自密實(shí)混凝土綜述

　　1 自密實(shí)混凝土的發(fā)展
　　自密實(shí)混凝土(Self Compacting Concrete) ，也有人稱(chēng)為高流態(tài)混凝土(Highly Fluidized Concrete) ，指混凝土拌合物主要靠自重，不需要振搗即可充滿模型和包裹鋼筋，屬于高性能混凝土的一種。該混凝土流動(dòng)性好，具有良好的施工性能和填充性能，而且骨料不離析，混凝土硬化后具有良好的力學(xué)性能和耐久性。

　　世界各國(guó)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題十分關(guān)注。目前所有混凝土均靠充分振搗來(lái)達(dá)到密實(shí)，滿足所需要的強(qiáng)度和耐久性，振搗不良會(huì)大大降低混凝土的最終性能。因此，日本崗村教授提出研究開(kāi)發(fā)自密實(shí)混凝土，利用其自身優(yōu)良的施工性能，保證混凝土即使在不利施工的條件下，也能密實(shí)成型，避免因振搗不足而造成的空洞、蜂窩、麻面等質(zhì)量缺陷。

　　他們首先利用水下混凝土的技術(shù)來(lái)研制這種流動(dòng)性好、填充性高的混凝土。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)單地把這種工藝移到地面上施工并不成功，主要原因有：a) 由于這類(lèi)混凝土粘度較高，包裹在混凝土中的空氣難以排除；b) 在鋼筋密集部分，難以做到密實(shí)填充。因此，他們又開(kāi)始做了新的研究，并取得較大進(jìn)展。1989 年，在東京舉行了自密實(shí)混凝土的公開(kāi)試驗(yàn)，有100 多位研究人員和工程技術(shù)人員參加，會(huì)后許多大建筑公司開(kāi)始了自密實(shí)混凝土的開(kāi)發(fā)。1992 年出席日本混凝土學(xué)會(huì)關(guān)于自密實(shí)混凝土年會(huì)的單位增至30 家。

　　日本建筑協(xié)會(huì)在材料施工委員會(huì)下設(shè)置了“高流動(dòng)性混凝土”分會(huì)，并于1992 年到1995 年三年內(nèi)對(duì)自密實(shí)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、材料、配合比、施工、質(zhì)量管理等有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了研究，1997 年1 月制定了“高流動(dòng)性混凝土材料、配比、制造、施工指針”，大大推動(dòng)了自密實(shí)混凝土在日本的應(yīng)用。1998 年8月日本在一次國(guó)際會(huì)議上宣布到2003 年自密實(shí)混凝土的用量超過(guò)混凝土總用量50 %的計(jì)劃。

　　歐洲也不甘落后，出資300 萬(wàn)歐元資助由多國(guó)建筑商、混凝土專(zhuān)家、外加劑生產(chǎn)廠、鋼纖維生產(chǎn)廠聯(lián)合攻關(guān)的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，旨在開(kāi)發(fā)土木工程通用型自密實(shí)混凝土(較高的強(qiáng)度)以及建筑用高質(zhì)量飾面效果的纖維增強(qiáng)自密實(shí)混凝土，其目標(biāo)是趕上和超過(guò)日本技術(shù)。

　　我國(guó)從20 世紀(jì)90 年代初期也開(kāi)始了免振自密實(shí)混凝土的研究。從1995 年開(kāi)始深圳、上海、北京等城市應(yīng)用自密實(shí)混凝土澆筑了4 萬(wàn)余立方米，主要應(yīng)用于地下暗挖、配筋形狀較為密實(shí)、復(fù)雜等無(wú)法澆筑和振搗的部位，解決了施工擾民的問(wèn)題，縮短了澆筑工期。

　　總結(jié)國(guó)內(nèi)外的相關(guān)資料，自密實(shí)混凝土的工作性能指標(biāo)應(yīng)達(dá)到：坍落度240～270 mm ，擴(kuò)展度≥600 mm ，Orimet 法流下時(shí)間8～16 s ，坍落度中邊高差20 mm。

　　2 自密實(shí)混凝土的制備原理
　　自密實(shí)混凝土具有高工作性、抗離析性、間隙通過(guò)性和填充性。按流變學(xué)理論，新拌混凝土屬賓漢姆流體，其流變方程為：

     τ = τ0 + ηγ                                   (1)

     式(1) 中：τ為剪切應(yīng)力；
　　τ0 為屈服剪切應(yīng)力；
　　η為塑性粘度；
　　γ為剪切速度。

　　τ0 是阻止塑性變形的最大應(yīng)力，在外力作用下混凝土拌合物內(nèi)部產(chǎn)生的剪切應(yīng)力τ≥τ0 時(shí)，混凝土產(chǎn)生流動(dòng)；η是混凝土拌合物內(nèi)部阻止其流動(dòng)的一種性能，η越小，在相同外力作用下流動(dòng)速度越快，由此可見(jiàn)。屈服剪切應(yīng)力τ0和塑性粘度η是反映混凝土拌合物工作性的兩個(gè)主要流變參數(shù)。

