e rw h i l el c | f 。i sl o w e rt h a nt h a to f n o r m a lc o n c r e t e ( 4 ) w i t hr e g a r dt ot h eh a r d e n e dp r o p e r t i e so fd s c c ，t h ea i mw a st od e t e r m i n e w h e t h e rt h ec o m m o n l yu s e de q u a t i o n sf o rr e l a t i n gt h ep r o p e r t i e so fn o r m a l c o n c r e t e ，e s p e c i a l l yt h e r e l a t i o n sb e t w e e nc o m p r e s s i v e s t r e n g t h ，s p l i t t i n g t e n s i l es t r e n 【g t h ，f l e x u r a l s t r e n g t ha n dm o d u l u so fe l a s t i c i t y ，a r ev a l i df o r d s c c i ti sf o u n dt h a tt h e i n t e r r e l a t i o n s h i p s b e t w e e nt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fd s c ca r ed i f f e r e n tf r o mt h o s eo fn o r m a lc o n c r e t e t h e r e f o r e ， s o m ea l t e r n a t i v ew e r ep r o p o s e df o rt h ep r e d i c t i o no ft h ep r o p e r t i e so fd s c c b a s e do nt h es t a t i s t i c a lr e g r e s s i o na n a l y s i s ( 5 ) b a s e do nt h eh y p o t h e s i z e dd i s t r i b u t i o np a r a m e t e r sf o rt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t h ， t h es a f e t yo fr e i n f o r c e dd r y m i x i n gs e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t eb e a m sd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tv a l i dc o d eg b 5 0 0 1 0 w e r ea s s e s s e d ，m o r e o v e r ，s o m e r e c o m m e n d a t i o n sf o rr e l i a b i l i t yd e s i g no fd s c ce l e m e n t sa r ep u tf o r w a r d t h i sm a ys e r v e8 su s e f u lb a c k g r o u n dt of u r t h e rr e s e a r c ho nt h ep o s s i b i l i t i e so f d r y m i x i n gs e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t e k e y w o r d ：d r y m i x i n gs e l f - c o m p a c t i n g c o n c r e t e ； w o r k i n g - p e r f o