（材料学专业论文）水下自密实混凝土研究.pdf

摘要 摘要 自密实混凝土是指在不用或者基本不用振捣的成型条件下，混凝土拌合物能 够充分填充模板内的所有空隙，形成密实而均匀混凝土结构的一种高性能混凝 土，被称为“近几十年中混凝土建筑技术最具革命性的发展”。与普通高性能混 凝土相比，自密实混凝土应该具有高抗分离性、高填充性与高间隙通过能力。本 文着眼于自密实混凝土的水下应用，研究了自密实混凝土的工作性能试验方法、 配合比设计、工作性能、力学性能、耐久性以及施工工艺。 由于自密实混凝土工作性能的特殊要求，不能简单套用普通混凝土的工作性 能试验方法，所以本文借鉴国外经验，结合国内实际情况，对自密实混凝土工作 性能试验方法进行了优选，并提出了相关的标准取值范围。由于自密实混凝土特 殊的工作性要求，导致自密实混凝土的配合比设计思路也不同于普通高性能混凝 土，主要表现在水胶比、砂率和单位粗集料用量的确定上。本文提出了一种配合 比设计方法，试验证明使用该方法设计的混凝土可以达到自密实混凝土的工作性 能要求，是一种操作性较强的配合比计算方法，可以满足相关需要。本文研究了 活性矿物掺合料对自密实混凝土工作性能的影响，结果证明加入矿物掺合料有利 于改善自密实混凝土拌合物的性能，对于满足其特殊的工作性能要求有重要作 用。在本文研究条件下，以胶凝材料质量百分含量计，粉煤灰掺量约为2 5 ，或 者单掺约6 0 矿渣时，混凝土拌合物的工作性能较好。本文还研究了白密实混凝 土的流动性经时变化，自密实混凝土拌合物的坍扩度经时变化和坍落度经时变化 较小，基本上1 2 0 分钟经时变化值均小于1 0 。粉煤灰与矿渣单掺或者复掺， 对拌合物的流动度经时损失都有较好的控制作用。对于自密实混凝力学性能的 研究表明，使用掺合料后，水下成型自密实混凝土的强度得到提高，单掺矿渣粉 对于2 8 天强度有一定的增强作用，对9 0 天强度影响不大；单掺2 5 3 5 的粉 煤灰对9 0 天强度有较显著的提升作用，但对2 8 天强度基本无影响，活性掺合料 复合使用会有更好的效果：水下自密实混凝土水陆强度比高，有利于在水下工程 中的应用。混凝土的抗氯离子渗透能力是混凝土耐久性的一种反映，本文采用混 凝土抗氯离子渗透快速试验，研究了自密实混凝土的抗氯离子渗透能力，结果证 明活性掺合料对自密实混凝土的抗氯离子渗透能力有明显的增强作用。粉煤灰对 养护初期混凝土的抗氯离子渗透能力增强作用较弱，但对养护后期的混凝土有很 强的提升效果，尤其是单掺2 5 3 5 粉煤灰时效果明显；矿渣粉在混凝土养护前 期的作用较强，随着掺量由4 0 增加至6 0 ，混凝土的抗氯离子渗透能力逐渐增 强；相对来说，复掺效果优于单掺。本文还研究了搅拌时间对自密实混凝土工作 性能的影响，使用自落式搅拌机时，自密实混凝土要达到最大流动性需要搅拌 华南理工大学硕士学位论文 4 1 2 分钟，使用强制式搅拌机，则需要4 8 分钟，搅拌时间的长短与掺合料 的种类有关。搅拌时间过长会造成混凝土拌合物流动性降低，抗分离能力明显下 降。 自密实混凝土具有显著的综合效益，只是由于缺乏性能试验、施工工艺以及 质量控制的相关标准和规范，制约了自密实混凝土的大规模应用，只要解决了这 一发展瓶颈，自密实混凝土将具有广阔的发展前景。 关键词：自密实混凝土；配合比设计； 工作性能；耐久性 a b s t r a c t s e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t ei s ak i n do f h i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t et h a tc a nf i l l c o m p l e t e l ya l ls p a c e sw i t h i nt h ef o r m w o r ka n df o r mt h ec o m p a c t e dh o m o g e n e o u s s t r u c t u r ew i t h o u tv i b r a t i o n ，s e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t eh a sb e e nd e s c r i b e da s ”t h e m o s t r e v o l u t i o n a r yd e v e l o p m e n ti n c o n c r e t ec o n s t r u c t i o nf o rs e v e r a ld e c a d e s ” c o m p a r e d w i t h g e n e r a lh i g h p e r f o r m a n c e c o n c r e t e 。