自密实混凝土.docx

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自密实混凝土

自密实混凝土

自密实混凝土（Self-Compacying Concrete,简称SCC）是高性能混凝土的一种。

它的主要性质是混凝土拌和物具有很高的流动性而不离散，不泌水，能靠自重自行填充模板内空间，且对于密集的钢筋和形体复杂的结构都具有良好的填充性，能在不经振捣（或略作插捣）的情况下，形成密实的混凝土结构，并且还具有良好的力学性能和耐久性能。

自密实混凝土对解决或改善密集配筋，薄壁、复杂形体，大体积混凝土施工以及具有特殊要求、振捣困难的混凝土工程施工带来极大的方便。

可避免出现由于振捣不足而造成的质量缺陷，并可消除振捣造成的噪声污染，提高混凝土施工速度。

1、基本原理

混凝土的流动性和抗离析性是互相矛盾的，制备自密实混凝土，就是要设法谋求流动性和抗离析性的平衡，谋求适度抗离析性下的高流动性，从而获取良好的自填充性。

根据流变学理论，新拌混凝土属宾汉姆流体，其流变方程为：

τ=τ0+ηγ

其中：

τ:

剪应力

τ0：

屈服剪应力

η：

塑性粘度

γ：

剪切速率

τ0是阻碍塑性变形的最大应力，是材料之间的附着力和摩擦力引起的，它支配拌和物的变形能力，当τ＞τ0时，混凝土产生流动；η是反映流体各平流层之间产生和与流动方向反向的阻止其流动的粘滞阻力，它支配了拌和物的流动能力，η越小，在相同外力作用下流动越快。

如果将混凝土视为骨料和浆体的固液两相组成的物质，液体有比固体更大的变形能力，固体有较大的抗剪能力。

如果固体和液体间没有相互的作用，那么混凝土的浆体和骨料将类似单相那样一起变形流动；当两相间产生相对速度时，就产生作用在两相的抗剪力。

混凝土中的浆体不只是填充骨料之间空隙的基质，而且影响着颗粒接触摩擦的应力。

给予浆体适度的粘性，提高浆体和骨料的粘着力，就提高了混凝土抵抗骨料和浆体相对移动的能力，抑制骨料聚集、阻塞。

在变形流动时，表现近似液体；若浆体的粘性过大，虽然不发生离析，但是混凝土和模板、钢筋的粘着力过大，流动性大大降低，自填充性差；若浆体粘性过小，骨料和浆体的粘着力过小，则混凝土抵抗骨料与浆体相对移动的能力弱，颗粒接触应力大，从而发生离析，骨料起拱堆集，自填充性亦差。

浆体的粘性是影响混凝土屈服剪应力和塑性粘度的重要因素。

制备自密实混凝土的基本原理是：

使用新型混凝土外加剂和掺用大量的活性细掺合料，通过胶结料，粗细骨料的选择与搭配的精心的配合比设计，使混凝土的屈服应力减少到适宜范围，同时又具有足够的塑性粘度，使骨料悬浮于水泥浆中，混凝土拌和物既具有高流动性，又不离析、泌水，能在自重下填充模板内空间，并形成均匀、密实的结构。

2、自密实混凝土拌和物的工作性

自密实混凝土拌和物工作性包括以下四个内容：

流动性、抗离析性、间隙通过性和自填充性。

这和一般普通混凝土拌和物的工作性要求是不同的。

其中自填充性是最终结果，其受流动性、抗离析性和间隙通过性的影响，更是间隙通过性好坏的必然结果，间隙通过性是混凝土拌和物抗堵塞的能力，受流动性、抗离析性的支配，且受混凝土外部条件（程部位的配筋率、模板尺寸等）的影响，它是拌和物工作性的核心内容，而流动性和抗离析性是影响间隙通过性的主要因素。

对自密实混凝土拌和物工作性必须进行检测和评价，但由于其流动性很大，常规的坍落度试验的试验精度和敏感程度对其已不大适应，也无现行标准规范；并且其工作性还受工程条件、施工工艺的影响，其真正检验标准应是混凝土的实际浇筑过程，因此最好开展类工程条件的工作性试验，以“易于浇筑、密实而不离析”作为最终目标。

不过下面两个方法在自密实混凝土设计时仍具有指导意义。

1）坍落度试验

试验设备及方法与普通混凝土相同，唯一的区别在于一次装模，插捣5次。

测试的指标有坍落度S、坍落扩展度D、坍落扩展速度（td50:

