自密实混凝土和易性的研究试验毕业论文.doc

自密实混凝土和易性的研究试验0. 绪论近年来混凝土工程不断向大规模化、复杂化、高层化方向发展，钢筋混凝土体内配筋越来越复杂，施工难度很大，许多情况下由于混凝土困难造成工程质量难以保证；对于已有建筑、桥梁的加固工程等，往往更是难以用普通混凝土进行正常施工；同时城市建筑物施工因混凝土振捣引起的噪音也越来越成为需要解决的重要问题。为了解决以上问题，特别需要开发施工中无需振捣成型的自密实高性能混凝土。自密实混凝土源于高性能混凝土而高于高性能混凝土，是高性能混凝土的一个重要分支和发展方向。高性能混凝土(High Performance Concrete，简称HPC)是上世纪八十年代末一些发达国家基于混凝土结构耐久性设计提出的新概念的混凝土。经过若干年的发展，不同国家对高性能混凝土性能要求的侧重点不同，美国学者对HPC着重于硬化后混凝土的性能，而日本人则重视新拌混凝土的工作性和自密实性。自密实混凝土( Self-Compacting Concrete, 简称SCC) , 指混凝土拌合物不需要振捣仅依靠自重即能充满模板、包裹钢筋,并能够保持不离析和均匀性, 达到充分密实和获得最佳的性能, 属于高性能混凝土的一种。采用自密实混凝土可以提高混凝土质量、节约水泥、降低噪音、提高生产效率、节省劳动力、加快工程进度、改善工作环境、降低工程费用等。经过多年的研究与工程应用实践, 在自密实混凝土的配合比设计、评估方法及工程应用方面取得了较好的成果13。北美和欧洲的一些HPC主要强调混凝土的高强度和耐久性，至于工作性，仅靠提高流动性来方便浇灌，但混凝土并不能依靠本身重力自由流淌填充模板的每个角落和所有钢筋间隙，换言之，在施工过程中HPC仍然需要振捣或碾压。相比之下，自密实混凝土具有更好的特性，除了基本的高流动性、良好的抗离析性外，在浇注过程中由于无需振捣而表现出显著的自密实性，拌合物均匀密实，硬化后也能获得优良的力学和耐久性能1。目前，自密实混凝土已广泛应用于各类工业民用建筑、道路、桥梁、隧道及水下工程、预制构件中，特别是在一些截面尺寸小的薄壁结构、密集配筋结构等工程施工中显示出明显的优越性。在一些复杂结构中，加固建筑，以及大体积复杂结构中都有应用。从20世纪80年代末开始，我国高强混凝土开始应用，到90年代中期，在研制高性能混凝土及高性能外加剂的基础上，越来越多的高强混凝土脱离了单纯高强的范畴，而转向高耐久性、大流动性、超高度泵送、自密实不振捣等高性能混凝土。1996 年,北京城建集团构件厂研制的免振捣自密实混凝土获得国家专利,成为SCC 成功运用于钢筋混凝土结构的先例。尤其是最近一些国家标志性建筑比如国家大剧院，国家体育场，新北京南站都大量使用了自密实混凝土。对自密实混凝土的基本理论研究工作，如配制方法、施工技术、质量控制和混凝土硬化后的基本物理力学性能、耐久性能研究方面取得相当成就，在此基础上中国土木工程学会于2004年实施的第一个自密实混凝土标准，规范囊括了自密实混凝土的配合比设计、结构设计、生产施工、质量验收等方面，2006年中国工程建设标准化协会年颁布了自密实混凝土应用技术规程。同时，出现了自密实混凝土与其它技术(如纤维增强混凝土、自应力混凝土、钢管混凝土)相结合使用的趋势。甚至出现了一些可持续发展的新型自密实混凝土材料，自密实轻集料混凝土、自密实再生骨料混凝土、自密实废弃轮胎混凝土等2-6。1.立项依据1.1 研究意义自密实混凝土(Self Compacting Conctete 或Self-Consolidating Concrete 简称SCC)是指在自身重力作用下，能够流动、密实，即使存在致密钢筋也能完全填充模板，同时获得很好均质性，并且不需要附加振动的混凝土。SCC的硬化性能与普通混凝土相似，而新拌混凝土性能则与普通混凝土相差很大。自密实混凝土的自密实性能主要包括流动性、抗离析性和填充性。每种性能均可采用坍落扩展度试验、V漏斗试验（或T50试验）和U型箱试验等一种以上方法检测7。T1P1Tassions 1973 年从工程应用角度将工作性分解为流动性、可泵性、稳定性、均匀性、易密实性和终饰抹面性等几个方面5 。同一般大流动性混凝土相比,SCC 的工作性内涵有所扩大：（1) 高流动性:保证混凝土能够绕过障碍物,充分填充模型内每个角落；（2) 高稳定性:保证混凝土质量均匀一致,即不泌水,骨料不离析；（3) 通过钢筋间隙能力:保证混凝土穿越钢筋间隙时不发生阻塞；（4) 自充填性:是流动性、稳定性和间隙通过性的最终结果。在“十五”国家科技攻关项目“新型高性能混凝土的研究和应用”的支持下，中国建筑材料科学研究院、武汉理工大学等单位对自流平混凝土组成和性能之间的关系进行了系统研究。众所周知，配制混凝土首先要确定混凝土配合比。目前混凝土配合比设计的方法一般都是先计算，再试验调整，因此，配合比计算是确定自密实高性能混凝土配合比的第一个环节。自密实混凝土配合比与普通混凝土配合比有很大差别，至今没有形成统一的设计计算方法。