s e l f c o m p a c t i n g h a s h i g h p a s s i n ga b i l i t y ，f i l l i n ga b i l i t ya n ds e g r e g a t i o nr e s i s t a n c e i nt h i sp a p e r ，w o r k a b i l i t y t e s tm e t h o d ，m i xd e s i g n m e t h o d ，w o r k a b i l i t y ，m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e ，d u r a b i l i t y a n dc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e sw e r es t u d i e dw i t hav i e wt ou n d e r w a t e ra p p l i c a t i o n b e c a u s es e l f - c o m p a c t i n gh a se s p e c i a lw o r k a b i l i t y ，i tc a n n o tu s et h ew o r k a b i l i t y t e s tm e t h o d so fg e n e r a lc o n c r e t ei n d i s c r i m i n a t e l y s oi nt h ep a p e rb a s e do nf o r e i g n e x p e r i e n c ea n dr e a lp r a c t i c ei nc h i n a ，t h et e s tm e t h o d so fs e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t e w e r es t u d i e da n dc h o s e n ，a n dt h er e l a t i v et a r g e tv a l u e sw e r es u g g e s t e da l s o b e c a u s e o f s p e c i a lw o r k a b i l i t y o f s e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t e ，m i xd e s i g n m e t h o do f s e l f - c o m p a c t i n g c o n c r e t ei sd i f f e r e n tf r o m g e n e r a lh p c ，w h i c h i sk n o w nf r o m d e t e r m i n a t i o no fc o a r s ea g g r e g a t ev o l u m e ，s a n dc o n t e n ta n dw a t e r b i n d e rr a d i o a n e wm i xd e s i g nm e t h o dw a si n t r o d u c e di nt h ep a p e r ，w h i c hw a sp r o v e dt ob ea n e f f e c t u a lm i xd e s i g nm e t h o df o rs c cb yt e s t i n g i nt h e p a p e rt h e i n f l u e n c eo f m i n e r a la d m i x t u r e u p o ns 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 a b i l i t y w a s s t u d i e d ，t h e r e s u l t ss h o w e dt h a ta d m i x t u r ec a n i m p r o v e t h es e l f c o m p a c t i n gc o n c r e t ew o r k a b i l i t y ， w h i c hw a su s e f u lt os a t i s f yt h es p e c i a lr e q u i r e m e n to ft h ec o n c r e t e o nt h ec o n d i t i o n o ft h i sp a p e r , w h e n2 5p e r c e n to fb i n d e rw a sf l ya s h ，o r6 0p e r c e n to fb i n d e rw a ss l a g ， t h ew o r k a b i l i t yo fc o n c r e t ew a sb e t t e rr e l a t i v e l y t h es l u m pl o s so fs e l f c o m p a c t i n g c o n c r e t ew a ss t u d i e di nt h i sp a p e ra l s o t h es l u m pf l o wl o s sa n ds l u m pl o s so fm i x e s w a sl i t t l e 。