　　與普通混凝土采用機(jī)械振搗時(shí)因觸變作用令τ0 大幅減小，使振動(dòng)影響區(qū)內(nèi)的混凝土呈液化而流動(dòng)并密實(shí)成型的道理相似，制備自密實(shí)混凝土的原理是通過(guò)外加劑、膠凝材料和粗細(xì)骨料的選擇搭配和配合比設(shè)計(jì)，使τ0 減小到適宜范圍，同時(shí)又具有足夠的塑性粘度η，使骨料懸浮于水泥漿中，不出現(xiàn)離析和泌水問(wèn)題，能自由流淌充分填充模型內(nèi)的空間，形成密實(shí)且均勻的結(jié)構(gòu)。

　　首先，采用高效減水劑可對(duì)水泥顆粒產(chǎn)生強(qiáng)烈的分散作用，高效減水劑在水泥顆粒界面的吸附和形成的雙電層，使水泥顆粒間產(chǎn)生靜電斥應(yīng)力，拆散其絮凝結(jié)構(gòu)，釋放它們約束的水，水泥顆粒間相互滑動(dòng)能力增大，使混凝土開(kāi)始流動(dòng)的屈服剪切應(yīng)力τ0 降低，獲得高流動(dòng)性能，同時(shí)能有效控制混凝土的用水量，保證力學(xué)與耐久性的要求。

　　另一方面，自密實(shí)混凝土應(yīng)具有較好的抗離析性。試驗(yàn)表明，離析的混凝土在通過(guò)間隙時(shí)，粗骨料會(huì)產(chǎn)生聚集而阻塞間隙?；炷岭x析的主要原因是τ0 和η過(guò)小，混凝土抵抗粗骨料與水泥砂漿相對(duì)移動(dòng)的能力弱。由此可知，屈服剪切應(yīng)力τ0 和塑性粘度η既是混凝土開(kāi)始流動(dòng)的前提，又是不離析的條件。

　　混凝土拌合物的漿固比和砂率值，對(duì)工作性有很大影響，漿固比越大流動(dòng)性越好，但過(guò)大對(duì)硬化后的體積穩(wěn)定性不利；砂率適宜，粗骨料周?chē)銐虻纳皾{，不易在間隙處聚集而影響填充和密實(shí)效果，提高了拌合物通過(guò)間隙的能力。

　　3 自密實(shí)混凝土的原材料選擇及配合比設(shè)計(jì)
　　3.1自密實(shí)混凝土原材料的選擇
　　3.1.1水泥
　　基于目前我國(guó)的原材料狀況，水泥的主要問(wèn)題是與外加劑的相容性、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量和強(qiáng)度問(wèn)題，水泥與外加劑是否相適應(yīng)，決定著能否配制出某個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的自密實(shí)混凝土，因此應(yīng)選用較穩(wěn)定的水泥。

　　3.1.2 摻合料
　　摻合料是自密實(shí)混凝土不可缺少的組成部分之一，一般常用的有粉煤灰、磨細(xì)礦渣、硅粉、礦粉等。利用它們的物理效應(yīng)、填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)，不但能提高新拌混凝土的工作性，而且能增強(qiáng)硬化后混凝土的耐久性。

　　粉煤灰是自密實(shí)混凝土最常用的活性摻合料，具有“活性效應(yīng)”、“界面效應(yīng)”、“微填充效應(yīng)”和“減水效應(yīng)”。在自密實(shí)混凝土中，要求充分發(fā)揮這些效應(yīng)，一是要求活性摻合料的顆粒與水泥顆粒在微觀上應(yīng)形成級(jí)配體系；二是球形玻璃體含量要求高，因?yàn)榍蛐尾Ａw摻合料的減水效應(yīng)顯著，需水量比可大大降低。

　　磨細(xì)礦渣的火山灰效應(yīng)高，因此能改善自密實(shí)混凝土硬化后的孔結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度；礦渣由于細(xì)度較高，能顯著提高自密實(shí)混凝土拌和物的流動(dòng)速度，改善其流變性能，且對(duì)改善自密實(shí)混凝土的早期孔結(jié)構(gòu)有一定作用。