在任何情况下都能通用的混凝土配合比是不存在的，但针对自密实高性能混凝土特点和规律的配合比计算方法应该是能够找到的，探讨自密实高性能混凝土配合比计算方法对自密实混凝土的研究和应用有着重要的意义。171.2 国内外现状早在20世纪70年代早期，欧洲就已经开始使用轻微振动的混凝土，但是直到20世纪80年代后期，SCC才在日本发展起来。日本发展SCC的主要原因是解决熟练技术工人的减少和混凝土结构耐久性提高之间的矛盾。欧洲在20世纪90年代中期才将SCC第一次用于瑞典的交通网络民用工程上。随后EC建立了一个多国合作SCC指导项目。从此以后，整个欧洲的SCC应用普遍增加。80年代后半期,日本东京大学教授村甫开发了“不振捣的高耐久性混凝土”,称之为高性能混凝土(High Perfor-mance Concrete)。1996年在美国泰克萨斯大学讲学中,甫村称该混凝土为自密实高性能混凝土(以下简称自密实混凝土self compacting concrete)。之所以称为高性能,是因为具有很高的施工性能,能保证混凝土在不利的浇筑条件下也能密实成型,同时因使用大量矿物细掺料而降低混凝土的温升,并提高其抗劣化的能力,而可提高混凝土的耐久性16-25。自密实混凝土即拌合物具有很高的流动性而不离析、不泌水,能不经振捣或少振捣而自动流平并充满模型和包裹钢筋的混凝土。自密实混凝土综合效益显著,特别是用于难以浇筑甚至无法浇筑的部位,可避免出现因振捣不足而造成的空洞、蜂窝、麻面等质量缺陷。强度等级越高,比常态混凝土费用越低。自密实混凝土配制的关键是满足良好的流变性能要求。自密实混凝土属于高流动性混凝土的一部分。至1994年底,日本已有28个建筑公司掌握了自密实混凝土的技术。从日本19921993年各学会、技术刊物等发表的自密实的高性能混凝土在土木工程中应用实例来看,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、有特殊形状等的工程。在西方也有不振捣的混凝土的应用,如美国西雅图65层的双联广场钢管混凝土柱,28d抗压强度115MPa。混凝土从底层逐层泵送,无振捣。在美国为了保证混凝土的浇筑质量以保证钢筋和混凝土的整体性,在密筋的钢筋混凝土和几何形状复杂的结构中,也使用高坍落度而能自流平的混凝土,但强调仍需要适当的振捣以确保混凝土的足够密实。近年来由于在日本不断有采用自密实混凝土成功的工程实例,美国也开始注意该项技术。在我国北京、深圳、济南等城市也开始使用自密实混凝土,从1995年开始,浇筑量已超过4万m3。主要用于地下暗挖、密筋、形状复杂等无法浇筑或浇筑困难的部位、解决扰民问题、缩短工期等。自密实高性能混凝土的独特优点，近年来引起了国内研究者的兴趣。国内的一些研究机构和高等院校对自密实高性能混凝土的材料和结构性能进行了研究，取得了可喜的成绩。国内外研究者们按照预定的目标，根据试验、经验和一定的数学方法提出了一些配合比，这些配比比较零散，而且研究者一般只对配合比的设计提出一些原则而较少对配合比的由来加以介绍。由于原材料和配制工艺以及工作性评价方法的差异，人们得到的配合比数据差异较大，进行试验验证时复演性差。台湾有人根据最大密度理论和富余浆体理论提出了密实拌合物计算法则，但是该方法和混凝土拌合物通过钢筋的能力或抵抗离析的能力之间的关系还未见报道。从大陆自密实高性能混凝土研究的文献上看，自密实混凝土配合比计算方法一般有两类：直接引用高性能混凝土配合比计算的一些方法和固定砂石体积含量的计算方法。下文将对采用高性能混凝土配合比计算的一种方法全计算法和固定砂石体积含量法计算自密实高性能混凝土配合比进行简单的介绍和计算对比。近年来混凝土工程不断向大规模化、复杂化、高层化方向发展，钢筋混凝土体内配筋越来越复杂，施工难度很大，许多情况下由于混凝土困难造成工程质量难以保证；对于已有建筑、桥梁的加固工程等，往往更是难以用普通混凝土进行正常施工；同时城市建筑物施工因混凝土振捣引起的噪音也越来越成为需要解决的重要问题。为了解决以上问题，特别需要开发施工中无需振捣成型的自密实高性能混凝土。自密实混凝土(Self-Compacting Concrete，简称SCC)，是指在浇筑过程中无需施加任何振捣，仅依靠混凝土自重就能完全填充至模板内任何角落和钢筋间隙的高性能混凝土。与普通混凝土相比，单从混凝土经济方面考虑，因自密实混凝土外加剂比普通泵送混凝土要求高，而前者水泥用量大幅度降低；对C35级而言，二者造价基本相当6。对C35级以上自密实混凝土而言，因随混凝土强度等级的提高，二者水泥用量相差较大，而混凝土外加剂造价差减小以至持平。故：高等级自密实混凝土造价并不高。即使C30级自密实混凝土，因其简化施工工序，可节省人工费6元/m3,节省机具和耗电费2.05元/m3,再加上缩短工期，提高耐久性能，消除噪音等，综合效果显著。