b a s i c a l l yt h ed e g r e eo fc h a n g ew a sl e s st h a n 1 0 i tw a sp r o v e dt h a t u s i n gf l ya s ha n ds l a gs i n g l yo rc o m p l e x l yc a nc o n t r o lt h es l u m pl o s s i tw a ss h o w t h a ta d m i x t u r ec a ni m p r o v et h es t r e n g t ho fu n d e r w a t e rm o l d i n gc o n c r e t e m i x i n g s l a gp o w d e rs i n g l yc a ne n h a n c e t h e2 8d a y ss t r e n g t ha tac e r t a i ne x t e n t ，a n dh a v ea l i t t l ee f f e c to n9 0d a y ss t r e n g t h ；m i x i n g2 5 3 5 f l ya s hh a v em o r er e m a r k a b l e p r o m o t i o nf u n c t i o nt o9 0d a y ss t r e n g t h ，b u th a v en o i n f l u e n c eb a s i c a l l yt o2 8d a y s s t r e n g t h ；u s i n ga d m i x t u r ec o m p l e x l yh a v e b e t t e re f f e c t s t h el a n d - w a t e rs t r e n g t h r a d i oo fs e l f c o m p a c t i n gc o n c r e t ei sh i g h ，w h i c hi su s e f u lf o ru n d e r w a t e ra p p l i c a t i o n t h er e s i s t a n c eo fc h l o r i n ei o np e r m e a t ei sak i n do fr e f l e c t i o no fc o n c r e t ed u r a b i l i t y 华南理工大学硕士学位论文 t h es e l f 。c o m p a c t i n gc o n c r e t er e s i s ta b i l i t yo fc h l o r i n ei o np e r m e a t ew a ss t u d i e db y c o n c r e t er e s i s t a n c e a b i l i t y t e s tm e t h o do fa c c e l e r a t e dc h l o r i n ei o np e r m e a t e t h o r e s u l t s p r o v e d a d m i x t u r eh a v eo b v i o u se n h a n c e m e n tf u n c t i o n t ot h ec o n c r e t e r e s i s t a n c e f l ya s hh a sl i t t l ee f f e c ta te a r l i e rc u r i n g ，b u th a v ev e r ys t r o n gp r o m o t i o n r e s u l t si nb a c k e n d c u r i n g t h ee f f e c ti so b v i o u sw h e nm i x i n g2 5 3 5 o ft h ef l ya s h s l a gp o w d e rc a ne n h a n c er e s i s t a n c ea b i l i t ym u c hm o r ea te a r l i e rs t a g er e l a t i v e l y w i t ht h em i x i n ga m o u n ti n c r e a s i n gf r o m4 0 t o6 0 i nc o n c r e t e ，t h er e s i s t a n c e a b i l i t y b e c o m e s t r o n g e r c o m p a r a t i v e l y ，i t i s s u p e r i o r t o m i x i n gt h e a d m i x t u r e c o m p l e x l y t h er e l a t i o nb e