自密实混凝土性能研究

1、自密实混凝土的性能研究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。1 高性能自密实混凝土概论自密实混凝土(Self-compact concrete，简称SCC)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、过振以及钢筋密列难以振捣等问题，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提高耐久性。自密实

2、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。2 自密实混凝土特性2.1自密实混凝土三个必要特性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

3、动性与粒子离析间的平衡是必须的。新拌的免振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，免振自密实混凝土必须具备以下三个特性：1、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

4、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。2、稳定性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

5、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。3、通过钢筋和模板中的任何间隙时，不产生阻塞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，自密实混凝土配合比设计中，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。2.2提高自密实混凝土特性所需措施要使混凝土拌和物自流平、自填充密实，拌和物

6、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于粗集料的空隙之间。在自密实混凝土配制中，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0.25mm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

7、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

8、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。2.3自密实混凝相对于普通混凝土的优点 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。 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

9、环境和现场周边环境，有利于环保； 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； 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； 密实性好，成型质量好，有较高强度，泌水性小，抗离析性好，改善结构的耐久性，新老混凝土黏附强度高3配制自密实混凝土的技术途径3.1原材料配制自密实混凝土所用的原材料，如水泥、集料等与传统的普通混凝土相同，有所区别的是必须掺入高掺量的超细物料与适当的超塑化剂。在新拌状态时，该混凝土能保持良好的稳定性和

10、高流动性。硬化后混凝土的性能，诸如强度、耐久性及表面性能等均比同水灰比的振动密实混凝土有所改善。 水泥：自密实混凝土对水泥无特殊要求，采用普通硅酸盐水泥即可。对采用早强硅酸盐水泥和硫酸盐水泥配制自密实混凝土目前尚缺乏经验。 骨料：自密实混凝土对骨料的要求很高。考虑混凝土的和易性、离析等因素，必须注意选择骨料的最大粒径、粒型和级配。配制自密实混凝土时粗骨料的最大粒径一般不超过25mm，针片状颗粒含量要少。如果骨料级配不好，自密实混凝土的粘性不足，容易产生离析、泌水多。 矿物掺合料：粉煤灰是目前使用最多的矿物掺合料，在自密实混凝土中掺加粉煤灰可以改善和易性。对于掺加其它矿物掺合料配制自密实混凝土的

11、研究还不够全面。 化学外加剂：高效减水剂是配制自密实混凝土的关键材料，减水率要求达到20%以上，掺量应在1%以上。目前市场上的高效减水剂普遍存在一个问题，就是在使用时自密实混凝土的坍落度经时损失太大。配合比自密实混凝土用外加剂一般要满足3个条件：1)在低水胶比的情况下， 具有较高的分散效应；2)在自密实混凝土拌制完毕， 这种分散效应至少保持2 h 以上；3)对温度变化的敏感性低。3.2配合比现代自密实混凝土的配制生产，实际是一个多组分多因素的混料问题，其技术方法包括了以下两重内容： ( 1)针对地方材料，优选高性能的原料，进行科学的配比设计； ( 2)配以相应的生产技术工艺和设备，进行现代化生

12、产，形成配制自密实混凝土的技术工艺。本项目采用适宜水灰比下，“硅酸盐水泥+特殊粗细集料+特效外加剂+活性矿物掺料及功能性材料，实施预拌生产，浇灌成型和特殊的养护工艺”的技术路线来配制高性能自密实混凝土。与普通混凝土相比， 自密实混凝土配合比计算涉及的因素多， 除了要满足强度要求外， 对工作性更有很高的要求， 因此，自密实混凝土配合比与普通混凝土配合比有很大差别。自密实混凝土至今没有形成统一的设计计算方法。自密实混凝土配合比设计的一般原则是：要求拌合物具有很高的坍落度，能自行密实，而且不产生离析；满足所要求的强度和耐久性。高流动性与高稳定性是自密实混凝土的基础。实现高流动性主要依赖高效减水剂，

13、与水泥之间必须有良好的相容性，减水效率越高越好， 可以通过相对简单的砂浆流动度试验分析选择。自密实混凝土的配合比设计， 比较方便的方法是确定主要成分的相对体积。 总的来说应该同时遵循以下原则：水灰比：自密实混凝土的水灰比和普通混凝土的水灰比基本相同，根据要求的强度和耐久性来确定。b.单位用水量：在采取其它措施能够保证自密实混凝土的坍落度的前提下，应尽量降低单位用水量。c.砂率：为了保证自密实混凝土在泵送时和浇筑后不产生离析，要适量增加砂率。各主要成分的典型比例和用量如下，可用于确定自密实混凝土的初始配合比：水/ 粉料(粒径0.125mm 以下)的体积比在0.8 1.0 范围。粉料(粒径0.12