自密实混凝土具有以下几个优点10：（1）自密实混凝土具有卓越的流动性和自填充性能，能够通过钢筋密集、结构截面比较复杂的工程部位，填充密实，且不离析、不泌水，确保较高的均质度，从而保证其工程质量，提高了混凝土结构的耐久性，解决不易或无法实施振捣作业构件的浇筑问题：（2）与使用机械振捣密实的混凝土相比，自密实混凝土免去振捣工序，依靠自重成型密实，降低了施工噪音，改善了施工环境和现场周边环境，有利于环保；（3）使用自密实混凝土能提高浇筑速度，大大简化了混凝土结构的施工工艺，提高施工效率和施工质量，缩短施工工期；（4）使用振动密实工艺需要一定数量的设备和技术熟练工人，而自密实混凝土可以改善这一现状，节约施工成本和节省劳动力，且混凝土强度等级越高，与普通混凝土相比，节约成本越高。由于自密实混凝土的诸多优点, 其应用前景非常广阔, 但由于开发与应用的历史较短。尚有一些问题及内容需要进行更深入的研究:(1) 早期收缩问题。由于自密实混凝土水胶比较低、胶凝材料用量较高, 使得混凝土早期的收缩较大, 尤其是早期的自收缩。目前的研究主要集中于考察自收缩率的影响因素及其程度上, 而在自收缩的收缩机理、计算公式及检测方法上尚需进一步研究。(2) 配合比设计方法。自密实混凝土对工作性要求较高, 配合比计算涉及的因素较多, 至今没有形成统一的设计计算方法。随着计算机的普及, 在大量试验的基础上, 考虑各种因素对SCC 的工作性和力学性能的影响, 以及经济性, 应用计算机进行配合比优化设计将成为可能。(3) 物理力学性能和耐久性能的认识。自密实混凝土的施工性能已得到了比较充分的研究, 但是在掺入大量的高效减水剂后, SCC 的物理力学性能和耐久性能是否发生变化及其变化规律, 目前还不是十分了解。(4) 自密实混凝土的抗震性能。这是混凝土结构设计中的一个重要问题, 值得更深入的研究。如果在其中掺入纤维增强材料制成纤维增强自密实混凝土, 将会在结构抗震中发挥重要作用。(5) 经济性问题。自密实混凝土的材料成本要略高于普通混凝土, 这也成为应用SCC 的主要障碍。但是SCC 具有普通混凝土无法比拟的优良性能, 应将SCC 与环境保护、生态保护和可持续发展结合起来综合考察其经济指标, 尽快推动SCC 在我国的广泛应用。1.3应用现状到2004 年日本自密实混凝土总使用量已超过250 万m3,并且在混凝土制品中的应用有逐年增加之势。其中较典型的工程应用是跨度为1990m 的明石海峡大桥( 悬索桥) , 由于采用自密实混凝土施工, 工期由2.5 年缩短为2年, 缩短工期20%。另一实例为Osaka Gas Company 的大型液化天然气池的池壁, 用SCC 浇筑施工时间从22 个月减至18 个月, 混凝土施工人数从150 人减至50人。SCC 在日本的应用已经取得了较大的社会效益和经济效益。欧美各国也在大力推广自密实混凝土的应用。美国西雅图双联广场是迄今为止自密实混凝土应用中强度最高的。该工程混凝土设计强度为79MPa, 实测28d 强度119MPa, 91d强度145MPa。由于采用了超高强的自密实混凝土, 从而降低结构成本30%。荷兰大约75%的预制混凝土采用自密实混凝土。根据一些企业的生产实践, 认为免振自密实混凝土材料成本虽比普通混凝土增加5%-15%, 但其增加的费用完全可以由减少的劳动力工时与所耗的环境保护治理费来补偿7。瑞典应用自密实混凝土减轻操作工人的劳动强度; 德国预制行业应用自密实混凝土可降低造价3.5%-6.8%, 并颁布了自密实混凝土技术规范； 丹麦在地铁和隧道中都应用了自密实混凝土。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、高强自密实混凝土、大体积自密实混凝土、预制轻质自密实混凝土、补偿收缩自密实混凝土、自密实钢纤维混凝土、“三明治”自密实混凝土和再生骨料自密实混凝土等。在我国,自密实混凝土的研究及应用相对较晚,但在最近几年发展非常迅速,北京、深圳、南京、济南、长沙等城市陆续有了自密实混凝土的应用报道,应用领域也从房屋建筑扩大到水工、桥梁、隧道等大型工程：北京城建集团总公司构件厂通过混凝土外加剂、胶结材料和粗细骨料的选择与搭配和配合比的精心设计，研制出了自密实混凝土，其已被列为建设部九九科技成果重点推广项目；1998年，中建二局南方公司承建的施工高度为352.5m的深圳赛格广场钢管混凝土中使用了高抛免振捣自密实混凝土，填补了我国建筑行业的一项空白；中国建筑科学研究院建筑工程材料与制品研究所研制成功的既能高位抛落又能低位浇筑的免振捣自密实高性能混凝土，已通过了专家鉴定；济南四建研制的自密实混凝土于2000年3月获得济南市科委三等奖；锡宜高速公路京杭运河大桥跨沪宁铁路和京杭大运河，在施工中采用了C50自密实微膨胀混凝土；在深圳南方国际广场的施工中，使用了C1O0自密实钢管混凝土；汉国际会展中心的主楼中庭轴的钢骨混凝土中使用了C40高保塑自密实混凝土8。