自密实混凝土综述
2006-04-17 00:00
摘 要：本文首先对自密实混凝土的发展与现状进行总结，提出自密实混凝土的制备原理，同时介绍自密实混凝土的原材料选择原则和配合比设计方法，并展望了自密实混凝土的发展方向与相应的解决途径。
关键词：自密实混凝土；制备原理；配合比
1 自密实混凝土的发展
自密实混凝土(Self Compacting Concrete) ，也有人称为高流态混凝土(Highly Fluidized Concrete) ，指混凝土拌合物主要靠自重，不需要振捣即可充满模型和包裹钢筋，属于高性能混凝土的一种。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。
世界各国对混凝土结构的耐久性问题十分关注。目前所有混凝土均靠充分振捣来达到密实，满足所需要的强度和耐久性，振捣不良会大大降低混凝土的最终性能。因此，日本岗村教授提出研究开发自密实混凝土，利用其自身优良的施工性能，保证混凝土即使在不利施工的条件下，也能密实成型，避免因振捣不足而造成的空洞、蜂窝、麻面等质量缺陷。
他们首先利用水下混凝土的技术来研制这种流动性好、填充性高的混凝土。通过试验发现简单地把这种工艺移到地面上施工并不成功，主要原因有：a) 由于这类混凝土粘度较高，包裹在混凝土中的空气难以排除；b) 在钢筋密集部分，难以做到密实填充。因此，他们又开始做了新的研究，并取得较大进展。1989 年，在东京举行了自密实混凝土的公开试验，有100 多位研究人员和工程技术人员参加，会后许多大建筑公司开始了自密实混凝土的开发。1992 年出席日本混凝土学会关于自密实混凝土年会的单位增至30 家。
日本建筑协会在材料施工委员会下设置了“高流动性混凝土”分会，并于1992 年到1995 年三年内对自密实的质量标准、材料、配合比、施工、质量管理等有关内容进行了研究，1997 年1 月制定了“高流动性混凝土材料、配比、制造、施工指针”，大大推动了自密实混凝土在日本的应用。1998 年8月日本在一次国际会议上宣布到2003 年自密实混凝土的用量超过混凝土总用量50 %的计划。
欧洲也不甘落后，出资300 万欧元资助由多国建筑商、混凝土专家、外加剂生产厂、钢纤维生产厂联合攻关的开发项目，旨在开发土木工程通用型自密实混凝土(较高的强度)以及建筑用高质量饰面效果的纤维增强自密实混凝土，其目标是赶上和超过日本技术。
我国从20 世纪90 年代初期也开始了免振自密实混凝土的研究。从1995 年开始深圳、上海、北京等城市应用自密实混凝土浇筑了4 万余立方米，主要应用于地下暗挖、配筋形状较为密实、复杂等无法浇筑和振捣的部位，解决了施工扰民的问题，缩短了浇筑工期。
总结国内外的相关资料，自密实混凝土的工作性能指标应达到：坍落度240～270 mm ，扩展度≥600 mm ，Orimet 法流下时间8～16 s ，坍落度中边高差20 mm。
2 自密实混凝土的制备原理
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：
τ = τ0 + ηγ (1)
式(1) 中：τ为剪切应力；
τ0 为屈服剪切应力；
η为塑性粘度；
γ为剪切速度。
τ0 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τ≥τ0 时，混凝土产生流动；η是混凝土拌合物内部阻止其流动的一种性能，η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τ0和塑性粘度η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τ0 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τ0 减小到适宜范围，同时又具有足够的塑性粘度η，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。
首先，采用高效减水剂可对水泥颗粒产生强烈的分散作用，高效减水剂在水泥颗粒界面的吸附和形成的双电层，使水泥颗粒间产生静电斥应力，拆散其絮凝结构，释放它们约束的水，水泥颗粒间相互滑动能力增大，使混凝土开始流动的屈服剪切应力τ0 降低，获得高流动性能，同时能有效控制混凝土的用水量，保证力学与耐久性的要求。
另一方面，自密实混凝土应具有较好的抗离析性。试验表明，离析的混凝土在通过间隙时，粗骨料会产生聚集而阻塞间隙。混凝土离析的主要原因是τ0 和η过小，混凝土抵抗粗骨料与水泥砂浆相对移动的能力弱。由此可知，屈服剪切应力τ0 和塑性粘度η既是混凝土开始流动的前提，又是不离析的条件。
混凝土拌合物的浆固比和砂率值，对工作性有很大影响，浆固比越大流动性越好，但过大对硬化后的体积稳定性不利；砂率适宜，粗骨料周围包裹足够的砂浆，不易在间隙处聚集而影响填充和密实效果，提高了拌合物通过间隙的能力。
3自密实混凝土的原材料选择及配合比设计
3. 1自密实混凝土原材料的选择
3. 1. 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。
3. 1. 2 掺合料
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。
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。
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。
3. 1. 3 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。
3. 1. 4 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。
3. 1. 5 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。
3. 2 自密实混凝土配合比设计方法
3. 2. 1 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。
3. 2. 2 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500 kg/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。
4 自密实混凝土的研究目标与实现方法
4. 1 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。
5 小结
随着当前建筑结构的需要，自密实混凝土的市场将越来越大，对自密实混凝土拌合物和硬化后的性能的要求也越来越高，为此，我们应该通过试验研究，提出更多有效的方法来满足更高的要求。
参考文献
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