14、5mm 以下)含量为每立方米混凝土160升 240 升(400kg/ m3 600kg/ m3)。砂(粒径介于0.125mm 4mm 之间)含量应达到砂浆体积的38 %以上(英国经验：砂体积小于净浆体积的50 %， 砂率大于50 %， 净浆体积占总体积40 %以上；意大利经验：砂含量为砂浆体积的45 % 50 %)。粗骨料(粒径D 4mm)含量一般为总体积的22 % 35 %。水灰比按混凝土强度、耐久性选择确定。用水量不宜超过200kg/ m3 。 3.3本工程所采用配合比本工程引如自密实混凝土的两类计算方法：直接引用高性能混凝土配合比计算的方法和固定砂石体积含量的计算方法：1.固定砂石体积含

15、量计算方法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。固定砂石体积含量计算法的计算步骤如下：( 1) 设定每立方米混凝土中石子的松堆体积为0.5m3 0.55m3 ， 得到石子用量和砂浆含量。( 2) 设定砂浆中砂体积含量为0.42 0.44 得到砂用量和浆体含量。( 3) 根据水胶比和胶凝材料中的掺合料比例计算得到用水量和胶凝材料总量。最后由胶凝材料总量计算出水泥和掺合料各自的用量。2.改进全计算法改进全计算法设计原理为：由假定的混凝土体积模型经过数学推导，得出

16、HPC 单方用水量和砂率的计算公式，再结合传统的水灰比定则，即可全面定量地得出混凝土中各组分的用量，这样便实现了自密实高性能混凝土配合比设计从半定量走向全定量的全计算。本项目提出以下计算步骤和公式： （1）配制强度fcu,p=fcu+1.645式中： fcu,0为混凝土设计强度，单位MPa；为混凝土强度标准差。( 2) 水胶比m(w)m(c+f)=1fcu,pAfce+B( 3) 石子用量G=g式中：取0.5 0.6，g为石子堆积容重，单位kg / m3。(4)砂用量S = Vms式中：取0.40 0.50；Vm 为砂浆体积，Vm= 1- G/s。( 5) 用水量Vw=Ve-Va1+1c1-+

17、fmc+fmw其中Ve= Vm- S/s式中： Ve、Va 分别为浆体体积和空气体积， 单位m3 ； c、f 分别为水泥比重和粉煤灰比重， 单位kg / m3； m( c+ f) /m( w) 为胶水比； 为掺合料( 粉煤灰) 体积掺量百分比。( 6) 胶凝材料组成与用量mc+f=Vwmw/mc+fm( c) = ( 1- x ) m( c+ f) ， m( f) = xm( c+ f)式中： x 为掺合料重量掺量， m( c) 为水泥用量， m( f)为掺合料用量。( 7) 由混凝土流动性、填充性、间隙通过性和抗离析性要求确定高效减水剂的用量。本项目经研究两种方法得出的配合比如下表所示：混凝

18、土强度计算方法水泥/kg砂/kg石/kg水/kg粉煤灰/kg30改进全计算法301.54840.62786.50228.01204.18固定砂石体积法302.75840.62786.50228.93205.0040改进全计算法337.12840.62786.50206.70228.27固定砂石体积法338.63840.62786.50207.63229.2950改进全计算法362.75840.62786.50191.35245.62固定砂石体积法364.51840.62786.50192.27246.8160改进全计算法384.84840.62786.50178.11260.58固定砂石体积法

19、386.82840.62786.50179.03261.924生产自密实混凝土的工艺措施1、自密实混凝土的坍落度损失及其控制自密实混凝土一出现，其坍落度经时损失问题就被提了出来。试验证明，自密实混凝土的坍落度损失程度，与高效减水剂的掺加方法、水泥品种、施工温度、搅拌工艺等有关。坍落度经时损失的主要原因是：随着水泥的水化反应，高效减水剂被水泥的水化产物大量吸附而使分散作用降低，表现为自密实混凝土的坍落度随时间的增长而逐渐减小。研究证明，可以抑制自密实混凝土坍落度经时损失的措施有：高效减水剂采用反复添加的方法；加入少量的缓凝剂；开发新品种的高效减水剂或用部分矿物外加剂取代高效减水剂。2、水泥裹砂工

20、艺的探索一般情况下，由于骨料含水量的不同以及搅拌方法的不同，自密实混凝土的性能也显著不同。如果砂子处于表面几乎没有水的干燥状态，刚搅拌好的混凝土，内部会产生很多气泡，使泌水显著上浮，底部则产生分层和沉降。为了解决自密实混凝土的泌水和离析问题，提出了水泥裹砂工艺。水泥裹砂工艺，就是在骨料表面包上一层低水灰比的水泥浆形成一种皮壳状态，以提高混凝土的各种性能。大量试验表明，造壳搅拌的砂子，其表面含水量以15%25%较为合适。 3、配制自密实混凝土， 最主要要控制好“ 高流动性” 与“ 高稳定性”之间的平衡。冰岛建筑研究院(IBRI)在这方面进行了较深入的研究。采用混凝土粘度计， 通过大量的试验分析比