r m a n c e ； m e c h a n i c a lb e h a v i o r ；s t a t i s t i c a la n a l y s i s ；s a f e t y 插图清单 图2 1间隙通过性试验1 6 图2 2 坍落扩展度( 加水量1 3 ) 1 6 图2 3 坍落扩展度( 加水量1 2 ) 1 6 图2 - 4 坍落扩展度测定1 7 图2 5t 5 0 0 时间与骨料含量关系1 8 图2 - 6 坍落扩展度与骨料含量关系1 8 图2 7 坍落扩展度与加水量关系1 9 图2 8t 5 0 0 时间与加水量关系1 9 图3 - 1 干拌自密实混凝土专用搅拌机2 2 图3 2 混凝土抗压强度试验设备2 3 图3 3 劈裂抗拉夹具2 3 图3 - 4 试块“麻面”现象2 4 图3 5 试块内部的分层现象2 4 图3 - 6 试块受压破坏形态2 4 图3 7 试块劈裂破坏形态2 5 图3 墙抗压强度随加水量的变化2 6 图3 - 9 劈裂强度随加水量的变化2 7 图3 1 0 抗压强度随粗骨料含量的变化2 7 图3 - 1 l 劈裂强度随粗骨料含量的变化2 8 图3 - 1 2 应力一应变曲线试验设备3 0 图3 1 3 干拌自密实混凝土加载图3 0 图3 1 4 干拌自密实混凝土的典型破坏形态3 l 图3 - 1 5 干拌自密实混凝土的应力应变曲线3 2 图3 一1 6 弹性模量测量图3 4 图3 1 7 干拌自密实混凝土的弹性模量3 5 图3 1 8 弹性模量计算值与试验结果对比3 6 图3 1 9 干拌自密实混凝土的峰值应变3 7 图3 2 0 峰值应变计算值与试验结果对比3 8 图3 2 1 归一化应力一应变曲线3 9 图3 2 22 5 租骨料含量的归一化应力应交曲线3 9 图3 2 3 计算值与试验值的对比( 加水量1 2 ) 4 0 图3 2 4 计算值与试验值的对比( 加水量1 4 ) 4 0 图3 2 5 计算值与试验值的对比( 加水量1 3 ) 4 l 图3 2 6 横向变形系数4 l 图4 - 1表观密度与抗压强度的回归关系4 4 4 - 2 劈裂抗拉强度试验结果与式( 4 3 ) 计算结果对比4 5 4 3 劈裂抗拉强度试验结果与式( 4 5 ) 计算结果对比4 6 4 - 4 弹性模量试验结果与式( 4 7 ) 、( 4 8 ) 计算结果的对比4 7 4 5 弹性模量试验结果与式( 4 1 0 ) 计算结果的对比4 7 4 6 式( 4 1 4 a ) 、( 4 1 4 b ) 计算值与试验结果的对比4 9 4 7 式( 4 1 6 ) 计算值与试验结果的对比4 9 4 8 横向变性系数与轴压强度归一化关系5 l 4 9 抗压强度随龄期的变化曲线5 3 4 一l o 劈裂强度随龄期的变化曲线5 3 5 1普通混凝土的抗力及荷载效应6 2 5 - 2 荷载类型对普通混凝土梁可靠度指标的影响6 3 5 3抗压强度( 均值相同) 的分布曲线及其对梁可靠度指标的影响6 4 5 4 抗压强度( 标准值相同) 的分布曲线及其对梁可靠度指标的影响6 5 图图图图图图图图图图图图图 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得盒胆王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 论文作者签名：漫伤而 签字日期：勿午珍月8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒匿王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权金 罡王些盔堂可以将学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩影 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) ， 一 ， 学位论文作者签名：涩伤磊导师签名：彳砀刎坼 签字日期；加叼年z 月矿e l签字日期卿年，2 - 月彤e l 学位论文作者毕业后去向 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 电话：d 6 7 f 奶7 通讯地址： 邮编： 致谢 行文至此，已近闻声。