2 试验研究概况2.1本文研究内容近年来,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干硬混凝土,现在又回到塑性混凝土及自密实混凝土的一系列变革。而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土技术的一个最新发展方向。由于使用掺有矿渣粉煤灰的自密实混凝土可以改善混凝土的施工性能和减低劳动成本,有利于环境保护且减少了水泥的用量,同时还能提高硬化后混凝土的力学性能和耐久性,因此世界各国都非常重视免振捣自密实混凝土的研究与应用,为研制现代化的施工方法及体系奠定了基础,具有广阔的发展前景。选择合理的原材料，测定出原材料的各项物理性能：（1）通过测试不同品种的高效减水剂和水泥的相容性，我们选择的高效减水剂为育才、创新LCX-9、华伟NOF-2C，根据试验效果找出最好的一种；（2）通过测试10%30%掺量的粉煤灰与高效减水剂和水泥的相容性，从而确定粉煤灰的最佳产量；（3）测出砂子的细度模数、表观密度、堆积密度、含泥量，石子的颗粒级配、表观密度、堆积密度，水泥和粉煤灰的表观密度。通过查阅相关资料得出骨料、粉煤灰掺量、水胶比及减水剂掺量等因素对自密实混凝土拌和物性能与力学性能的影响很大，制定因素水平表。通过正交试验方法确定混凝土的配合比，整理试验数据找出影响自密实混凝土拌和物性能与强度的主要因素，最后配制出性能优异的粉煤灰自密实混凝土。2.2 自密实混凝土的密实机理自密实混凝土与普通混凝土的最大区别在于其具有较低的屈服应力值和较高塑性黏度，使得自密实混凝土在具有良好流动性的同时又具有较高的抗分离、自填充能力。其密实机理主要源自以下几个方面9：2.2.1 浆体的粘聚作用自密实混凝土的流体模型按流变学理论10，混凝土拌合物大致符合宾汉姆流体模型，其流变方程为： （2-1） 自密实混凝土之所以能达到自密实，就是因为其流变学常数中的屈服应力T0较小而塑性粘度较大。0小混凝土容易流动，大则混凝土较为粘稠，能减小骨料间摩擦，降低体系剪切力，抑制骨料堆积而控制离析。在水泥浆中掺入适宜增稠剂既能改善骨料间的摩擦，又能有效降低体系的屈服应力，从而使混凝土获得良好的填充性和高抗离析。2.2.2 掺合料的粉体效应在自密实混凝土中，矿物掺合料不但具有微粉填充效应和分散效应，还有火山灰效应。填充效应可减小水泥粒子之间的空隙，同时分散效应又将水泥颗粒高度分散，使混凝土拌合物在提高混凝土粘聚性的同时增加了流动性。火山灰效应则是矿物掺合料和水泥的水化产物发生二次水化，可显著改善骨料与水泥石过渡层的致密度，同时也改善了水泥石的孔结构，使混凝土不但在浇注初期达到密实，就是在硬化阶段也具有良好的力学性能。2.2.3 组分的最大堆积密度作用自密实混凝土中各组分粒径要求满足“最大堆积密度理论”，即粗骨料的空隙由细骨料来填充，细骨料的空隙由水泥来填充，水泥粒子之间的空隙由矿物掺合料来填充。只有混凝土的各组分粒径搭配合理，才能达到最大程度的密实。2.2.4 高效减水剂的上浮作用普通混凝土在浇筑时会裹入一部分气泡影响密实度。而自密实混凝土在高效减水剂的作用下，表面张力显著降低，随自重下沉时，迫使气泡上浮、聚集并生成更大的气泡，大气泡具有更大的浮力，将进一步上浮最终浮出混凝土表面，使混凝土密实。2.3 自密实混凝土相关规定自密实混凝土的主要技术指标要求如下：（1）坍落度为220mm，经时损失城20mmh；（2）坍落扩展度为600mm；（3）填充性为 U型连通器试验，高差h5mm；（4）抗离析性能良好。 表2.3.1 自密实混凝土等级指标性能等级一级二级三级U型箱试验填充高度（mm）320以上（隔栅型障碍1型）320以上（隔栅型障碍2型）320以上（无障碍）坍落扩展度（mm）700506505060050T50(s)520320320V漏斗通过时间(s)1025725425应根据结构物的结构形状、尺寸、配筋状态等选用自密实性能等级。对于一般的钢筋混凝土结构物及构件可采用自密实性能等级二级11。一级：适用于钢筋的最小净间距为3560mm、结构形状复杂、构件断面尺寸小的钢筋混凝土结构物及构件的浇注；二级：适用于钢筋的最小净间距为60200mm的钢筋混凝土结构物及构件的浇注；三级：适用于钢筋的最小净间距为200mm以上、构件断面尺寸大、配筋量少的钢筋混凝土结构物及构件的浇注，以及无筋结构物的浇注。2.3.1 自密实混凝土配合比相关规定：（1）浆骨比自密实混凝土可看成由固液两相组成的3 层体系(见图1) 。浆体的粘性是影响混凝土0和的重要因素。欲获得对流动中发生堵塞有较高的抵抗力,一是赋予液相一定的粘度提高两相间的粘着力,使液相具有足够的能力携带固相颗粒一起变形流动。这就需要一定的胶结料浆体含量,一般为3545%。另一是采用较小的粗骨料体积含量,以减少粗大颗粒在狭窄空间内频繁接触发生堆集堵塞的概率(见图2) 。SCC 应选择质地坚硬、密实、洁净的骨料。粗骨料针片含量少, 最大粒径一般在16mm20 mm范围,且间断级配往往优于连续级配,因为前者的内摩擦低于后者,对改善流动性有利。