 坍落扩展至50cm的时间）,另外还要观察坍落扩展后的状态予以观察。

坍落度S和坍落扩展度D与屈服应力有关，反映了拌和物的变形能力和流动性。

坍落扩展速度反映了拌和物的粘性，与塑性粘度相关；坍落扩展快，反映粘度小，反之，粘度大。

自密实混凝土的坍落度S一般应控制在250-270mm，不大于280mm；坍落扩展度D应控制在550-750mm；坍落扩展速度td50一般在2-8秒；坍落扩展后，粗骨料应不偏于扩展混凝土的中心部位，浆体和游离水不偏于扩展混凝土的四周。

2）“倒坍落度筒”试验

它是利用倒置的坍落度筒测定筒内混凝土拌和物自由下落流出至排空的时间ts，作为衡量自密实混凝土拌和物可泵性的一种方法。

这种方法试验条件简单、操作简便。

自密实混凝土的“倒坍落度筒”试验的ts一般应控制在3-12秒。

其它的方法还有L流动试验、Orimet试验、配筋L流动试验等方法。

3、自密实混凝土的原材料

1）粗细骨料

粗骨料的粒形、尺寸和级配对自密实混凝土拌和物的工作性，尤其是对拌和物的间隙通过性影响很大。

颗粒越接近圆形，针、片状含量越少，级配越好，比表面积就越小，空隙率就越小，混凝土拌和物的流动性和抗离析性、自密实性就好；粗骨料的最大粒径越大，混凝土拌和物流动性和间隙通过性就越差，但如果粒径过小，混凝土的强度和弹性模量将降低很多。

为了保证混凝土拌和物有足够的粘聚性和抗堵塞性，以及足够的强度和弹性模量，故宜选用粒径较小（5～20mm）、空隙率小、针片状含量小（≤5％）、级配较良好的粗骨料。

为了使自密实混凝土有好的粘聚性和流动性，砂浆的含量就较大，砂率就较大，并且为了减小用水量，故细骨料宜选用细度模数大（2.7～3.2mm）的偏粗中砂，砂子的含泥量和泥块含量也应很小。

2）外加剂

自密实混凝土由于其流动性高，粘聚性、保塑性好，水泥浆体丰富，拌制用水量就大，为了降低胶凝材料的用量和保证混凝土具有足够的强度，就必须掺用高效的混凝土减水剂，来降低用水量和水泥用量，以获得较低的水灰比，使混凝土结构具有所需要的强度。

因此高效的混凝土减水剂是配制自密实混凝土的一种关键原材料。

自密实混凝土对外加剂性能的要求是：

能使混凝土拌和物具有优良的流化性能、保持流动性的性能、良好的粘聚性和泵送性、合适的凝结时间与泌水率，能提高混凝土的耐久性，对混凝土结构的力学性能和变形性影响力能无不良。

因此它不是一种简单的减水剂，而是一种多功能的复合外加剂，具有减水流化、保塑、保水增粘、减少泌水离析、抑制水泥早期水化放热等多功能。

另外，根据工程的实际情况，为了增加混凝土结构的密实性和耐久性，还可掺入一定量的混凝土膨胀剂。

3）胶凝材料

根据自密实混凝土的性能要求，可以认为适于配制自密实混凝土的胶凝材料应具有以下特性：

（1）和外加剂相容性好，有较低需水性，能获得低水灰比下的流动性、粘聚性保塑性良好的浆体

（2）能提供足够的强度（3）水化热低、水化发热速度小（4）早期强度发展满足需要。

由此可见，单一的水泥胶凝材料已无法满足要求，解决的途径是将水泥和活性细掺和料适当匹配复合来满足自密实混凝土对胶凝材料的需要。

水泥应选用标准稠度低、强度等级不低于42.5Mpa的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥。

活性细掺和料是配制自密实混凝土不可缺少的组分，它能够调节浆体的流动性、粘聚性和保塑性，从而调节混凝土拌和物的工作性，降低水化热和混凝土温升，增加其后期强度，改善其内部结构，提高混凝土的耐久性，并且还能抑制碱-集料的发生。