t w e e nm i x i n gt i m ea n dw o r k a b i l i t yo fs e l f c o m p a c t i n g w a ss t u d i e d t h ec o n c r e t en e e dt ob em i x e d4t o12m i n u t e sb yf r e ed r o pm i x e rt og e t t h eb i g g e s tw o r k a b i l i t y , w h i l en e e d4t o8m i n u t e sb yf o r c e dm i x e r i ft h em i xt i m e b e c o m e st o ol o n g ，t h ec o n c r e t ef l o ww i l lr e d u c ea n ds e g r e g a t i o nr e s i s t a n c ew i l ld r o p o b v i o u s l y s e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t eh a sr e m a r k a b l ec o m p r e h e n s i v eb e n e f i t t h ep r o b l e m a tp r e s e n ti sl a c ko fr e l e v a n ts t a n d a r d so rs p e c i f i c a t i o n so f p e r f o r m a n c e t e s tm e t h o d ， c o n s t r u c t i o nt e c h n i c sa n d q u a l i t y c o n t r o l ，w h i c h r e s t r i c tt h e a p p l i c a t i o n o f s e l f - c o m p a c t i n g c o n c r e t ei n g r e a t f o r c e o n c es o l v et h i s b o t t l e n e c k ，t h e s e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t ew i l lh a v e aw i d ed e v e l o p m e n tp r o s p e c t k e y w o r d ： s e l f c o m p a c t i n gc o n c r e t e ；m i xd e s i g n ；w o r k a b i l i t y ；d u r a b i l i t y i v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：函善荔日期：加f 年岁月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：范三鬈 刷币签名五j - 6 根( ， v 日期：1 牛年占月2 - 9 日 日期：批妒年，月p 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 水下自密实混凝土的定义 自密实混凝土( s e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t e ，简称s c c ) 的概念是在2 0 世纪 8 0 年代由日本学者首先提出的，当时所面临的情况是：混凝土耐久性在日本受 到高度重视，但由于缺乏熟练工人进行混凝土浇筑施工，不能保证混凝土完全密 实，从而成为导致耐久性不良的重要原因之一，因此就需要种非常容易实 现密实性的混凝土一一自密实混凝土。“自密实”概念形成后，研究与应用迅速 展开，很快成为一种实用的、施工性能非常优良的混凝土。自密实混凝土被称为 “近几十年中混凝土建筑技术最具革命性的发展”，。 自密实混凝土作为高性能混凝土的一种，是指通过外加剂、胶凝材料、掺合 料、粗细骨料的选择和配合比的设计，使混凝土拌合物具有足够的塑性粘度，粗 细骨料能够悬浮于水泥浆中而不离析、不泌水，在不用或者基本不用振捣的成型 条件下，混凝土拌合物能够充分填充模板内的所有空隙，形成密实而均匀混凝土 结构的种高性能混凝土1 。本文主要研究自密实混凝土在水下工程中的应用， 所以称为水下自密实混凝土。 自密实混凝土可以在较低的水胶比下仅靠自重填充到复杂模型的各个角落 1 ，具有均匀的自密实成型能力，同时保证混凝土硬化后具有很好的力学性能： 且硬化后表面的结构十分致密，渗透性低，具有优良的耐久性。 自密实混凝土的主要特点是无需振捣而能够自密实。在实际施工中，使用自 密实混凝土可以消除浇注时的振捣噪声，提高施工速度和质量，实现混凝土浇注 的省力化1 ：为改善和解决过密配筋、薄壁、复杂结构、大体积、钢管混凝土 施工，高、深、快速施工，水下旎工，以及具有特殊要求、振捣困难的工程旋工 带来了极大的方便。