　　日本自密實(shí)混凝土普遍采用粉煤灰和礦渣復(fù)摻，有時(shí)還加上礦粉。

　　3.1.3 細(xì)骨料
　　砂在混凝土中存在雙重效應(yīng)，一是圓形顆粒的滾動(dòng)減水效應(yīng)；二是比表面積吸水率高的需水效應(yīng)。這兩種相互矛盾的效應(yīng)，決定了必須根據(jù)水泥、摻合料、外加劑等情況綜合考慮。砂的含泥量和雜質(zhì)，會(huì)使水泥漿與骨料的粘結(jié)力下降，需要增加用水量和增加水泥用量，所以砂必須符合規(guī)范技術(shù)要求。

　　3.1.4 粗骨料
　　由于自密實(shí)混凝土常常用于鋼筋稠密或薄壁的結(jié)構(gòu)中，因此粗骨料的最大粒徑一般以小于20 mm為宜，盡可能選用圓形且不含或少含針、片狀顆粒的骨料。

　　3.1.5 外加劑
　　自密實(shí)混凝土具備的高流動(dòng)性、抗離析性、間隙通過(guò)性和填充性這四個(gè)方面都需要以外加劑的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)外加劑的主要要求為：a) 與水泥的相容性好：b) 減水率大；c) 緩凝、保塑。

　　3.2 自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法
　　3.2.1 普通適用的混凝土體積模型
　　全計(jì)算的基本觀點(diǎn)：

　　a) 混凝土各組成材料(包括固、氣、液三相) 具有體積加和性；
　　b) 石子的空隙由干砂漿填充；
　　c) 干砂漿的空隙由水填充；
　　d) 干砂漿由水泥、細(xì)摻合料、砂和空氣所組成。

　　根據(jù)美國(guó)混凝土專(zhuān)家P. K.Mehta 和P. C. Aitcin 的觀點(diǎn)，自密實(shí)混凝土同時(shí)達(dá)到最佳的施工和易性和強(qiáng)度性能，其水泥漿與骨料的體積比應(yīng)為35∶65。

　　3. 2. 2 傳統(tǒng)的自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)
　　崗村教授于1996 年提出自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：粗骨料體積用量固定為固體體積用量的50 %；細(xì)骨料用量固定為砂漿體積的40 %；體積水膠比建議為019～110 ，具體決定于膠凝材料組成與性質(zhì)；超塑化劑摻量和最終水膠比以保證達(dá)到自密實(shí)來(lái)決定。

　　我國(guó)北京建工集團(tuán)二公司等單位提出自密實(shí)混凝土配合比的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)：膠凝材料的總量要超過(guò)500kg/m³ ；砂率較大，即粗骨料用量較小，砂率應(yīng)在40%以上，最大可達(dá)50%；使用高效減水劑，由于膠凝材料的用量較大，必須摻用大量礦物細(xì)摻合料，細(xì)摻合料總摻量一般不大于膠凝材料總量的30%；為了保證耐久性，水膠比不宜大于014。

　　4 自密實(shí)混凝土的研究目標(biāo)與實(shí)現(xiàn)方法
　　4.1 自密實(shí)混凝土的研究目標(biāo)
　　隨著高層建筑的普及以及高度的不斷提高，對(duì)自密實(shí)混凝土的性能要求也越來(lái)越高了，主要表現(xiàn)為以下四個(gè)方面：

　　a) 流動(dòng)度高、易于泵送施工的自密實(shí)混凝土；
　　b) 自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度達(dá)到高強(qiáng)級(jí)，并且具有較高的耐久性；
　　c) 盡量減少自密實(shí)混凝土的坍落度損失，使自密實(shí)混凝土在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持較高的流動(dòng)性；
　　d) 經(jīng)濟(jì)，采用當(dāng)?shù)夭牧虾秃?jiǎn)單的生產(chǎn)工藝，使自密實(shí)混凝土的造價(jià)降低。

　　4.2 自密實(shí)混凝土的實(shí)現(xiàn)方法
　　針對(duì)當(dāng)前我們對(duì)自密實(shí)混凝土提出的四個(gè)研究目標(biāo)，我們可以通過(guò)以下途徑得到實(shí)現(xiàn)：

　　a) 高效減水劑的選用。目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了減水率高達(dá)30 %左右的高效減水劑，同時(shí)可與各種外加劑(如緩凝劑、穩(wěn)定劑等) 復(fù)合改進(jìn)，混凝土拌合物的流動(dòng)性損失減慢，且有利于提高混凝土的力學(xué)性能合耐久性。

　　b) 摻合料的選用。采用單摻或復(fù)摻粉狀活性摻合料，調(diào)節(jié)混凝土拌合物流變特性，提高流動(dòng)性和抗分離性，同時(shí)能增加活性，改善耐久性。

　　c) 配合比設(shè)計(jì)。選用適宜的配合比參數(shù)，膠凝材料所占體積和砂率值可通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)選，突出混凝土拌合物的工作性能，并充分考慮混凝土拌合物硬化后的物理力學(xué)性能和耐久性。