细骨料宜选用级配良好的中砂或粗砂,砂中所含小于0.125 mm 的细粉对SCC 流变性能非常重要,一般要求不低于10%。但对混凝土而言,过小的粗骨料体积含量会使弹性模量下降较多而产生较大的收缩,因此,确定最佳浆骨比是配合比设计的关键。水胶结料胶结料浆体砂砂浆石子混凝土图2.3.1 3层体系（2）砂率 减小砂浆与粗骨料之间的相互分离作用,还可通过增加混凝土砂率的办法加以实现,但砂率值过大会影响SCC 的弹性模量和抗压强度,一般宜控制在40%45%。砂浆中砂体积含量大于44%，易堵塞；其值小于42%不产生堵塞，但砂浆的收缩值随砂体积含量的减少而增大。故砂在砂浆中体积以42%44%为宜。图2.3.2 可能导致SCC 堵塞的原因（3）矿物掺合料石粉:石灰石、白云石、花岗岩等的磨细粉, 粒径小于0.125 mm 或比表面积(250800) m2/ kg , 作为惰性填料,用改善和保持SCC 的工作性。粉煤灰:火山灰质掺合料,优质粉煤灰能够改善SCC 的流动性,有利于硬化混凝土的耐久性。应优先选用。磨细矿渣:火山灰质掺合料,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:高活性火山灰质掺合料,用于改善SCC 的流变性能和抗离析能力,提高硬化混凝土的强度和耐久性。应优先选用。可以按净浆和砂浆流动度试验确定不同种类掺合料的具体用量,也可根据实际情况和经验选取合理值,可大于胶凝材料总量的30%。（4）水灰比众所周知，水灰比大的浆体浓度小，混凝土有较好的流动性，但混凝土强度随水灰比的增大而减小。因此水灰比按混凝土强度、耐久性选择确定,一般在0.40 以下,且用水量不宜超过200 kg/m3 。（5）外加剂宜采用减水率20%以上的高效减水剂,复合使用高效减水剂和普通减水剂也可获得较好效果。减水剂的掺量及减水率应经试验决定。除此之外,也可掺入增粘剂和引气剂等外加剂。2.3.2 自密实混凝土的拌制拌合物的工作性随拌合时间的延长而降低，在搅拌的最初几分钟表现最为明显。一般来说，搅拌时间越长，工作性能越低。而抗压强度越大。不同的拌合物，允许各自的拌合时间在一定的范围内变化，而较小地影响其工作性。搅拌机应符合现行国家标准混凝土搅拌机GB/T9142的规定，宜采用强制式搅拌机。当采用其他类型的搅拌设备时，应根据需要适当延长搅拌时间。投料顺序宜先投入细骨料、水泥及掺合料搅拌20S后，再投入2/3的用水量和粗骨料搅拌30S以上，然后加入剩余的水量和外加剂30S以上。当在冬季施工时，应先投入骨料和全部净用水量后搅拌30S以上，然后再投入胶凝材料搅拌30S以上，最后加外加剂搅拌45S以上（如图2.3.3）。 配制混凝土所用称量和搅拌设备见下图 图2.3.3. 卧式搅拌机2.4 粉煤灰用于自密实混凝土用于自密实混凝土的粉煤灰应符合现行国家标准，用于水泥和混凝土中的粉煤灰GB/T1596中级或级粉煤灰的技术性能指标要求（表2）。强度等级高于C60的自密实混凝土宜选用级粉煤灰。C类粉煤灰的体积安定性检验必须合格。表2.4.1 粉煤灰技术性能指标项目级别及技术性能指标级级细度（45m方孔筛筛余）（%）12.025.0需水量比（%）95105烧矢量（%）5.08.0含水量（%）1.0三氧化硫（%）3.0游离氧化钙（%）F类粉煤灰1.0C类粉煤灰4.02.4.1粉煤灰的特性粉煤灰又称飞灰，是一种颗粒非常细以致能在空气中流动并能被特殊设备收集的粉状物质。我们通常所指的粉煤灰是指燃煤电厂中磨细煤粉在锅炉中燃烧后从烟道排出、被吸尘器收集的物质。简单地说，粉煤灰呈灰褐色，通常呈酸性，比表面积在25007000cm2/g，尺寸从几百微米到几微米，通常为球状颗粒，主要成分为SiO2、Al2O3和Fe2O3，有些时候还含有比较高的CaO。粉煤灰是一种典型非匀质性物质，含有未燃尽的碳，未发生变化的矿物（如石英等）的碎片等，而相当大比例（通常大于50%），是粒径小于0.01的球状铝硅颗粒。粉煤灰由于其本身的化学成分、结构和颗粒形状等特征，在混凝土中可产生下列三种效应，总称为“粉煤灰效应”14：（1）活性效应 粉煤灰中所含的SiO2和Al2O3具有活性，它们能与水泥水化产生的Ca(OH)2反应，生成类似水泥水化产物中的水化硅酸钙和水化铝酸钙，可作为胶凝材料的一部分而起增强作用。（2）颗粒形态效应 煤粉在高温燃烧过程中形成的粉煤灰颗粒，绝大多数为玻璃微珠，掺入混凝土中可减小内摩擦力，从而可减少混凝土的用水量，起减水作用。（3） 微细料效应 粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥浆内，填充孔隙和毛细孔，改善了混凝土的孔结构和增大密度。由于上述效应的结果，粉煤灰可以改善自密实混凝土拌合物的流动度、保水性、可泵性，并能降低混凝土的水化热，提高自密实混凝土的抗化学侵蚀、抗渗、抑制碱骨料反应等耐久性能。