使用自密实混凝土还具有减少工程所需劳动力，使工作环境 更安全等方面的优点。 1 2 自密实混凝土的性能及评价 1 。2 。1 自密实混凝土的工作性能 普通混凝土机械振捣成型的原理是：混凝土拌合物在高频机械振捣作用下， 内部颗粒不断受到冲击作用而引起振动，这种振动改变了拌合物的物理力学性 质，使水化初期所生成的絮状凝胶结构破坏而变成溶胶态，将互相接触的颗粒分 开，削弱了颗粒间的结合力，使混凝土拌合物屈服应力to 降低，当颗粒受迫振 华南理工大学硕士学位论文 动的速度达到某一极限时，to 减小到足以被克服，振动影响区内的混凝土呈液 化而流动并密实成型。根据混凝土的流变学原理，混凝土拌合物由于其内部结构 较强，其流变曲线近似于宾汉姆流体，所以其流变性能可以用宾汉姆流变模型( t =to + nv ，t ：模型总应力；o ：屈服应力；n ：粘度系数；y ：速度梯度) 来 研究。而混凝土的振捣成型是一个从宾汉姆流体转化成近似牛顿流体的触变过 程。自密实混凝土成型的主要原理通过外加剂、胶凝材料、粗细骨料的选择和精 心的配合比设计，使自密实混凝土的屈服应力to 减小到足以被自重产生的剪应 力克服，使混凝土产生流动，同时又具有足够的塑性粘度n ，令骨料悬浮于水泥 浆中，而不出现离析和泌水问题，能自由流淌充分填充模板内的空间，形成密实 且均匀的结构。 根据免振捣自密实混凝土的成型原理，工程实践中所需制备的自密实混凝土 应该具有高抗分离性、高填充性与高间隙通过能力3 。因此自密实混凝土工作 性能可以通过三方面的性质表征：即填充能力( 仅依靠自重，在模板内流动并完 全充满模板内空间的能力) ，通过能力( 通过较密集的钢筋间隙和狭窄通道的能 力) 和抗离析能力( 运输以及浇注过程中保持组分均匀稳定的能力) ，只有同时 满足这三个特性的混凝士拌合物才可被称之为自密实混凝土。 1 2 2 自密实混凝土工作性能评价方法 目前还没有一种可用于测量自密实混凝土工作性能的标准试验方法，而且对 于许多试验方法的描述也不够完善，对于试验仪器的尺寸描述也存在一定差异。 在考虑这些试验时，有几点需要引起注意：( 1 ) 设计此类试验的一个难点在于 它们必须评估三个自密实混凝土拌合物的性质一一即填充能力( 流动性) ，通过 能力( 依靠自重通过钢筋网而不引起阻塞) 以及抗分离能力( 稳定性) 一一尽管 这三个性能存在某些联系，但区别也是很明显的。所以迄今为止还没有一种试验 方法可以同时测量所有三个性质。( 2 ) 大多数试验方法是根据集料最大尺寸为 2 0 r a m 来设定的，使用其它尺寸集料的拌合物可能不适用此类方法。( 3 ) 对于 垂直和水平浇注混凝土可能适用不同试验标准。同样的，不同的钢筋密度也可能 要采用不同的试验标准。( 4 ) 试验结果与现场施工性能之间的联系并不明确， 还需要进行大量工作”1 。 ( 1 ) 坍落流动度试验和t 5 0 。试验：坍落流动度试验用于评估自密实混凝土拌 合物在没有阻碍情况下的水平自由流动能力。这种方法最早出现于日本，是用于 评价水下混凝土性能的。它以测定坍落度的试验方法为基础。混凝土圆面的直径 还可衡量混凝土的填充能力。这是一种简单、快速的试验方法，它可以在施工现 场使用。作为最常用的试验方法，可以很好的评价混凝土填充性能。试验结果不 能表示混凝土通过钢筋而不阻塞的能力，但可以部分说明混凝土的抗分散性能。 2 第一章绪论 需要注意的是不具有任何界限的完全自由流动不能代表实际生产中混凝土在结 构物中的流动情况，但用于评估供应到施工现场的混凝土粘度是很有用的。试验 采用装置见图1 1 。 试验过程可简述如下：将坍落度筒放置于板中央，压紧。然后用铲将筒内填 满混凝土，不要插捣，只需用刮刀将筒顶部的混凝土抹平。清除筒底部周围的多 余混凝土后，垂直提起坍落度筒，使混凝土自由流动。同时按下秒表，记录混凝 土达至= j 5 0 c m 扩展直径所用的时间( 即t 5 0 时间) 。最后记录混凝土停止流动后 最长直径以及与其垂直方向直径的长度，计算两个测量直径的平均值( 即坍扩度， 单位m m ) 。另外还要注意混凝土边缘是否泌水以及中央是否有粗骨料偏聚。 么 蓼 图1 1 坍流度试验装置 f i g i lt h ee q u i p m e n to fs l u m pf l o wt e s t 拌合物的坍扩度( s f ) 值越高，混凝土在自重作用下填充模板的能力越好。 t 5 0 时间是流动度的次要表征。时间短表示流动性好。如果混凝土离析严重，则 大多数粗集科会停留在混凝土拌合物的中央位置，而灰浆或水泥砂浆分布于周 边。如果上述现象没有发生，也不能确定混凝土不会出现离析，因为时间也是 个影响因素，混凝土在经过个较长的时间后也可能会出现离析现象。 ( 2 ) j 型环试验：j 型环试验的发展完善是在p a i s l e y 大学进行的3 。试验用 于测量混凝土的通过能力。整套装置包括了一个矩形截面( 3 0 r a m x 2 5 m m ) 的 开口圆环，环垂直方向钻孔，可旋入钢筋。这些钢篾有不同直径，不同间距：考 虑到常用的钢筋网，间距采用3 倍最大集料尺寸是合适的。环的直径为3 0 0 m m ， 高1 0 0 r a m 。j 型环试验可以与坍流度试验，o r i m e t 试验，甚至是v 型漏斗试验 结合使用。