国内外自密实高性能混凝土研究及应用现状

  摘要：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。不仅可大大降低施工噪声， 而且可加快施工速度、保证和提高施工质量。可通过配合比调整其物理、力学性能。对原材料、配合比敏感， 对施工要求严格。由于历史短， 尚有若干问题需进一步研究。

  关键词：混凝土 自密实混凝土 高性能混凝土 配合比 展望

  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 Per for -mance Concr ete) 。1996 年在美国泰克萨斯大学讲学中， 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 concr ete) 。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。

  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。

  1 国内外自密实混凝土的应用概况

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1992～1993 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。

  2 自密实混凝土的性能

  2. 1 自密实混凝土拌合物的性质

  自密实混凝土的拌合物除高流动性外， 还必须具有良好的抗材料分离性( 抗离析性) 、间隙通过性( 通过较密钢筋间隙和狭窄通道的能力) 和抗堵塞性( 填充能力) 。国外大多用拌合物的坍落流动度， 即坍落后拌合物铺展的直径， 作为高流动性混凝土流变性能的量度。日本报道， 坍落流动度一般为50 ～ 70mm。超过70mm 时， 拌合物易产生离析; 不到50mm 时， 则可能发生充填障碍。拌合物抗离析性可用坍落流动速率来评定。坍落流动速率用拌合物坍落后铺展到直径为50cm 的时间除以流动距离15cm 的值表示。坍落流动速率快时， 流动性好， 但过快时容易产生离析。也有人在一种L形流动性测定装置的转角处装置传感器测定拌合物流动初始的速率， 来判断拌合物的抗离析性。对于泌水量， 按日本标准JASS A1123 的方法检测时， JASS 5 规定对普通混凝土要求< 0. 5cm³/ cm²， 而对高耐久性的混凝土则要求< 0. 3cm³/cm²。抗离析性直接影响混凝土拌合物浇筑后的均匀性。必要时可检测水平流动至不同部位或垂直浇筑到不同高度的拌合物中粗骨料的含量， 作为拌合物均质性的评定。国内不同单位或部门参考国外已有检测方法， 结合自己的实验， 创造了各具特色的评价方法， 有待于规范化。

  一般， 自密实混凝土的凝结时间较长， 可达10h 左右， 尤其是在冷天施工时。但初、终凝时间间隔短， 一旦凝结， 强度很快就会增长; 如果使用低浓度的高效减水剂， 由于NaSO₄含量较高， 会使混凝土凝结时间缩短， 甚至在夏季还需添加适量缓凝剂。

  2. 2 硬化混凝土的性质

  ( 1) 强度 自密实混凝土属于高性能混凝土， 可有很宽的强度范围， 即从C25 到C60 以上。我国目前大量使用的是C30～C40。为了保证及时拆模， 成型后在标准条件下24h 抗压强度应≥5MPa。在施工计划允许、着重长期强度、使用低热水泥等情况下， 可放宽上述要求。

  ( 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JIS的方法试验， 标准养护28d 时， 降低值小于10%。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 通常， 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7d 的试件在20± 2℃、相对湿度60± 5%的条件下6个月的干缩为≤ 8×10- 4以下，比同种骨料的普通混凝土收缩增加量< 10%。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灰比近似于线性关系。掺入矿物细掺料后，在相同水灰比下，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， 可以不怀疑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. 2mm( 对预应力钢筋混凝土是0. 1mm) 的裂缝，则碳化问题就应考虑。在此情况下，抗碳化的性能和细掺料的品种、掺量有关。例如掺粉煤灰30%而水胶比为0.35 时，碳化速率约与普通混凝土水灰比为0. 5 时相当；同样效果的矿渣掺量可达70%；水胶比为0. 4、矿渣掺量达50%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pH 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。

  ( 5) 其它 掺用一定量的引气剂， 是抵抗冻融， 特别是除冰盐作用的有效措施。日本规范规定， 经冻融循环作用后， 动弹性模量必须保持80%以上， 循环次数最低为200 次， 在冻融循环作用频繁的环境下， 要求300 次; 含气量一般要求为3%～6%， 在冻融循环作用频繁的环境下， 为4%～7%。在日本多使用引气型减水剂( AE 减水剂) 。由于掺入较大量矿物细掺料， 自密实混凝土有很好的抗化学侵蚀和抗碱骨料反应的能力。矿物细掺料抗碱骨料反应的有效掺量粉煤灰为30%， 矿渣是40%。

