材料科学新进展

新型材料新型材料 自密实混凝土自密实混凝土 摘要 摘要 如果采用自密实混凝土 不仅可提高混凝土密实性解决质量通病 还能节约振捣 设备和能源 节省浇筑时间 降低工作噪音 改善工作环境 保障施工的进度和效率 是有 效解决上述施工难题 提高建筑结构的整体质量水平的先进技术 关键字 配制原理关键字 配制原理 研究目标研究目标 确定的参数确定的参数 原材料原材料 性能性能 自密实混凝土的发展历史自密实混凝土的发展历史 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 自密实混凝土自密实混凝土 自密实混凝土的定义自密实混凝土的定义 自密实混凝土 Self CompactingConcrete 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 也有人称为高流态混凝土 自密实混凝土自密实混凝土 自密实混凝土的性能自密实混凝土的性能 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 性能的测试 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 预制混凝土的比重预制混凝土的比重 EFCA 技术委员会主席 Dr Bert Kilanowski 在其 SCC 在欧洲的实际地位 及将来发展 文章中给出了 SCC 在欧洲预拌混凝土中的比重 并且估计不同国家的 SCC 在预制混凝土 的比重分别是意大利大约 30 芬兰大约 30 西班牙 25 30 美国 10 40 自密实混凝土的优点自密实混凝土的优点 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 因为自密实混 凝土拥有众多优点 1 保证混凝土良好地密实 2 提高生产效率 由于不需要振捣 混凝土浇筑需要的时间大幅度缩短 工人劳动强 度大幅度降低 需要工人数量减少 3 改善工作环境和安全性 没有振捣噪音 避免工人长时间手持振动器导致的 手臂 振动综合症 4 改善混凝土的表面质量 不会出现表面气泡或蜂窝麻面 不需要进行表面修补 能够逼真呈现模板表面的纹理或造型 5 增加了结构设计的自由度 不需要振捣 可以浇筑成型形状复杂 薄壁和密集配 筋的结构 以前 这类结构往往因为混凝土浇筑施工的困难而限制采用 6 避免了振捣对模板产生的磨损 7 减少混凝土对搅拌机的磨损 8 可能降低工程整体造价 从提高施工速度 环境对噪音限制 减少人工和保证质 量等诸多方面降低成本 该混凝土流动性好 具有良好的施工性能和填充性能 而且骨料不离析 混凝土硬化后 具有良好的力学性能和耐久性 自密实混凝土正是有利于保证质量 加快施工进度 提高建设效益 解决野外困难工程 的关键施工技术 以公路隧道混凝土衬砌结构为例 它既是承载围岩压力的结构 又是防水的最后一道防 线 设计上必须既满足强度和抗渗要求 采用普通混凝土施工时必须进行充分振捣以保证结 构的整体性 但是 由于壁薄 配筋密实 形状复杂及施工空间的限制 非常容易漏振和过 振 从而产生如表面蜂窝麻面 露筋 折皱及外观颜色欠佳等质量病害 造成耐久性和安全 性隐患 如果采用自密实混凝土 不仅可提高混凝土密实性解决质量通病 还能节约振捣设备和 能源 节省浇筑时间 降低工作噪音 改善工作环境 保障施工的进度和效率 是有效解决 上述施工难题 提高建筑结构的整体质量水平的先进技术 自密实混凝土原材料的选择自密实混凝土原材料的选择 1 水泥 基于目前我国的原材料状况 水泥的主要问题是与外加剂的相容性 标准稠度 用水量和强度问题 