上述方法的结合使用可以测试混凝土的流动能力和通过能力( 主要是 j 型环的作用) 。o r i m e t 流出时间或者坍流度的测量结果通常用于评估流动性 3 华南理工大学硕士学位论文 能。主要通过设置j 型环的钢筋间距来调节混凝土通过能力试验的严格程度。试 验通过测量j 型环内外混凝土的高度差来表征拌合物的通过能力。试验装置见图 1 2 。 一 图1 2j 型环与坍流度试验的结合使用 f i g 1 2t h ej - r i n gu s e di nc o n j u n c t i o nw i t ht h es l u m pf l o w ( 3 ) v 型漏斗流出时间试验：该试验方法是在日本发展起来的，最初是o z a w a 等人使用的一种方法。装置包含一个v 型漏斗，见图1 3 。在日本也有应用o 型 漏斗，即采用圆形断面的漏斗。这里所述的v 型漏斗试验用于测量最大集料尺寸 为2 0 r a m 的混凝土的填充能力( 流动能力) 。漏斗用大约1 2 升混凝土填满，然后 测量混凝土流出漏斗所需时间。 尽管该试验是被设计用来测量流动能力的，但所得的结果会受到混凝土其它 性质的影响。如果粗集料太多的话，倒转的锥体形状也可能使混凝土有阻塞的倾 向，从而在结果中反映出来。流出时间长也可与混凝土形变能力差联系起来，这 可归咎于混凝土的粘度过大，另外也与拌合物的内部颗粒摩擦力大有关。虽然整 套仪器很简单，但漏斗角度的影响和漏斗壁对混凝土流动性的影响还不是很清 楚。 4 簿盈 群黯 第一章绪论 卜 图1 - - 3v 型漏斗试验装置( 矩形断面) f i g 1 3v f u n n e lt e s te q u i p m e n t ( r e c t a n g u l a rs e c t i o n ) ( 4 ) l 型辖试骏方法：这瑷试验邕经由p e t e r s s o n 遴雩亍了蘑述，它滚滚予一瑷蠢 本的关于水下淀凝士的试验设计方法阻1 。试验评估的是混凝土的流动性，以及 混凝土受到钢筋阻塞的程度。鼷套装置见图1 4 。装置由一个矩形截面的箱组 成，箱子有水平和垂直两部分，成“l ”型，两部分被活门分开，活门前装有垂 直方囱隔攒。先涛箱豹垂壹帮分装满混凝，然麓提起活 j ，使提凝主流动到承 乎部分。滚确缮寒螽，瓣羹求乎部分泰臻豹湿凝主蔫度，然嚣与秘辩在垂盔嫠努 的混凝土高度避行比较( 图中的h 2 ，h 1 ) 。它表示酶是静止时混凝的坡度。这 是通过能力的表征，或者说表示的是混凝士通过钢筋网时受限制的程度。箱的水 平部分可眺从活门开始标记出2 0 0 m m 和4 0 0 m m 的位置，测量混凝士到达这些标 记点静时阍，这藏是通常所说鲍下2 0 帮t 4 0 对闻，可 乍为填充能力的个衡量指标。 疆程可蔽裒不嚣鹣截瑟耋径霸阙疆：考虑到与鬻溜熬镶簇缝兹强持一羧，簸取 3 倍的集料蔽大尺寸。可通过调节隔栅间距来调节混凝土通过能力试验的严格程 度。 这是一个被广泛使用的试验方法，适合在试骏宝应用，以及某贱条件下的旖 工现场检验。它评估的是自密突浪凝的填充能力酾通过铑力，混凝稳定性严 重不是( 分褒) 夔薅猿逶过巍鼹溪察帮毒发鬟。滋凝圭努枣清援逐霹遴过疆嚣豹 剖开和观察水平部分酶混凝主截面来检查。遗憾鹩是，对于仪器的材攀茸、尺寸或 者钢筋排列方式还没有达成共谚 ，因此要进行试验结果之间比较会存在困难。在 某种程度上，这种设置可以表现实际施工中自密熨混凝土在模板内受约束流动时 5 华南理工大学硕士学位论文 的情况。如果测量时间的话，试验至少需要两个操作人员，而且会存在一定程度 的操作误差。如果混凝土可以像水一样自由流动，静止时它会保持水平，因此 h 2 h _ i = 1 。所以说，试验测量值越接近，混凝土的流动性越好。有研究团体建议， 可接受的最小值为0 8 。t 2 0 和t 4 0 也可以部分表征混凝土流动的难易程度。粗集 料在钢筋处的明显阻塞可通过观察得知。 图l 一4 l 型箱试验装置 f i g 1 - 4l b o xt e s te q u i p m e n t ( 5 ) u 型箱试验方法：这项试验是日本t a i s e i 公司的技术研究中心发展起来的凹3 。 有时也被称为“箱型”试验，可用于测量自密实混凝土的填充能力。装置由一个 容器组成，容器被中间的隔墙分为两个腔，见图1 5 中的r ，和r 2 。两部分之间 设有一个带滑门的通道。滑门处安装有直径为1 3 m m 的钢筋，中心距为5 0 m m ， 也就是说设置了净间距为3 5 m m 的隔栅。左边部分用大约2 0 升混凝土填满，然后 升起滑门，混凝土流入另一边的空腔。测量混凝土在两边的高度。计算高度差 h 1 - h 2 ，即填充高度。( 日本土木学会推荐的是采用相同原理的另外一种箱) 这是一个易于操作的简单试验，但是设备的制造可能有些困难。它提供了一 个对于混凝土填充性能的直接评价方法。隔栅间隔为3 5 m m 时，可能要考虑钢筋 过于密集的问题。如果混凝土可以像水那样自由流动，静止时将保持水平，因此 h ，一h 2 = 0 。所以填充高度越接近零，混凝土的流动和通过能力越好。 