  3 自密实混凝土的原材料和配合比

  3. 1 自密实混凝土的原材料

  ( 1) 胶凝材料 除要求温升很低的大体积自密实混凝土需要选用中热或低热水泥外， 硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥都可选用， 按目前我国标准标号应不低于425 号， 具有较低的需水性， 还应考虑与所有高效减水剂的相容性。掺用矿物细掺料的目的是调节混凝土的施工性能、提高混凝土的耐久性， 降低混凝土的温升。因此矿物细掺料应具有低需水量、高活性。为了保证混凝土的耐久性， 可利用不同细掺料的复合效应。例如， 矿渣比粉煤灰活性高， 而抗离析性差; 粉煤灰比矿渣抗碳化性能差， 但收缩小。按适当比例同时掺用粉煤灰和矿渣， 则可取长补短。由于采用低水灰比， 强度要求较低时， 可再掺用适量填充性细掺料， 如石英砂粉、石灰石粉等， 来保证足够的浆量。因此， 日本的高流动性混凝土普遍采用水泥、矿渣、粉煤灰三组份胶凝材料， 有时加上石粉， 成为四组份。据日本资料， 从活性来说， 磨细矿渣最优的比面积为6000～ 8000cm²/ g， 但从减小收缩来说， 最好为4000cm²/g 左右。

  ( 2) 骨料 骨料的粒形、尺寸和级配对自密实混凝土拌合物的施工性， 尤其是对拌合物的间隙通过性影响很大。和泉意登志报道， 用密实体积率为62%的日本青梅碎石， 混凝土拌合物的间隙通过量是用密实体积率为67%的日本鬼怒川卵石时的一半， 因此粗骨料的密实体积率大的好。粗骨料的最大粒径， 当使用卵石时为25mm， 使用碎石时为20mm，间隙狭小的部位用15mm。由于砂率大， 砂子宜选用中粗砂，以偏粗为好。应严格控制砂中粉细颗粒的含量和石子的含泥量。同时要保证0. 63mm 筛的累计筛余大于70%， 0. 315mm筛的累计筛余为90%左右， 而0. 15mm 筛的累计筛余>98%。

  ( 3) 外加剂 即使设计强度等级不高， 也要用高效减水剂。日本杉本贡报道， 对高流动混凝土外加剂性能的要求为:有优质的流化性能， 保持拌合物流动性的性能、合适的凝结时间与泌水率、良好的泵送性; 对硬化混凝土力学性质、干缩和徐变无坏影响、耐久性( 抗冻、抗渗、抗碳化、抗盐浸) 好。为此多采用高性能引气型( AE ) 减水剂。同时， 由于自密实混凝土拌合物往往有离析的倾向， 在日本多采取掺抗离析剂或增稠剂来解决。日本的抗离析剂有纤维素水溶性高分子、丙烯酸类水溶性高分子、葡萄糖或蔗糖等生物高聚物等。其中纤维素醚和甲基纤维素用得最多。但是添加抗离析剂时， 对混凝土的强度有些影响。北京建工集团二建公司使用两种不同原料来源的萘系高效减水剂复合使用， 对自密实混凝土的抗离析性有显著效果。

  3. 2 自密实混凝土的配合比

   自密实混凝土的配合比应满足拌合物高施工性能的要求， 因此， 与相同强度等级的普通混凝土相比， 有较大的浆骨比， 即较小的骨料用量， 胶凝材料总量一般要超过500kg/m3; 砂率较大， 即粗骨料用量较小， 砂率最大可达50%左右;使用高效减水剂， 由于胶凝材料用量大， 必须掺用大量矿物细掺料， 细掺料总掺量一般大于胶凝材料总量的30%。为了保证耐久性， 水胶比一般不宜大于0. 4。

自密实混凝土配合比的确定是以上各参数和混凝土强度、耐久性、施工性、体积稳定性( 硬化前的抗离析性， 硬化后的弹性模量、收缩徐变) 等诸性质间矛盾的统一。例如流动性和抗离析性要求粗骨料用量小， 但粗骨料用量小时硬化混凝土的弹性模量低， 收缩、徐变大; 砂率大， 有利于施工性和强度而不利于弹性模量; 水胶比大， 有利于流动性， 而不利于强度和耐久性等等。因此与普通混凝土配合比设计不同的是，根据上述矛盾的统一确定粗骨料的最合适用量、砂子在砂中的含量。小和村建议作为砂浆和混凝土两个层次的体系考虑自密实混凝土配合比设计。石子最大粒径为20mm，使用中热水泥和增稠剂。北京建工集团二建公司建议按混凝土、砂浆、水泥净浆、胶凝材料四层次体系设计， 如图1 所示。