粉煤灰是用煤粉炉发电的电厂排放出的烟道灰，由大部分直径以μm计的实心或中空玻璃微珠以及少量的莫来石、石英等结晶物质所组成。

在粉煤灰的化学组成中，SiO240～60%,AL2O317～35%,它们是粉煤灰活性的主要来源。

当在混凝土掺入粉煤灰后，由于其独特的球形玻璃体结构能在混凝土中起“润滑”作用而改善拌和物的工作性，其次由于粉煤灰颗粒填充于水泥颗粒之间，使水泥颗粒充分“解絮”扩散，改善了拌和物的和易性，增强了粘聚性和浇筑密实性；当混凝土结构硬化后，粉煤灰中的活性SiO2和AL2O3将缓慢与水泥水化反应生成的Ca（OH）2发生水化反应（即二次水化反应）,使混凝土结构更致密，后期强度及结构耐久性也不断提高；在混凝土掺入粉煤灰后，可降低水泥的用量，使水化热的峰值降低，有利于大体积混凝土的施工和避免混凝土结构开裂。

另外由于粉煤灰的价廉易得，因此是配制自密实混凝土首选的掺和料。

缺点就是其抗碳化性差。

磨细高炉矿渣是高炉矿渣经水淬和磨细成的一种活性细掺和料。

它除了由于水淬形成了大量的球状玻璃体，还含有钙镁铝黄长石和很少量的硅酸一钙或硅酸二钙等结晶态组分，它具有微弱的自水硬性，比粉煤灰的活性更高。

磨细高炉矿渣掺入混凝土的作用类似于粉煤灰掺入混凝土的作用，但其抗离析性差。

不同外掺料在混凝土中的作用有各自的作用，并且都有各自的优缺点。

根据复合材料的“超叠效应”（Symergistic）原理，将不同种类掺和料以适当的复合比例掺入混凝土中，则可使其取长补短，不仅可调节需水量，提高拌和物的工作性，提高混凝土强度，减少混凝土收缩，提高混凝土的体积稳定性和耐久性。

因此在自密实混凝土中可考虑掺入粉煤灰或粉煤灰和磨细高炉矿渣，其比例应经过试验确定。

掺入自密实混凝土中的粉煤灰的质量应符合GBJ145《粉煤灰混凝土应用技术规范》对Ⅰ、Ⅱ级灰的要求。

主要指标为：

细度（45μm方孔筛筛余）≤12％，需水量比≤95％，烧失量≤5％。

掺入自密实混凝土中的磨细矿渣的质量应符合GB/T18046-2000《用于水泥和混凝土的粒化高炉矿渣》的要求。

4、自密实混凝土的配合比设计

1）配制的目的和依据

自密实混凝土目的是配合比各要素和硬化前后的各性能之间达到矛盾的统一。

它首先要满足工作性能的需要，工作性能的关键是抗离析的能力和填充性，其次混凝土凝结硬化后，其力学性能和耐久性指标也应满足结构的工作需要。

当具有很高流动性的混凝土拌和物流动时，在拥挤和狭窄的部位，粗大的颗粒在频繁的接触中很容易成拱，阻塞流动；低粘度的砂浆在通过粗集料的空隙时，砂子很可能被阻塞在集料之间，只有浆体或水通过间隙。

因此混凝土拌和物的堵塞行为是和离析、泌水密切相关。

流变性能良好的自密实混凝土拌和物应当具备两个要素，即较小的粗集料含量和足够粘度的砂浆。

其中粗集料体积含量是控制自密实混凝土离析的一个重要因素。

具有较少粗集料含量的拌和物对流动堵塞有较高的抵抗力，但是粗集料含量过小又会使混凝土硬化后的弹性模量下降较多并产生较大的收缩，因此在满足工作性要求的前提下应当尽量增加粗集料用量。