高兴和欣慰之余，又不禁感慨万千。回味近三年的 硕士生活，万般滋味。感到欣慰的是这两年多的学习和生活不仅换来学业上的 收获，更重要的是锻炼了自己各方面的能力，这对于我的意义远远超过付梓这 本硕士论文。 无以回报的是导师何沛祥老师自始至终的论文的悉心指导。两年多来，我 有幸成为先生的弟子，这是我们师生的缘分。先生渊深广博的学识，严谨求实 的治学态度，平易近人的处事方式，都是我学习的楷模。先生的教诲令我终身 受益。在此向先生致以最诚挚的谢意! 感谢南京工业大学工程检测鉴定与加固中心李延和教授级高工和李树林高 工在研究工作中给予的悉心指导和帮助。两位先生知识渊博，诲人不倦，感激 之情，溢于言表。感谢我的实验合作者东南大学吴元博士研究生，在南京的生 活和学习过程中得到了吴博士的很多帮助。 感谢亲爱的父母和姐姐，你们是我永远的避风港湾。回顾求学生涯，白驹 跃涧，以近二十载，此间完全得益于你们无私的支持。正是在你们的支持下， 才有我今天的学有所成。衷心感谢你们，我永远爱你们。 在本人攻读硕士学位期间，曾得到南京工业大学建筑工程综合实验室缪汉 良主任、杨放高工、朱泓老师以及江苏建华建设有限公司王先沛所长等在学习 和科研中的帮助，一并表示感谢。 感谢师兄姜晓海，同学张方胜、任学军、严辉均，室友周亚峰、张晶谨等 在学习和生活中给予的帮助。 最后衷心感谢所以论文评审和答辩委员会的专家们的不辞辛劳和真诚指 正! 汪秀石 2 0 0 7 年1 1 月2 0 日 第一章概述 自1 8 2 4 年阿斯普丁( j a s p d i n ) 发明硅酸盐水泥以来，配制混凝土的胶凝材 料己发生了质的变化。此后，混凝土材料的应用范围日益扩大。混凝土材料的 性能可以分为施工性能、物理力学性能、耐久性能等。根据不同的性能，可以 对混凝土材料进行相应的分类。 自密实混凝土是基于混凝土的施工性能来分类和命名的，自密实混凝土是 一种流动性大、不经振捣即可自行密实的混凝土，其某些性能类似于大流动性 混凝土和泵送混凝土，但又不完全相同。 在自密实混凝土出现之前，曾经使用过一种通过增加水泥用量和用水量而 使坍落度达到约2 0 a n 左右的大流动性混凝土，但是大流动性混凝土的收缩裂缝 较多，抗渗性、耐久性较差，钢筋也易于锈蚀，很快便被淘汰了。用混凝土泵 沿管道输送和浇筑的混凝土，称之为泵送混凝土。泵送混凝土一般只要求1 0 m 以上的坍落度，但它要求混凝土具有较好的粘塑性和泌水性，不易分离。自密 实混凝土一方面要求在不增加水泥用量和用水量的前提下具有大流动性混凝土 的施工性能，便于泵送混凝土成型时免于振捣，另一方面又要求得到泵送混凝 土的质量，保证浇筑时不离析，硬化后不开裂，而且耐久性又好，所以它是一 种新型的混凝土材料。 在混凝土的发展史上，曾出现过三次飞跃，一是钢筋混凝土的普及，二是 预应力混凝土的推广，三是外加剂的应用，大大增加了混凝土材料的生命力。 美国2 0 0 0 年混凝上委员会对混凝土材料提出的希望是：新型混凝土应是不开裂、 耐化学腐蚀、耐高温、高抗渗、高抗拉强度、高拉压比、在负温下硬化，尤其 是在施工性能上能达到自密实、可调凝的目的。 1 8 0 年来，由于施工工艺的需要，混凝土技术的发展经历了从塑性混凝土到 于硬性混凝土、现在又回到塑性及自密实混凝土的一系列变革。 在水泥混凝土技术发展的初期，采用干硬性混凝土建造大体积的建筑物， 用人工捣实方法使混凝土密实。当采用钢筋混凝土以后，由于构件断面小、钢 筋密，当时又缺乏捣实机械，所以就采用塑性、易成型的混凝土，这样的混凝 土强度和耐久性都不够稳定。后来，随着振动捣实机械的使用，干硬性混凝土 得到了很大的发展，这比手工振捣的塑性混凝土能节约水泥，提高强度和耐久 性，但施工时能耗大、劳保条件差、工效低，不能适应建设工程迅速发展的需 要。因此，随着外加剂的兴起，干硬性混凝土在现浇混凝土工程中的应用日益 减少，采用外加剂的塑性混凝土重新得到了普遍推广”。 近年来，高效减水剂的出现使配制自密实混凝土成为了可能，自密实混凝 土已成为混凝上技术的一个最新发展方向。自从8 0 年代后期问世以来引起了世 人的注目，它简化了施工工序，降低了作业强度，节省了动力和劳力，实现了 混凝土浇筑的省力化，消除了振捣噪声污染，改善了作业环境，缓解了施工扰 民问题，提高了混凝土施工速度和质量。