6 第一章绪论 图1 5 u 型箱试验装置 f i g 1 - 5u b o xt e s te q u i p m e n t ( 6 ) 填充箱试验方法：也被称为“k a j i m a 试验”。可用于测量最大集料尺寸为 2 0 m m 的自密实混凝土的填充能力。试验装置中有一个具有平坦光滑表面的容器 ( 透明的) ，容器中是3 5 根由铜棒制成的障碍物，每根直径2 0 m m ，中心距为 5 0 m m ：见图1 6 。在其上方是一个带有漏斗的填料管，管直径1 0 0 m m ，高 5 0 0 m m ，漏斗高1 0 0 m m 。通过填充管向容器中填注混凝土，按每5 秒钟1 铲的速 度，每铲将1 5 至2 o 升的新拌混凝土加入到漏斗中，直至混凝土刚好覆盖第一根 位于顶端的障碍管。等混凝土静止后，容器内的混凝土体积占固定空腔体积的百 分数就是填充能力的表示值，称为填密度。 由于装置的结构复杂笨重和需要较多的混凝土试样，这个试验很难在施工现 场进行，但是它可以很直观地反映混凝土拌合物的自密实特性。如果混凝土像水 一样自由流动，当它静止时将会处于水平状态，此时填密度= 1 0 0 。因此，试 验值越接近1 0 0 ，表明混凝土自密实性能越好。 7 华南理工大学硕士学位论文 图l 一6 填充箱试验装置 f i g 1 - 6f i l lb o xt e s te q u i p m e n t ( 7 ) g t m 筛稳试验：这项试验是由法国的建造商g t m 发展起来的，用于评估 混凝土的抗分离能力( 稳定性) 。试验需要取1 0 升的混凝土试样，先使试样静 止一段时间，使其有时间进行内部的分离，然后取试样的一部分倒入直径为 3 5 0 m m 的5 m m 筛中。两分钟后，称取通过筛的砂浆重量，将其表示为初始试 样的重量百分比。使用过该项试验方法的工程人员认为它是评价s c c 稳定性的 一种很有效的途径。然而，它并不是一项快速试验，且需要一部精确的称重仪器， 故不太适合施工现场应用。试验结果的可重复性也值得怀疑。根据经验，如果通 过筛的砂浆百分比( 即离析率) 是5 到1 5 时，抗分离能力被认为是合适的。 低于5 ，抗分离性过强，可能影响混凝土表面光滑程度( 很有可能产生气孔) 。 高于1 5 ，特别是高于3 0 时，混凝土有很大可能发生离析。 ( 8 ) 0 r i m e t 试验：0 r i m e t 试验出现于p a i s l e y 大学，是作为一种可用于施工现 场的，高流动性混凝土拌合物的评价方法而发展起来的n3 。装置见图1 7 。该 试验以一种孔流变仪的原理为基础。试验装置是一根垂直铸管，底部卸斟口设有 一。个可变的倒转锥形的孔，以及一个可快速释放的用来封闭孔的活门。通常孔的 内径是8 0 m m ，这个尺寸适用于评估集料尺寸不超过2 0 m m 的混凝土拌合物。孔 的直径也可改为其它尺寸，通常在7 0 m m 至9 0 m m 之间。简单来说，操作过程是 先用混凝土填充0 r i m e t 装置，然后打开活门，测量从混凝土开始流动到管底部 透光为止的时间( 由管上方观察) 。 该试验测量的是混凝土流动的容易程度：流动时间越短说明流动性越好。对 于自密实混凝土，流动时间小于或者等于5 秒被认为是合适的。倒转锥形的形状 会限制拌合物的流动，从流动时间的延长上可以得出一些关于拌合物阻塞或者离 第一章绪论 析的难易程度方面的信息。 图1 7o r i m e t 试验装置 f i g 1 - 7o r i m e t t e s te q u i p m e n t 1 2 3 自密实混凝土硬化性能以及评价方法 自密实混凝土的硬化性能评价方法与普通混凝土的硬化性麓试验方法相同。 ( 1 ) 强度特性：自密实混凝土的力学性能试验可以参照g b t5 0 0 8 1 - 2 0 0 2 普 通混凝土力学性能试验方法。由于免振自密实混凝土中含有较多的细粉填料， 并且不需经过振动即可达到密实。因此，在粗集料周围的集聚水少，混凝土的界 面过渡区得到了较大的改善，使免振自密实混凝土可达到较高的强度。有研究表 明1 ，自密实混凝土的力学性能比较稳定，而且免振捣成型的强度略高于插捣 成型的强度，其标准差也小于插捣成型的标准差。说明用免振捣成型对免振捣自 密实混凝土的强度没有任何影响，从某种意义上说，只有用免振捣成型的方法才 更适用于这种性能的混凝土。 自密实混凝土与钢筋的粘结强度比同等级的普通混凝土略高，并且自密实混 凝土与普通混凝土在表面滑移区的特性是相似的”1 。 ( 2 ) 弹性模量：由于粗骨料用量较少，自密实混凝土比使用同一品种骨料的普通 混凝土弹性模量稍低些，根据普通混凝土试验方法，标准养护2 8 天，降低值小 于1 0 。根据北京二建的测试，因采用低水胶比，尽管有所降低，仍能满足结 9 华南理工大学硕士学位论文 构设计规范的要求。适当提高配制强度、增加粉煤灰掺量、添加适量合成短纤维 等措施均可提高弹性模量。 ( 3 ) 收缩：由于粗骨料用量小，粉体材料用量大，自密实混凝土的干燥收缩会 大些，容易产生有害裂缝。可根据结构形式、构件尺寸、施工条件、工程性质等 的不同，确定不同的目标。据日本的资料，标准条件下养护7 天的试件在2 0 2 、相对湿度6 0 5 的条件下，6 个月的干缩小于8 1 0 ，比同种骨料的普通 混凝土收缩增加量小1 0 。