粉煤灰取代混凝土中部分水泥后，自密实混凝土的早期强度有所降低，但后期强度可以赶上甚至超过未掺粉煤灰的混凝土。2.4.2 粉煤灰的掺加方法混凝土内掺入粉煤灰的效果，与掺入方式有关。矿物掺合料的加入有“等量取代法”、“超量取代法”和“外加法”。粉煤灰常用掺加方法有等量取代法、粉代砂法、超量取代法和双掺法：（1）等量取代法这种方法，由于混凝土内水泥用量的减少，可节约水泥并减少混凝土发热量，还可改善混凝土的和易性，提高混凝土抗渗性，故常用于大体积混凝土，如混凝土坝等，但由于粉煤灰活性降低，掺灰后混凝土早期强度及28天强度降低，但随着龄期的延长，混凝土强度可逐渐赶上基准混凝土（不掺粉煤灰时的混凝土）。（2）代砂法粉煤灰代砂法即掺入粉煤灰时，仍保持混凝土的水泥用量不变，减少混凝土中砂的用量。此法由于粉煤灰具有火山灰活性，混凝土强度将高于基准混凝土，混凝土黏聚性及保水性将显著优于基准混凝土。另外以粉煤灰代砂，可以减少粉煤灰污染，节约骨料资源。（3）超量取代法为了保持掺粉煤灰后混凝土28d强度及和易性不变，常采用超量取代法。即粉煤灰的掺入量大于所取代的水泥量，多出的粉煤灰取代等体积的砂。此法可以弥补掺粉煤灰后混凝土早期强度低的缺点，所以应用较广15。（4）双掺法混凝土中掺入粉煤灰时，常与减水剂或引气剂等外加剂同时掺用，称为双掺技术。减水剂的掺入可以克服粉煤灰将增大混凝土需水量的缺点；引气剂的掺用，可解决粉煤灰抗冻性低的问题；在低温下施工时还宜掺入早强剂或防冻剂。2.4.3粉煤灰对自密实混凝土性能的影响(1)增加新拌混凝土的流动性新拌浆体中的水有两个部分：一部分是填充水，它填充在颗粒问的空隙中，对浆体的流动性没有贡献；另一部分是表面层水，它在颗粒表面形成水膜层，浆体的流动性取决于水膜层的厚度。自密实混凝土中超细粉掺合料较小的颗粒粒径与水泥颗粒在微观上形成级配体系，将原来填充在空隙之中的填充水置换出来成为自由水16，是粉煤灰微粒的“解絮”作用，粉煤灰表面光滑致密呈圆形颗粒，它们包裹在粗糙的水泥颗粒和骨料表面具有“滚珠”润滑作用，减少内摩擦阻力而增大混凝土的流动性，这就是粉煤灰的物理减水作用。同时，粉煤灰属于玻璃体材质，它具有很高的表面能而迅速吸附减水剂分子，在水泥颗粒之间形成静电斥力使浆体液态化。(2)强度掺粉煤灰并置换部分水泥的混凝土，早期强度会降低，长龄期强度则有相当的增长。粉煤灰的质量和置换率、水泥的质量、混凝土的水灰比、养护条件、龄期等都对长龄期的强度增长有影响。(3)抗渗性与不掺粉煤灰的混凝土相比，掺粉煤灰的混凝土早期抗渗性较低，而长龄期的抗渗性有很大的改善。(4)耐久性与强度相等且含气量相同的基准混凝土相比，掺粉煤灰的混凝土抗冻融能力基本相当，但粉煤灰的含碳量（烧失量）较高时，对混凝土抗冻融与抗碳化能力均有很大影响。(5)水化热粉煤灰置换部分水泥的混凝土，在硬化过程中产生水化热的速度将得到缓和，水化放热总量也将进一步减少。(6)干缩及弹性模量用粉煤灰取代部分水泥配制混凝土，在用水量不增加的前提下有利于减少混凝土的干缩。粉煤灰对混凝土弹性模量与抗压强度的影响规律类似，早期使弹性模量下降，后期逐步提高17。2.5 自密实混凝土的原材料及其试验自密实混凝土是近二十几年才慢慢发展起来的高性能混凝土，高效减水剂的出现使其配制成为可能。其是采用较大的砂率和提高胶凝材料用量的方式提高混凝土的流动性能，采用掺合料（粉煤灰）调节混凝土的粘度，采用聚羧酸高效减水剂减小混凝土拌合物的屈服应力，提高拌合物流动速度和耐久性。2.5.1胶凝材料水泥：河北太行水泥集团有限公司生产的PO 42.5 级普通硅酸盐水泥，其基本性能见表2.5.1表2.5.1 水泥基本性能密度（g/cm3）凝结时间（h:min）初凝 终凝标准稠度用水量（%）安定性（饼法）细度（%）抗折强度（MPa）3d 28d抗压强度（MPa）3d 28d3.112:353:4528.5未见翘曲未见裂纹1.25.08.627.951.6粉煤灰：马头电厂生产的级灰，比表面积为 4600cm2/g，密度为2.33g/cm3， 其基本性能见表2.5.2表.2.5.2 粉煤灰基本性能 细度（%）含水率（%）需水量比（%）烧失量（%）20.00.03983.012.5.2骨料细骨料：河砂属细砂表2.5.3 细骨料技术指标种类细度模数含泥量（%）泥块含量（%）表观密度Kg/m3堆积密度Kg/m3空隙率（%）河砂2.12.802670149544.01对细骨料进行筛分析的结果见下表表2.5.4 细骨料筛分析结果方孔筛孔径mm分计筛余量kg分计筛余百分率%累计筛余百分率%4.752.361.180.600.300.15筛底细度模数级配评定5.517.332.2112.5183.277.667.01.103.466.4422.5036.6415.5213.401.104.5611.0033.5070.1485.6699.062.1该砂属于细砂，按区评定，在0.15mm筛上的累计筛余百分率超出规定范围4.34，级配合格粗骨料：河北邯郸产石灰石碎石，其技术指标见表 