它给解决或改善密集配筋、薄壁、复 杂形体、大体积混凝土施工，以及加固改造施工带来了极大的方便。 1 1 自密实混凝土的研究与应用 1 1 1 自密实混凝土的概念 自密实混凝土( s e l fc o m p a c t i n gc o n c r e t e ，简称s c c ) 也叫自流平混凝土， 是在低水胶比下具有很高的流动性而不离析、不泌水，能不经振捣靠自重流平 并充满模板和包裹钢筋的新型混凝土。并兼有良好的力学性能和耐久性能，且 能解决传统混凝土施工中的漏振、过振以及钢筋密集难以振捣等问题，可保证 钢筋、预埋件、预应力孔道的位置不因振捣而移位，并能大量利用工业废料做 掺合料以提高耐久性。自密实成型的基本原理是通过复合型外加剂、优质掺合 料、粗细骨料的选择、搭配及精心的配合比设计使混凝土拌合物的屈服应力减 小到适宜范围，同时又具有足够的塑性粘度，使骨料悬浮于水泥浆中，混凝土 拌合物既具有高流动性又不出现离析泌水，能在自重下自由流淌填充模板内空 隙并形成均匀密实的结构。这种混凝土用于难以浇筑甚至无法浇筑的结构部位， 可避免出现振捣不足而造成的空洞、蜂窝、麻面等质量缺陷，同时节省动力和 劳力、加快工程进度，并解决噪音扰民等问题，具有显著的技术、经济和社会 效益”。 新拌混凝土可以描述为一粒子悬浮体，其连续介质是水泥浆体，也就是液相。 在所有的粒子悬浮体中，流动性与粒子离析间的平衡是必须的。新拌的免振 捣自密实混凝土作为粒子悬浮体，必须具有良好的稳定性和流动性才能充分填 实混凝土模板中的空隙，并在不需要任何外部能量的作用下达到密实固化。为 达到在浇筑钢筋混凝土结构时所需的此种行为，免振捣自密实混凝土必须具备 以下三个特性“1 ： 1 i 1 i 高流动性 流动性是表征自密实混凝土工作性能的重要性能指标之一，它指分散体系 中克服内阻力而产生变形的性能。屈服应力是阻碍浆体进行塑性流动的最大剪 切应力，在新拌混凝土的分散体系中，剪切应力主要由以下几个方面组成：粗集 料与砂浆相对流动产生的剪应力：粗集料由于自身重力作用而产生的剪应力以 及粗集料间相对移动所产生的剪应力等。混凝土屈服应力既是混凝土开始流动 的前提，又是混凝土不离析的重要条件。粘度系数是指分散体系进行塑性流动 时应力与剪切速率的比值，它反映了流体与平流层之间产生的与流动方向相反 的粘滞阻力的大小，其大小支配了拌和物的流动能力。因此，剪应力支配了拌 和物流动性的大小，而剪应力的大小取决于分散体系中固、液相比率，即水灰 比的大小。同时，活性掺合料的掺入可以减小浆体的剪切应力，增大流动性。 掺加细度小、级配好的粉煤灰或矿渣是配制自密实混凝土的重要措施之一。 1 1 i 2 抗离析性 2 自密实混凝土拌和物需要高的流动性而不离析。在自密实混凝土配合比设 计中，如何调整用水量与超塑化剂用量，使流动性和抗分散性达到平衡是关键。 一般自密实混凝土的配制应结合工程实际所需的性能，确定混凝土流动性和抗 分散性之间的平衡关系，以选择适当的水灰比与超塑化剂掺量。 1 1 1 3 间隙通过性 当混凝土拌和物流动通过钢筋间隙时，粗集料的相互作用引起其相对位置 的改变，正是这相对位移不仅引起浆体中粗集料之间的压应力，而且引起剪应 力，剪应力的增大使混凝土拌和物流发生塞流，无法通过钢筋间隙。因此，自 密实混凝上配合比设计中，粗集料的体积含量是控制新拌混凝土可塑性的一个 重要因素。试验表明，在一定截面发生堵塞主要是由于骨料间的相互接触引起， 当粗集料超过一定含量时，无论浆体是否有适宜粘度，均会发生堵塞。 要使混凝土拌和物自流平、自填充密实，拌和物中砂浆不仅要有适宜的粘 度携带粗集料一起运动，同时必须有足够的流动性自行填充粗集料的空隙之间。 在自密实混凝上配制中，适当的增大砂率，可以减少颗粒之间的接触、抑制堵 塞，同时拌和物的密实性增大。因此，调节砂率的大小，可增大混凝土的自密 实性能。 为获得高流动性，首先需要减小颗粒的摩擦阻力。要达到此目的，掺入超 塑化剂以减小颗粒的表面张力十分重要，并且需掺入超细物料和矿物成分。 为了使混凝土具有稳定性一一不离析，其液相必须具有适当的流变性，即 不产生泌水又防止颗粒的离析。