21、较，确定自密实混凝土的流变学参数(屈服值和塑性粘度)。早期配制自密实混凝土， 为了保证稳定性即不出现泌水和骨料离析， 一般依靠提高混凝土塑性粘度来实现， 提高粘度的方法为使用高掺量石粉或掺加化学增粘剂。掺加石粉的自密实混凝土， 粉状材料(水泥+石粉)含量高达600kg/m3 700kg/ m3 ， 限制了混凝土硬化性能的提高；采用化学增粘剂， 如纤维素、聚丙烯酰胺， 混凝土的塑性性能变得非常敏感， 会受原材料质量、配料准确性等波动的影响而大幅度变化。此外， 混凝土粘度高， 泵送会变得困难。最近几年， 随着理论研究的深入和实践经验的丰富， 自密实混凝土发展转向低粘度、低粉状材料含量、低敏感性。目

22、前， 从流变学参数定义， 自密实混凝土的流变参数应满足屈服值30Pa 80Pa 、塑性粘度10Pas15%表示离析， 30%为严重离析。 拌合物稳定性跳桌试验：拌合物稳定性跳桌检测筒内径为 115mm，外径为 135mm，分三节，每节高度均为 100mm，并用活动扣件固定。检测筒放置在跳桌上，将混凝土拌合物用料斗装入检测筒内，平至料斗口，垂直移走料斗，用抹刀将多余拌合物除去并抹平（只能轻抹），静置 1min 后，每秒钟转动一次跳桌摇柄，使跳桌跳动 25 次；分节拆除检测筒，将每节筒内拌合物装入孔径为 5mm 的筛子中并用清水冲洗，待筛除浆体和细骨料后，将剩余的粗骨料用海绵拭干、称重，得出上、中

23、、下三段粗骨料湿重：m1、m2、m3。由于现有的自密实混凝土拌合物工作性能的测试及其评价方法只是建立在实验室研究的基础上，与工程实践的情况存在差异，局限性较大。现国内外自密实混凝土工作性能的测试手段仍未发展成熟，存在操作强度大、误差大、外部影响因素多和测试范围较窄等缺点。实践表明：已有的测试方法中在评价自密实混凝土填充性、间隙通过性方面，取得了较好的效果，获得了较为一致的认同；而对于自密实混凝土的抗离析性能的测试评价实验方法，还值得商榷和进一步改进，如这些已有的抗离析性测试方法只能反映静态情况或仅反映拌合物在局部空间内的竖向运动，不足以模拟实际情况。如何解决现阶段自密实混凝土研究中出现的问题，

24、开发更为科学、实用和准确的自密实混凝土拌合物性能测试方法也将是未来自密实混凝土研究发展的一大重要课题。到目前为止还没有一种单一的方法或者是将2种以上的方法结合使用得到大家的一致认同。因为还没有任何一种单一的方法能全面反映自密实混凝土的工作性能， 因此对于配合比设计时每一批混凝土的工作参数， 都要用2种以上的方法进行测试得到。日本根据自密实混凝土应用部位的不同得到的工作性能的评价指标见文献。在2002 年发布的“自密实混凝土设计与施工指南”基础上修订的新的欧洲标准对自密实混凝土工作性能评价指标进行了更详细的规定， 见下表所示。检测方法指标要求检测性能坍落扩展度(SF)试验 级520 S F 70

25、0 mm填充性 级640 S F 800 mm 级740 S F 900 mmV -型漏斗试验 级t 10填充性 级7 t 27L 型仪(H2/H1) 级 2 根钢筋H2/ H1 0 .75间隙通过性 级 3 根钢筋GTM 筛稳定性试验 级 23 %抗离析性 级 18 %7生产、质量控制与浇筑施工自密实混凝土与普通混凝土使用的生产设备与生产方法完全相同， 但前者需要的搅拌时间一般稍长。自密实混凝土对高流动性与高稳定性的要求， 决定了其流变性能(屈服值和塑性粘度)必须控制在较窄范围。因此，对生产中各种波动因素的控制要求更严格。重点考虑与控制的因素包括：生产系统的质量控制水平：选用质量控制体系良好

26、、人员素质较高的工厂生产。骨料质量控制：级配稳定， 供应充足；良好地控制含水率波动， 最好不是露天堆放；应更加频繁地检测骨料级配和含水率。加水量：计量尽可能精确；考虑骨料含水率， 调整加水量。生产监测和调整：在生产刚开始， 新拌混凝土性能质量易出现波动， 最好测试每次搅拌拌合物性能和进行适当调整， 直到性能稳定。此后， 每次搅拌拌合物也应该目测检验。现场性能检验：自密实混凝土运送到工地现场后， 应采用方便快速试验方法， 再次检验确认性能是否发生变化。自密实混凝土浇筑以前， 必须对钢筋设置与模板进行严格检验， 确认符合要求。模板须状态良好， 不会渗漏。输送方式可采用料斗或泵送， 但为体现自密实混凝土浇筑的高效率， 应采用泵送。可能的话， 从模板底部泵入混凝土， 这样能够防止或减少混凝土表面缺陷。从模板底部泵送注入方式， 模板承受侧向压力会增加0.1 0.2 巴 。为防止产生离析