水泥与外加剂是否相适应 决定着能否配制出某个强度等级的自密实混 凝土 因此应选用较稳定的水泥 2 掺合料 是自密实混凝土不可缺少的组成部分之一 一般常用的有粉煤灰 磨细矿 渣 硅粉 矿粉等 利用它们的物理效应 填充效应和火山灰效应 不但能提高新拌混凝土 的工作性 而且能增强硬化后混凝土的耐久性 3 粉煤灰 是自密实混凝土最常用的活性掺合料 具有 活性效应 界面效应 微填充效应 和 减水效应 在自密实混凝土中 要求充分发挥这些效应 一是要求活 性掺合料的颗粒与水泥颗粒在微观上应形成级配体系 二是球形玻璃体含量要求高 因为球 形玻璃体掺合料的减水效应显著 需水量比可大大降低 4 磨细矿渣的火山灰效应高 因此能改善自密实混凝土硬化后的孔结构和强度 矿渣 由于细度较高 能显著提高自密实混凝土拌和物的流动速度 改善其流变性能 且对改善自 密实混凝土的早期孔结构有一定作用 日本自密实混凝土普遍采用粉煤灰和矿渣复掺 有时还加上矿粉 5 细骨料 砂在混凝土中存在双重效应 一是圆形颗粒的滚动减水效应 二是比表面 积吸水率高的需水效应 这两种相互矛盾的效应 决定了必须根据水泥 掺合料 外加剂等 情况综合考虑 砂的含泥量和杂质 会使水泥浆与骨料的粘结力下降 需要增加用水量和增 加水泥用量 所以砂必须符合规范技术要求 6 粗骨料 由于自密实混凝土常常用于钢筋稠密或薄壁的结构中 因此粗骨料的最大 粒径一般以小于 20 mm 为宜 尽可能选用圆形且不含或少含针 片状颗粒的骨料 7 外加剂 自密实混凝土具备的高流动性 抗离析性 间隙通过性和填充性这四个方 面都需要以外加剂的手段来实现 因此对外加剂的主要要求为 a 与水泥的相容性好 b 减水率大 c 缓凝 保塑 自密实混凝土配合比设计方法自密实混凝土配合比设计方法 普通适用的混凝土体积模型 全计算的基本观点 a 混凝土各组成材料 包括固 气 液三相 具有体积加和性 b 石子的空隙由干砂浆填充 c 干砂浆的空隙由水填充 d 干砂浆由水泥 细掺合料 砂和空气所组成 根据美国混凝土专家 P K Mehta 和 P C Aitcin 的观点 自密实混凝土同时达到最 佳的施工和易性和强度性能 其水泥浆与骨料的体积比应为 35 65 传统的自密实混凝土配合比设计经验传统的自密实混凝土配合比设计经验 岗村教授于 1996 年提出自密实混凝土配合比设计的特点 粗骨料体积用量固定为固体 体积用量的 50 细骨料用量固定为砂浆体积的 40 体积水胶比建议为 019 110 具 体决定于胶凝材料组成与性质 超塑化剂掺量和最终水胶比以保证达到自密实来决定 我国北京建工集团二公司等单位提出自密实混凝土配合比的经验参数 胶凝材料的总量 要超过 500kg m3 砂率较大 即粗骨料用量较小 砂率应在 40 以上 最大可达 50 使 用高效减水剂 由于胶凝材料的用量较大 必须掺用大量矿物细掺合料 细掺合料总掺量一 般不大于胶凝材料总量的 30 为了保证耐久性 水胶比不宜大于 014 配制原理配制原理 自密实混凝土具有高工作性 抗离析性 间隙通过性和填充性 按流变学理论 新拌混 凝土属宾汉姆流体 其流变方程为 0 1 式 1 中 为剪切应力 0 为屈服剪切应力 为塑性粘度 为剪切速度 0 是阻止塑性变形的最大应力 在外力作用下混凝土拌合物内部产生的剪切应力 0 时 混凝土产生流动 是混凝土拌合物内部阻止其流动的一种性能 越小 在相同外力作用下流动速度越快 由此可见 屈服剪切应力 0 和塑性粘度 是反映混凝 土拌合物工作性的两个主要流变参数 与普通混凝土采用机械振捣时因触变作用令 0 大幅减小 使振动影响区内的混凝土 呈液化而流动并密实成型的道理相似 