要达到此目的，需掺入适量的颗粒尺寸小于0 2 5 m m 的细填料，有时还需掺入粘度改性剂( 增粘剂) 。 为使混凝土能流畅地通过钢筋和模板中的任何间隙而不产生阻塞，需根据 结构的设计选定合适的集料粒径和形貌。同时，液相的体积含量和流变性质也 是重要的参数，其流变性质按照流变学的宾汉姆模型用粘度计来评定，要求其 流变性质应具有低的屈服应力和适当的塑性粘度。 从流变学的观点来考虑，免振捣自密实混凝土的基础是自由流动的超细浆 体，其流动性随环绕固体粒子的浆膜层的厚度增大而提高。而浆膜层的厚度只 有在浆体充满固体颗粒间的空隙后才能形成。因此，为得到一定流动性的混凝 土，其需水量与所需润湿集料的颗粒表面积、颗粒尺寸、颗粒粒径分布和颗粒 间的空隙含量有十分密切的关系。作为一种起润滑作用的浆膜，其厚度除了受 固体颗粒的形状和粗糙度的影响外，还会受到所掺入的超细物料的水硬性与火 山灰活性的影响。对于浆体除了要求具有较好的流动性，还需要具有足够高的 粘度，必须成为高粘性的液体，才能防止发生离析。通过掺加适当的超塑化剂， 可以使浆体获得既具有粘性又具有流动性的效果。在砂浆或混凝土中的超细物 料，在浆体中与水泥共同成为液相。 1 1 2 自密实混凝土的研究发展与应用 8 0 年代末，日本东京大学教授冈村甫开发了“不振捣的高耐久性混凝土”， 称之为高性能混凝土( h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e 简称h p c ) 。1 9 9 6 年在美国 泰可塞斯大学讲学和在1 9 9 7 年发表在混凝土国际( c o n c r e t ei n t e r n a t i o n a l ) 的 论文中，冈村甫称该混凝土为自密实高性能混凝土，之所以是高性能，是因为 其具有很高的施工性能，能保证混凝土在不利的浇注条件下也能密实成型，同 时因使用了大量的矿物细掺料而降低混凝土的温升，荠提高其抗炭化能力，具 有较高的耐久性。在国内外发表的论文中，这种混凝士还有其他名称，如高流 动混凝土( h i g hf l o w i n g ，h i g hf l u i d i t y ) 、高施工性能混凝土( h i g hw o r k a b i l i t y ) 、 自流平混凝土( s e l fl e v e l i n g ) 、自填充混凝土( s e l ff i l l i n g ) 、免振捣混凝土 ( v i b r a t i o nf r e e ) 等。 近十几年来，自密实混凝土在一些发达国家和地区都得到了广泛的应用。 如美国、加拿大、日本和欧盟等一些发达国家，自密实混凝土使用量已占混凝 土全部产量的3 0 4 0 ”1 。 目前，已研发成功的自密实混凝土种类有：建筑自密实混凝土0 1 ，高强自密 实混凝土1 ，大体积自密实混凝土“1 ，预制轻质自密实混凝土c 5 c 8 2 补偿收缩自密 实混凝土晦1 。自密实钢纤维混凝土阻”1 ，“三明治”自密实混凝土，再生骨料自 密实混凝土“”。 1 1 2 1 高强自密实混凝土 圣马力诺世贸中心”1 采用的自密实混凝土配比( 质量比) 为( 波特兰水泥、硅 粉、水、石、砂、丙烯酸超塑化剂的质量比为4 6 5 ：6 5 ：1 7 5 ：9 1 5 ：7 1 0 ：4 6 ) 实测 坍落扩展度经时5 m i n 至1 h 为7 3 0 6 0 0 衄。2 8 d 抗压强度为9 5 m p a ，6 0 d 干缩 为3 8 0 l e ，2 8 d 动弹性模量为4 5 n r a m 2 。 美国西雅图双联广场是至今为止自密实高性能混凝土用于实际结构中强度 最高的广场。该工程中6 2 层的双联广场钢管混凝土柱，由于采用了超高强的自 密实高性能混凝土，降低了结构成本3 0 ，这一工程是自密实高性能混凝土在重 要结构工程上应用的杰出范例。 1 1 2 2 大体积自密实混凝土 明石海峡大桥是于1 9 9 8 年4 月建成的世界上最长的悬索桥，这座大桥架 设在神户市和淡路岛北端之间的明石海峡上，大桥全长3 9 1 0 m ，中央支距长 1 9 9 0 m 。该桥的2 个锚锭分别用了2 4 万m 3 和1 5 m 3 强度为2 5 m p a 的自密实混凝 土。该桥通过采用自密实混凝土施工新技术，使两个锚锭的施工从2 5 a 缩短到 2 a ，缩短工期2 0 。