高早强自密实混凝土试验研究

1   前言
    自密实混凝土(Self－compacting Concrete)，也有人称为高流态混凝土(Highly Fluidized Concrete)，指混凝土拌和物主要靠自重，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。
    日本1992年开始对自密实混凝土的质量标准、材料、配合比、施工、质量管理等有关内容进行了研究，1997年制定了“高流动性混凝土材料、配比、制造、施工指针”，1998年宣布到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。我国从90年代初期开始自密实混凝土的研究。1995年深圳、上海、北京等城市应用自密实混凝土浇筑了4万余方，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240～270mm，扩展度≥600mm，orimet法流下时间8～16s，坍落度中边高差≤20mm。
本次试验研究主要总结自密实混凝土的配制机理，配制24h强度等级为C25的高早强自密实混凝土，同时研究水灰比、硅粉和减水剂FDN掺量对混凝土性能的影响。
 
2   自密实混凝土的配制机理
    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和物内部产生的剪切应力τ≥τ₀时，混凝土产生流动；η是混凝土拌和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是反映混凝土拌和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，高效减水剂吸附于水泥颗粒界面并形成双电层，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，难以填充模具和保持拌和物均质。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。
    针对以上分析，在配制高早强自密实混凝土研究中采取以下措施：
    (1)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复合改进，使混凝土拌和物的流动性得到提高，且有利于提高混凝土的力学性能和耐久性。
    (2)掺合料的选用。采用硅粉作为活性掺合料，调节混凝土拌和物流变特性，提高流动性和抗分离性，同时能增加活性，改善耐久性。
    (3)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，突出混凝土拌和物的工作性能，并充分考虑混凝土拌和物硬化后的力学性能。
 
3   原材料
3.1　水泥
     水泥(C)的主要问题是与外加剂的相容性、标准稠度用水量和强度，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，因此应选用性能稳定的水泥。本次试验采用霸道42.5MPa普通硅酸盐水泥，其化学成分如表1所示：

表1霸道42.5普通硅酸盐水泥的化学成分

化学成分	SiO2	Fe2O3	Al2O3	CaO	MgO	TiO2	Na2O	K2O	SO3	I.L
含量(%)	22.75	4.03	7.92	55.56	2.09	0.33	0.51	0.82	2.82	3.16

 
3.2　硅粉
    硅粉具有很高的火山灰活性，因此能改善自密实混凝土硬化后的孔结构和强度。试验采用埃肯公司生产的硅粉(SF)，其化学成分如表2所示，比表面积达20000m²/kg。

表2硅粉的化学成分

化学成分	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	SO3	其它	I.L
含量(%)	92.8	2.04	0.52	0.45	0.58	/	1.35	2.26

 
3.3　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；二是比表面积较大的需水效应。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。砂的含泥量大和所含杂质，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。本次试验采用人工砂，其物理性能如表4所示：

表3人工砂的物理性能指标测试

密度(g/cm^3)	松散表观密度(kg/L)	细粉含量(%)	细度模数
2.64	1.41	7.2	2.73

 
    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20mm为宜，尽可能选用圆形且不含或少含针、片状颗粒的骨料。本次试验采用的粗骨料粒径小于20mm，其物理性能如表4所示：

表4粗骨料的部分物理性能指标

密度(g/cm^3)	松散表观密度(g/cm^3)	振实表观密度(g/cm^3)	压碎指标(%)
2.73	1460	1740	8.89

 
3.4　减水剂
    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掺加外加剂的手段来实现。本次试验采用FDN早强高效减水剂。
 
4   试验设计与结果
    本试验中，流动性采用坍落度衡量，抗压强度测试试件尺寸为10mm×10mm×10mm。试验通过调整水灰比、硅粉和高效减水剂FDN掺量，配制坍落度超过240mm的高早强自密实混凝土。强度保证率为95%，因此，混凝土的配制强度为：R′＝R_C＋T_σ＝25＋1.645×4＝31.58MPa
    试验配合比和高早强自密实混凝土的性能如表5所示。

表5高早强自密实混凝土的配合比和性能

编号	Ｗ/C	SF(%)	FDN(%)	SL(mm)	抗压强度(MPa)
1	0.3	0	2	300	27.5
2	0.25	0	2	180	33.3
3	0.25	0	3	200	33.1
4	0.25	0	4	240	33.3
5	0.26	6	4	245	35.3
6	0.27	9	4	250	35.1
7	0.28	12	4	255	35.3
8	0.29	15	4	265	33.5
9	0.3	18	4	270	32.3

 
 
5   试验结果分析
    由表5中高早强自密实混凝土的性能可知：所有配合比中，只有配合比2、3拌和物的坍落度小于240mm，其工作性不能满足自密实的要求；配合比1硬化混凝土的抗压强度小于要求的配制强度，达不到25MPa的要求。配合比4～9这六个配比均能满足24小时抗压强度达到25MPa的要求。
    同时分析水灰比、硅粉掺量和FDN掺量对混凝土拌和物坍落度和24小时抗压强度的影响。分别回归得出它们之间的相互关系式，如式(2)、(3)所示：

SL＝－498.6＋2437.9

－5.0SF＋32.9FDN
R²＝0.980       (2)
R_24h＝62.12－119.15

＋0.29SF＋0.45FDN
R²＝0.894       (3)

    从式(2)可以看出：混凝土拌和物的坍落度随水灰比和FDN掺量的增大而提高，随硅粉掺量的增大而减小；从式(3)可以看出：硬化混凝土24小时抗压强度随水灰比的增大而减小，随硅粉和FDN掺量的增大而提高；式(2)和式(3)的相关系数分别为0.980和0.894，说明两相关关系式相关性都较好。
 
6   结论
    本文分析了高早强自密实混凝土的配制机理，通过试验得到六组24小时抗压强度达到25MPa的高早强自密实混凝土，同时得出水灰比、硅粉掺量和FDN掺量对混凝土拌和物坍落度和24小时抗压强度的影响，并得出它们之间的相互关系式分别如式(2)和式(3)所示。
 

 作者：刘数华   
信息来源：豆丁网