2.5.5表2.5.5 粗骨料技术指标颗粒粒级mm含泥量%泥块含量%针片状颗粒含量 %压碎指标%表观密度Kg/m3堆积密度Kg/m35250.50.48.86.329401356对粗骨料进行筛分析的试验结果见表.2.5.6表2.5.6 粗集料筛分析结果方孔筛孔径mm分计筛余量kg分计筛余百分率%累计筛余百分率%26.519.016.09.54.752.36底盘0.030.361.614.660.330.0020.0040.435.1423.0066.574.710.030.060.435.5728.5795.1499.8599.8899.942.5.3高效减水剂高效减水剂为FDN型高效减水剂，减水率为10%-15%，经试验测得与水泥的适应性良好。2.6 自密实混凝土配合比设计在混凝土研究和生产领域，配合比设计（Mix Design）非常重要且变化无穷。配合比设计的字面意思为“混合物设计（Design of the Mixture）”。实际上就是根据操作要求（工作性和使用骨料）、性能（强度、耐久性等）及服役环境，设计混凝土拌合物各单独组分的用量。2.6.1 配合比设计原则为保证自密实混凝土的顺利施工，本文提出了如下混凝土配制原则：（1）保证足够的胶凝材料用量，以确保混凝土的大流动性和黏聚性；（2）大量掺加粉煤灰以改善混凝土和易性，增加流动性，同时进一步降低高强混凝土的水化热；（3）在配合比设计中掺加优质高效减水剂，降低混凝土单方用水量，降低水灰比，提高混凝土强度，改善混凝土和易性，提高混凝土流动性；（4）为保证混凝土的大流动性，同时保证混凝土强度，在粗骨料的选择上，采取最大粒径为 20mm的连续级配的机碎石。自密实混凝土配合比设计的参数有：拌和物中的粗骨料松堆体积、砂浆中的砂体积、浆体中的水胶比、胶凝材料中的细掺料用量。2.6.2 配合比设计目的配合比设计是为了确定其各个组成材料之间比例的方法。其目的之一是获得基本性能符合要求的混凝土，包括新拌混凝土的工作度、硬化混凝土在规定龄期的轻度和耐久性。工作度是决定混凝土拌和物在浇筑、捣实和抹面时难易程度的性质，它比前面所用的流动性代表的含义要广泛得多，并且没有一个确定的指标，而因所采用的工艺也有所变化。例如浇筑没有钢筋的路面混凝土和钢筋密集的混凝土柱子，工作度应该是不同的；施工高层建筑时用泵送输送的混凝土和用塔吊运送的混凝土，工作度也不能一样。从结构的安全角度出发，根据设计荷载得到的混凝土强度，应该作为最低强度要求。考虑到原料、搅拌、运输、浇筑以及试件制作、养护和实验时可能产生的变异，需要根据统计学的基本原理确定配合比，使依据配合比配制出的混凝土强度平均值要比最低强度高出一定范围，即通过下式计算得出式中，为混凝土配制强度（MPa）；为混凝土立方体抗压强度标准值；为混凝土强度标准差。就是强度平均值比最低强度高出的范围，系数1.645是保证率为95%时的概率度；标准差或者变异系数取决于混凝土生产水平的高低。结构在一般暴露条件下，如果能够达到必要的强度，耐久性通常不会有太大的问题。但是对于在严酷环境条件工作的结构物，例如桥梁、港口的防波堤、地下与海底隧道、高寒与炎热地区的结构等，在进行配合比设计时就需要首先从满足耐久性要求来考虑。例如，所有可能受冻害的地区，混凝土就需要掺引气剂，保证一定含气量；可能受硫酸盐土质或水质侵蚀的混凝土，就需要掺矿物掺和料与减水剂。很多情况下，虽然采用较高水胶比已经满足强度要求，但考虑到暴露环境的作用，不得不规定较低的最大水胶比。配合比设计的另一目的，是在混凝土拌和物性能满足要求的前提下，价格要尽可能地便宜。即选择组成材料时不仅必须适用，而且要经济。因为混凝土的生产量通常都很大，价格上微小的差异就可能带来总体费用上巨大的浪费。例如，在工程所在地附近可买到的水泥含碱量超标，而骨料又基本上没有呈现碱活性时，如果一定要求适用远途运来价格较高的低碱水泥，就额外增加了费用，使混凝土单价提高。另外，如果近处的骨料确实含碱活性颗粒，在高碱水泥中掺矿物掺和料可能是节约而又有效的选择方案。2.6.3 配合比设计步骤依据普通混凝土配合比设计规程(JGJ55-2000)(J64-2000)以及建筑施工计算手册。在实验前，通过查阅资料首先确定以下参数：（1）、本实验混凝土配置强度设为C30，坍落度220mm.（2）、选用FDN减水剂，所选外加剂的减水率按12%计算，外加剂的掺量为1.5%，粉煤灰的超量取代系数取为1.4由于本实验采用正交设计方法，共需设计9组实验，这里以第五组为例：第一步：确定配置强度我们仍然按照书上给定的公式来进行配制强度的计算： （1）其中：混凝土强度标准差（N/mm2）。取=5.00（N/mm2）； fcu，0混凝土配制强度（N/mm2）；fcu，k混凝土立方体抗压强度标准值（N/mm2），取fcu，k=30（N/mm2）；那么就有 （2）故取配置强度。