在欧洲采用c e mm a3 2 5 r ( 3 0 0 k g m 3 ) ，聚丙烯酸基超塑 化剂( 0 8 1 5 ) ，粉煤灰( 1 3 0 1 5 0 k g m 3 ) ，超细非结晶硅胶( 1 2 ) 以及 最大粒径不超过2 0l l l m 的粗骨料配制的自密实混凝土早期水化速率小，可用于大 体积混凝土“3 。 1 1 2 3 自密实钢纤维混凝土 4 在自密实混凝土中加入钢纤维能减小塑性收缩，将自密实混凝土和钢纤维 混凝土的优点结合在一起的自密实钢纤维混凝土在工程中的应用也越来越多。 但是加入钢纤维后会改变自密实混凝土的工作性能，进而有可能对自密实混凝 土的其它性能产生负面的影响。c a u b e r g n 等“”研究了不同类型、不同形式、 不同尺寸的钢纤维对自密实混凝土拌合物及硬化混凝土性能的影响。研究表明： ( 1 ) 用j 环试验比l 型仪更能反映自密实钢纤维混凝土的间隙通过性。 ( 2 ) 选用合适的超塑化剂能减小钢纤维对自密实混凝土工作性能的影响。 ( 3 ) 钢纤维对硬化混凝土性能的影响可以通过弯曲试验检测出来，在试验过 程中没有发现钢纤维对自密实混凝土抗压强度、密度及收缩性能的影响。 1 1 2 4 “三明治”自密实混凝土 尽管和普通混凝土相比，自密实混凝土能产生显著的社会效益和综合经济 效益，但是材料成本却是普通混凝土的2 3 倍。这在一定程度上限制了自密实 混凝土技术的推广。目前，在新加坡，因为所有的原材料都要从国外进口，自密实 混凝土的供应成本是普通混凝土的1 5 倍。因此自密实混凝土只在特别需要的 条件下才采用。为了减少成本，研发人员提出了在施工时采用“三明治”即s c c n m c s c c 的新的施工体系1 。而对于不同流变特性的混凝土界面的相容性以 及测试方法还在进一步研究中。 在我国，清华大学的陈恩义于1 9 9 5 年利用目前市售原材料进行试验，在北 京清河住宅小区工地成功的浇筑了c 2 5 流态混凝土，用于墙体的施工，使混凝 土振捣布点减少一半，每点振捣时间减少三分之二，浇筑高度从2 m 增加到4 m ， 提高可旌工效率，缓和了噪声扰民问题。该项成果为自密实混凝土的研究提供 可行性依据。 1 9 9 6 年9 月，北京城建集团总公司构件厂搅拌站进行了自密实混凝土技术 鉴定，其特点为：a 由搅拌站集中生产，因为质量均匀，配合现场泵送，解决 了地下暗挖施工混凝土浇筑的困难及无法振捣的问题；b 使用该厂独家生产的 苯酚系高效减水剂d f s ，减水率可达2 5 3 0 ；c 设计了一个带隔板的混凝 土流动箱，与配筋模型试验结合评价混凝土流变性能。 另外，在济南、深圳等城市也有自密实混凝土的应用，主要应用于地下暗 挖、密筋、形状复杂等无法振捣或振捣困难的部位、解决扰民问题、缩短工期 等。 1 2 高性能混凝土的发展与应用 高性能混凝土( h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e 简称h p c ) 是二十一世纪混凝 土材料技术发展的重点和方向。高性能混凝土是指具有高强度、高流动性等多 方面的优越性能的混凝土“”。混凝土是土木建筑工程最重要的材料，自1 8 2 4 年 水泥问世及随之诞生混凝土及钢筋混凝土以来，至今已有1 0 0 多年的历史“盯“”。 据资料”介绍，当前国际上混凝土年产量约3 0 多亿m 3 ，我国每年混凝土用量约1 2 5 多亿m 3 。混凝土工程技术总是伴随着工程建设的需要和科学技术的发展而进步 的。在混凝土发展初期，人们使用的混凝土强度很低，后来经过不断的试验研 究配制成的混凝土强度指标和易施工性都有所提高和改善嘲。到2 0 世纪中叶， 混凝土技术的发展和相关设备的进一步改进，使混凝土向着高强度方向发展， 但拌制的混凝土为于硬性与半干硬性的，导致施工难度随之增加“”。随着外加 剂技术的开发，混凝土拌和物向着塑性和流动性方向发展，混凝土强度和流动 度得以兼顾，工程质量和施工速度同时得到了提高。但是随着种种工程事故的 不断发生，人们越来越意识到，在结构设计时，对使用材料的耐久性应像力学 性能一样予以高度重视，现在很多人已经提出要把结构的耐久性放在首位。