以上步骤均采用绝对体积方法计算。由此可见， 自密实混凝土的浆骨比变化的范围是很小的。混凝土的性质主要受水泥浆浓度和性质的支配。自密实混凝土配合比的实例如表1所示。

  4 自密实混凝土施工的特点

  自密实混凝土的质量对原材料的变动很敏感，制作和施工中各环节的控制要求严格，因此对操作工人的要求低了，而对技术和管理人员的要求高了。由于组成材料多，必须注意搅拌均匀，目前多采用双卧轴强制式搅拌机，搅拌时间比普通混凝土的长1～2 倍，60～180min 甚至更长是必要的。搅拌不足的拌合物不仅因不均匀而影响硬化后的性质，而且在泵送出管后流动性进一步增大，会产生离析现象。投料顺序最好是先搅拌砂浆，最后投入粗骨料。

  一般来说，自密实混凝土适合于泵送浇筑。墙或柱的浇筑高度可在4m 左右。浇筑顺序可参考和泉意登志在文献中给出的泵管移动顺序，如图2 所示。

  用吊斗浇筑时产生离析的可能性大，对配合比要求更严格，难度较大。在必须用吊斗浇筑时，应使出料口和模板入口的距离尽量小，必要时可加串筒。

  柱子和墙浇筑前要严格检查钢筋间距及钢筋与模板间的距离，最好准备一根长钎，以便必要时进行适当的插捣，排除可能截留的空气。

  自密实混凝土的质量对原材料和配合比的变动以及施工工艺都很敏感，因此对施工管理水平要求较高。每项工程实施前要有严格的施工规程和班前交底，尤其在交接班时，要有具体的措施以免差错。

  5 自密实混凝土应用展望及需进一步研究的问题

  (1) 自密实混凝土由于优异的施工性能，可大大加快施工速率，减小劳动强度，并可避免由于可能振捣不足而引起混凝土的严重质量事故; 低水胶比、低温升和大量矿物细掺料，可保证混凝土的耐久性。但与相同强度的普通混凝土相比，弹性模量稍低，收缩和徐变稍大。此问题可通过适当提高配制强度、掺用膨胀组分或纤维和收缩小的细掺料( 如优质粉煤灰) 等措施来解决。但因掺用大量细掺料，混凝土碱度较低，宜用于主要受压的构件，特别适用于较大体积的基础底板和桩。用于受弯构件时，在目前尚无构件试验的情况下，细掺料掺量以不超过30%为宜。为此需要系统研究用自密实混凝土的主要受弯构件在荷载作用下的裂缝和混凝土性质的关系、碳化及其对钢筋绣蚀的影响。

  (2) 目前尚未查到自密实混凝土用于预应力钢筋混凝土的报道,需要进行有针对性的系统研究。

  (3)自密实混凝土由于一般凝结时间较长,早期强度较低,冬季施工时最好不用。但在大体积混凝土中混凝土温升对掺用细掺料的混凝土强度发展有利,自密实混凝土可在采取冬施措施的前提下使用。

  (4) 对都可达到自密实的高流动性混凝土并不是所有文献上都称之为“自密实”或其它如“免振”等，如明石大桥的混凝土无论水下还是水上，都是不振捣的; 美国西雅图双联广场钢管柱混凝土也是不振捣的，但都没有称做“自密实或“免振”等，因为在“拥挤的部位”“尽管可得到高坍落度而自流平，但仍需稍加振捣以保证混凝土的足够密实”，也就是说，并非任何工程浇筑的混凝土都能够完全不振捣，需要在施工规程中加以区别，否则反而会引起质量问题。

  ( 5) 自密实混凝土由于质量对原材料和配合比很敏感，要求严格的施工管理制度。实践表明，进行过自密实混凝土施工后，可有力地推动施工管理水平的提高，但在管理水平低、缺少技术人员的工程中不宜采用。

  参考文献( 略)