第二步：水灰比计算混凝土水灰比按下式计算： （3）式中的A、B为回归系数；为水泥胶砂强度标准值；为混凝土立方体抗压强度标准值。回归系数A和B应根据工程所使用的水泥、骨料和通过实验建立的灰水比与强度关系确定；无实验统计资料时，对碎石混凝土A=0.46，B=0.07；对卵石混凝土A=0.48，B=0.33。本次实验中使用的是碎石骨料，所以取A=0.46，B=0.07。从而，可以计算出所需要的水灰比为 0.54 (4)第三步：用水量及含气量计算在工作度一定时，用水量取决于石子的最大粒径、粒形和级配，由于书中给出的用水量选择的表格是来自普通混凝土配合比设计规程（JGJ/T55）的，恰好适合我们进行C30的配制，所以我们就采用书上的表格。 根据我们所配置的为C30的自密实混凝土，并掺大约20%的粉煤灰，所以用水量根据坍落度可以计算得到，应该在235kg/m3左右，mw1705（22090）20232.5 Kg/m2 (5)在配制中，为了降低水灰比，我们还要使用减水剂。实验给定的减水剂为FDN高效减水剂，其参考掺量为：C30混凝土，1.0-2.0%，减水率为15%左右；C60混凝土，1.5%1.8%，减水率为25%；C80混凝土，2.0%，减水率为30%。根据我们配制的强度来看，我们选择了1.0%的掺量，减水率为15%。那么由mwa（112%）232.5204.6Kg/m3 (6)我们就取定用水量为205kg/m3。由于我们并不涉及到抗冻性的设计，所以这里就不对含气量进行相关的限制了，只要实配时搅拌均匀，成型时振动密实，其含气量对于混凝土的性能是没有太大影响的。第四步：水泥用量计算根据之前的水灰比与用水量我们可以确定出水泥用量 mcmwa (W/C)2050.54379.6Kg/m3我们取其为mc380 Kg/m3我们使用了20%的粉煤灰，而且采用超量取代，超量系数为1.4，所以水泥的用量应调整为 mc038080%304 Kg/m3粉煤灰的质量应该为 mf38020%1.4106.3 Kg/m3之前提到减水剂的用量为1.5%，故其质量为ma（304106.3）1.5%6.1545 Kg/m3，我们取其为6.15 Kg/m3。所以已经确定的配料如下（kg/m3）：水水泥减水剂粉煤灰2053046.15106.3第五步：确定砂率砂率根据粗骨料品种、最大粒径、水灰比和砂子的细度模数选取。而自密实混凝土规程中指出：砂的含泥量大，石子中的针片状颗粒含量高，将使混凝土的需水量大；石子的空隙率大，则为满足相同的拌和物的工作性所需的砂浆量大。这些均会对自密实混凝土的工作性、力学性能和耐久性产生不良影响。在现行国家标准建筑用砂（GB/T14684-2001）中，砂的含泥量一般要求小于3%，在现行国家标准建筑用卵石、碎石（GB/T14685-2001）中石子的针片状颗粒含量要求不小于15%，空隙率小于47%。但是配制自密实混凝土要求砂石的品质更高，对砂的含泥量，石子中的针片状颗粒含量、石子空隙率等指标要求均严于现行国家标准的指标。自密实混凝土要求石自为连续粒级，目的就是为了使石子获得较低的空隙率。由于自密实混凝土往往用于薄壁构密集配钢筋构件等场合，所以粗骨料粒径不宜过大；否则讲影响拌和物的间隙通过性；即使不是这些场合使用，粗骨料粒径过大也会增大拌和物中粗骨料的分层离析几率；而且粒径较大的粗骨料会增大内摩擦，从而增大拌和物流动阻力。所以本指南限定自密实混凝土中粗骨料粒径一般宜小于20mm.。自密实混凝土的砂浆量大，砂率较大，如果选用细砂，则混凝土的强度和弹性模量等力学性能将会受到不利影响，同时，细砂的比表面积较大将增大拌和物的需水量，岁拌和物的工作性产生不利影响；若选应粗砂则会降低混凝土拌和物的粘聚性。所以，自密实混凝土一般宜选用中砂或偏粗中砂。竟试验证实可以达到需要的性能指标时，也可采用中砂以为外的其他砂及混合砂。根据这一规定，由于我们所用的砂偏粗，含石率和含土率都比较高，并考虑到老师给予的建议，我们选取砂率为45%。第六步：确定砂石用量这里我们采用重量法，取混凝土的表观密度为2400 kg/m3，那么根据已经确定的用料的质量可以得出 mc1ms1mg1mw1mf1ma12400 ms1 /( ms1mg1)45%从而可以解出， ms1 800.5 Kg/m3 mg1 978.4 Kg/m3这样就确定了1m3混凝土中的所有的用料的质量（kg），如下：水/kg水泥/kg减水剂/kg石子/kg砂kg粉煤灰/kg2053046.15978.4800.5106.3第七步：计算实配用料的质量实际配制的是25L的混凝土，所以需要按照以上的质量比例计算出实际配制中的用料质量，也就是需要将以上得出的质量都除以40。那么实际的质量就应该如下（kg）：水水泥石子砂减水剂粉煤灰5.1257.624.4620.010.153752.65752.6.4配制过程1. 仪器设备： 混凝土搅拌机，容量为50100L，转速为1822r/min； 台秤，称量50kg，感量50g； 量筒（100mL）； 天平； 拌铲与拌板等。2.