因 此近十多年来，人们把混凝土的耐久性作为追求的主要目标，并引入超细活性 掺合料作为混凝土的重要组分，从而发展成具有高强、高耐久性、高流动性和 体积稳定性，且具有适宜强度的高性能混凝土。 1 2 1 高性能混凝土的概念 高性能混凝土( p h c ) 是在1 9 9 0 年在马里兰州，由美国n i s t 与a c i 主办会议 上首先提出来的，高性能混凝土定义为具有所要求的性能和均质性的混凝土。 这些性能包括：易于浇注、捣实而不离析；稳定的力学性能；早期强度高、韧 性高和体积稳定性好，在恶劣的使用条件下寿命长。也就是说，h p c 要求高强度、 高流动性与优越的耐久性“”。随后立即得到各国学者和工程技术人员的积极响 应。应该说高性能混凝土是在高强混凝土研究与应用达到较高水平基础上发展 起来的。人们认识到，混凝土强度愈高，材料愈脆，对结构的抗震性能愈不利。 混凝土强度越高，水泥用量就越大，混凝土硬化时水化热就越大，越容易引起 混凝土的早期裂缝。此外，对现存的水工、海港、桥梁等混凝土结构工程的检 查，发现大部分混凝土的碳化深度已至钢筋表面，有些钢筋已经锈蚀，引起了 混凝土剥落体积膨胀，这很容易诱发结构崩塌事故的发生“”。因此，人们渐渐 地把注意力集中到混凝土结构的耐久性与安全性上，作为混凝土技术的发展方 向不仅仅是高强混凝土，而应该是更全面的高性能混凝土技术。对高性能混凝 土，国内外尚无统一的定义，一般认为高性能混凝土应有下列一些特点“”。 ( 1 ) 耐久性。根据工程使用的环境与部位，对混凝土的耐久性必须有严格的 要求。因此，控制混凝土设计的并不仅是强度，而更要考虑其耐久性。即混凝 土的碳化深度一定要满足工程设计寿命的需要： ( 2 ) 体积稳定性。即混凝土在硬化早期应具有较低的水化热，硬化后应具有 较小的收缩变形或体积膨胀； ( 3 ) 施工性能。混凝土拌合物应有较高的流动性，不分层、离析，易充满模 型：泵送混凝土还应有良好的可泵送性； ( 4 ) 具有适宜的强度和密实度，但不一定是高强高性能，亦可以是中、低强 度高性能。由此可见，高性能混凝土不同于普通混凝土，普通混凝土的设计是 6 以强度作为主要控制指标，而高性能混凝土是以耐久性作为主要控制指标。高 强度不一定是高性能，而高性能必须要求混凝土具有较高的密实度与高抗渗能 力，故其强度也不会太低。高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大幅 度提高常规混凝土性能基础上，采用现代混凝土技术，选用优质材料，在严格 的质量控制下制成的。除采用优质水泥、集料和水外，必须掺加适量的超塑化 剂和超细活性掺合料，作为混凝土的第五和第六组份。混凝土拌合物也应具有 良好的流变学特性，不泌水、不离析、甚至可达到自流密实，从而确保混凝土 工程质量、防止因泌水、离析或振捣不密实造成的混凝土早期缺陷“”。如混凝 土表层疏松、水泥浆体与钢筋或粗骨料之间的界面出现孔隙乃至蜂窝、麻面等， 这均对混凝土的耐久性不利。高性能混凝土在硬化过程中也应保持体积稳定， 使用水化热低、温升小的水泥，冷却时的温度收缩和干燥收缩变形小，硬化后 不易产生有害裂缝。一般情况下，高性能混凝土硬化后具有致密的微观结构， 抗渗性能好。 1 2 2 高性能混凝土在国内外的发展历史 1 9 9 4 年，美国联邦政府1 6 个机构联合提出了一个在基础设施工程建设中 应用高性能混凝土的建议，计划未来1 0 年投资2 亿美元进行研究和开发。1 9 8 9 年加拿大政府提出了建立“高性能混凝土协作网”的建议，共有7 所大学和2 家企业参与。法国在1 9 8 6 年由政府部门组织国内2 3 个单位( 包括政府研究机构、 大学、公司、承包商) 进行了一项名叫“混凝土新途径”的研究项目，对高性能 混凝土进行研究并建造示范工程，这一项目已于1 9 9 3 年完成。1 9 9 6 年法国政 府公共工程部和教育与研究部又组织了为期4 年的“高性能混凝土2 0 0 0 ”的国 家研究项目，共4 0 余个机构参与。挪威皇家科技研究院的科学与工业研究基金 ( s i n t e f ) 持续资助高强与高性能混凝土的研究，包括1 9 8 6 1 9 9 2 年的高强混 凝土材料研究计划，1 9 8 8 1 9 9 3 年的高强混凝土结构设计研究计划( 6 0 1 1 5 m