制备自密实混凝土的原理是通过外加剂 胶凝材料和 粗细骨料的选择搭配和配合比设计 使 0 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 不出现离析和泌水问题 能自由流淌充分填充模型内的空间 形成密实且均匀的结构 配置措施配置措施 在配制中主要应采取以下措施 1 借助以萘系高效减水剂为主要组分的外加剂 可对水泥粒子产生强烈的分散作用 并阻 止分散粒子凝聚 高效减水剂的减水率应 25 并应具有一定的保塑功能 掺入的外加剂的主要要求有 与水泥的相容性好 减水率大 缓凝 保塑 2 掺加适量矿物掺合料能调节混凝土的流变性能 提高塑性粘度 同时提高拌合物中的 浆固比 改善混凝土和易性 使混凝土匀质性得到改善 并减少粗细骨料颗粒之间的摩擦力 提 高混凝土的通阻能力 3 掺入适量混凝土膨胀剂 可提高混凝土的自密实性及防止混凝土硬化后产生收缩裂 缝 提高混凝土抗裂能力 同时提高混凝土粘聚性 改善混凝土外观质量 4 适当增加砂率和控制粗骨料粒径 20mm 以减少遇到阻力时浆骨分离的可能 增加拌 合物的抗离析稳定性 5 在配制强度等级较低的自密实混凝土时可适当使用增粘剂以增加拌合物的粘度 6 按结构耐久性及施工工艺要求 选择掺合料品种 取代水泥量和引气剂品种及用量 配置前应确定的参数配置前应确定的参数 配制自密实混凝土应首先确定混凝土配制强度 水胶比 用水量 砂率 粉煤灰 膨胀 剂等主要参数 再经过混凝土性能试验强度检验 反复调整各原材料参数来确定混凝土配合比 的方法 配合比的突出特点 自密实混凝土配合比的突出特点是 高砂率 低水胶比 高矿物掺合料掺量 配合比设计采用的方法 从国内自密实混凝土研究的文献上看 自密实混凝土配合比设计一般采用全计算法和固 定砂石体积含量法 全计算法的基本观点为 混凝土各组成材料括固 气 液三相有体积加和性石子的空 隙由干砂浆填充 石子的空隙由干砂浆填充 干砂浆的空隙由水填充 干砂浆由水泥 细掺料 砂和空隙组成 固定砂石体积含量计算法是根据高流动自密实混凝土流动性及抗离析性和配合比因素之 间的平衡关系 在试验研究的基础上得到的一种能较好适应高流动自密实混凝土的特点和要 求的配合比计算方法 自密实混凝土的研究目标自密实混凝土的研究目标 随着高层建筑的普及以及高度的不断提高 对自密实混凝土的性能要求也越来越高了 主要表现为以下四个方面 a 流动度高 易于泵送施工的自密实混凝土 b 自密实混凝土的强度达到高强级 并且具有较高的耐久性 c 尽量减少自密实混凝土的坍落度损失 使自密实混凝土在较长的时间内保持较高的 流动性 d 经济 采用当地材料和简单的生产工艺 使自密实混凝土的造价降低 4 2 自密实混凝土的实现方法 针对当前我们对自密实混凝土提出的四个研究目标 我们可以通过以下途径得到实现 a 高效减水剂的选用 目前市场上已经出现了减水率高达 30 左右的高效减水剂 同 时可与各种外加剂 如缓凝剂 稳定剂等 复合改进 混凝土拌合物的流动性损失减慢 且 有利于提高混凝土的力学性能合耐久性 b 掺合料的选用 采用单掺或复掺粉状活性掺合料 调节混凝土拌合物流变特性 提高流 动性和抗分离性 同时能增加活性 改善耐久性 c 配合比设计 选用适宜的配合比参数 胶凝材料所占体积和砂率值可通过试验进行优选 突出混凝土拌合物的工作性能 并充分考虑混凝土拌合物硬化后的物理力学性能和耐久性 自密实混凝土特别适用于 自密实混凝土特别适用于 1 浇筑量大 浇筑深度 高度大的工程结构 2 形体复杂 配筋密集 薄壁 钢管混凝土等受施工操作空间限制的工程结构 3 工程进度紧 严格环境噪声限制 或普通混凝土无法实现的工程结构 因