掺用粉煤灰和少量膨胀剂有利于减小收缩。掺用合 成纤维不仅可减小收缩，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胶比近似于线性关系。掺入矿物细 掺料后，在相同水胶比下，碳化速率增加。降低混凝土的水胶比，则可达到相近 的碳化速率。混凝土掺用大量混合材料后，碱度大大降低，会加速碳化而不利于 对钢筋的保护，但自密实混凝土因水胶比很低，混凝土密实度高，抵抗碳化的能 力强。单纯从材料来说，可以不必担心其对钢筋保护的作用。实际上，对不同的 构件应作不同的考虑：对主要受压的构件，如基础、墩柱以及长期处于水下的结 构，可不考虑碳化问题；对受弯构件，如梁、板，则因在荷载作用下产生裂缝是 不可避免的，设计时允许受力后受拉区产生宽度不大于0 2 m m ( 对预应力钢筋混 凝土是0 1 m m ) 的裂缝，则碳化问题就应考虑。在此情况下，抗碳化性能和细掺 料的品种、掺量有关。例如掺粉煤灰3 0 而水胶比为o _ 3 5 时，碳化速率约与普 通混凝土水胶比为0 5 时相当；同样效果的矿渣掺量可达7 0 ：水胶比为0 , 4 、 矿渣掺量达5 0 时，碳化速率同普通混凝土的相差无几。因此，对用于不同部 位的自密实混凝土，可通过配合比的调整来保证其抗碳化的性能。有些矿物细掺 料中往往含有一定量的碱，对保持混凝土中的p h 值是否起作用，需要通过试验 来证明。对自密实混凝土的抗碳化性也需要和构件的裂缝情况结合起来进行试验 研究。 1 3 自密实混凝土的应用现状及发展前景 1 。3 ，1 自密实混凝土的应用现状 自密实高性能混凝土特别适合于浇筑量大、浇筑高度大、钢筋密集、有特殊 形状的工程。近年来，自密实混凝土在实际结构中的应用逐年增加。在日本，己 建成的明石海峡大桥是世界上跨度最大( 主跨1 9 9 0 m ) 的悬索桥，该桥的2 个锚碇 是用自密实混凝土施工的。混凝土在工地附近的工厂搅拌，并从工厂泵送出来， 通过2 0 0 m 泵送管送到实际灌注工地，在灌注场的管路以3 5 m 间距成排布置， 每排管路上用5 m 间距的阀门进行灌注，这些阀门能够自动控制，以便使混凝土 保持水平。自密实混凝土粗骨料的最大粒径是4 0 r a m ，下料高度3 m 也未见离析， 第一章绪论 两个锚碇分别用了2 4 万m 3 和1 5 万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，使两个锚碇的施工从两年半缩短到两年，缩短 工期2 0 “。另外在西方，自密实混凝土也已经大量应用，比如1 9 9 8 年竣工的 瑞士水利电力项目c l e u s o nd i x e n c e 中，隧道长1 5 8 5 0 m ，斜井共3 9 2 0 m 长，总 共使用了7 3 0 0 0 m 3 的自密实混凝土填充在岩石与钢衬之间，作为混凝土衬砌； 1 9 9 9 年开工的l o e t s c h b e r g 铁路隧道长3 4 6 4 2 m ，共使用了8 0 0 0 0 0 m 3 的自密实混 凝土【1 ”。由于免振自密实混凝土具有十分良好的工作性，自1 9 9 9 年以来，在荷 兰已有2 0 多家生产企业将之应用于混凝土预制建筑构件的生产。至2 0 0 2 年其产 量达到2 5 0 0 0 0 立方米“。 自密实混凝土引入我国以后，在北京、深圳、济南等城市已经有自密实混凝 土应用于工程的实例，从1 9 9 5 年开始，浇筑量己超过4 万m ”。比如，福建省 漳州市的万松关隧道，二次衬砌混凝土设计总数量为2 5 0 0 0 m 3 ，设计衬砌断面为 圆拱形，衬砌厚度为3 5 5 0 c m ，浇筑最大高度为8 5 m ，混凝土中配筋密集，施 工时工作面小、振捣困难。针对以上特点，决定采用自密实混凝土。实际应用表 明自密实混凝土的应用降低了工人的劳动强度，由于其优异的施工性能，可大大 加快施工速率，并可避免由于振捣不足而引起混凝土的严重质量事故“。另外， 白密实混凝土在广( 广安) 一渝( 重庆) 高速公路华莹山隧道施工”“、北京理工大学 动力站及实验室工程中的大爆炸洞施工“副以及武昌造船厂装焊厂房施工“等 工程中的应用都说明了自密实混凝土具有优良的使用性能。但是。目前国内对于 自密实混凝土的研究只是生产企业或者研究院所的企业行为，还没有形成完整的 国家或者行业标准，这就限制了自密实混凝土的迸一步推广应用。 1 3 2 自密实混凝土的综合效益 免振捣自密实混凝土具有好的社会效益和经济效益。 我国混凝土从5 0 年代人工振捣成型到6 0 年代以后发展的机械振捣成型，带 动了混凝土技术的发展。采用人工振捣成型，混凝土的密实程度差，强度低，而 且不能用于干硬性混凝土，若要提高混凝土的坍落度又保证一定强度，只好用增 加水泥用量为主的方法，以获得一定的工作性能和强度，从而导致成本增加。以 高频振捣为主的机械振捣使混凝土的密实程度大为提高，因而提高了混凝土的强 度，而且可以使用干硬性混凝土，降低了水泥用量，是混凝士技术的一大进步。 但是机械振捣也存在弊端，那就是噪声很大，每分钟上万次的振动频率，已成为 建筑施工中的一大公害。就此北京市政府甚至制定了法规