一般1m3自密实混凝土中粗集料的松散体积为0.50～0.55m3比较适宜。

对于砂浆来说，是由砂子和水泥浆两相组成。

根据有关试验表明，砂子在砂浆中的体积含量超过42％以后，堵塞随砂体积含量的增加而增加；当砂体积含量超过44％后，堵塞的机率为100％。

因此砂浆中砂的含量不能超过44%。

当砂体积含量小于42%时，虽可保证不堵塞，但砂浆的收缩却会随体积的减小而增大，故砂浆中砂的体积含量也不应小于42%。

图1  砂浆中砂体积含量余砂浆的堵塞机率

砂浆的粘度与砂浆中砂子含量及水泥浆浓度有关。

对于浆体来说，是由胶凝材料和水两相组成，其关系为水胶比。

水胶比大则浆体浓度低，混凝土可有较好的流动性，但其强度则随水胶比的增大而降低。

为了保证混凝土具有足够的强度和良好的耐久性，水胶比应控制在≤0.4，并掺用细掺和料来调节混凝土强度和拌和物的粘度。

2）配合比设计方法和步骤

按上述原理，自密实混凝土配合比设计的参数有：

拌和物中的粗集料松散体积、砂浆中的砂的体积、浆体中的水胶比、外加剂掺量和细掺料用量。

具体的设计步骤如下：

①通过净浆和混凝土试验（最好为正交试验），确定外加剂、水泥和外掺料的种类和用量，以占总的胶凝材料的质量百分比来表示；

②设定每1m3混凝土中石子用量的松散体积（0.50～0.55m3），根据石子的堆积密度计算每1m3混凝土中石子用量；

③根据石子表观密度计算每1m3混凝土中石子的密实体积，由1m3减去1m3混凝土中石子的密实体积，得到砂浆体积；

④设定砂浆中砂体积含量（0.42～0.43），根据砂浆密实体积和砂体积含量计算砂的密实体积；

⑤根据砂的密实体积和砂的表观密度计算每1m3混凝土中砂子用量；

⑥从砂浆密实体积减去砂的密实体积，得到浆体密实体积；

⑦根据混凝土的设计强度等级，确定水胶比（≤0.4）；

⑧根据外掺料的掺量，计算胶凝材料的表观密度；

⑨由胶凝材料的表观密度、水胶比计算水和胶凝材料的体积比，根据浆体体积计算出胶凝材料和水的体积；

⑩根据胶凝材料的体积和表观密度计算出胶凝材料的总用量，再根据外掺料的掺量计算出每1m3混凝土中水泥和外掺料用量。

图2 自密实混凝土配制流程图

按照上述步骤和方法，计算出几组配合比进行试配，测试其工作性能，检验其力学性能和耐久性指标，从中选出符合设计要求、经济的配合比。

5、自密实混凝土的力学性能

自密实混凝土比普通混凝土采用的粗骨料少，粒径也小，用水量又比较大，但由于其水胶比较小，故其抗压强度和弹性模量虽略有降低，但适宜的配比仍能满足结构的设计要求。

自密实混凝土由于具有良好的自填充性，不经过振捣结构的密实性比经过振捣的结构的密实性差别不大，其抗压强度和弹性模量只略有降低，差别不大。

下表为某研究机构作的自密实混凝土免振和振捣的混凝土试件力学性能对比试验，从中可以看出上述推理还是比较正确。

表1  自密实混凝土免振和振捣的混凝土试件力学性能对比

编

号抗压强度

（Mpa）劈拉强度

（Mpa）抗折强度

（Mpa）轴心抗压强度

（Mpa）静弹模量

（×104Mpa）钢筋粘结力

（Mpa）

J159.3/62.0

（0.956）4.22/4.44

（0.950）8.25/8.08

（1.02）56.7/56.6

（1.002）3.76/3.77

（0.997）6.75/6.66

（1.014）

J263.7/67.4

（0.945）4.12/4.12

（1.000）7.99/7.82

（1.022）59.8/58.0

（1.031）3.94/3.86

（1.021）6.93/6.76

（1.025）

J365.9/68.4

（0.963）4.60/4.51

（1.020）8.97/8.71

（1.030）52.1/52.3

（0.996）4.39/4.54

（0.967）6.65/6.71

（0.991）

J453.8/54.1

（0.994）3.83/3.57

（1.071）7.74/7.82

（0.989）49.9/50.7

（0.984）3.67/3.77

（0.973）5.94/6.27

（0.947）

6、自密实混凝土的耐久性

1）抗渗性和抗冻性

自密实混凝土的水胶比小，自填充性好，结构很致密，因此其抗渗性和抗冻性等级高，耐久性好。

2）干燥收缩性

自密实混凝土由于粗骨料用量较一般混凝土少，粉体材料用量大，用水量也大，干燥收缩会比普通强度等级混凝土的收缩要大，但差距不大。

3）抗碳化性

在自密实混凝土中，由于掺入了大量的外掺料，将降低混凝土结构的碱度，从这方面讲，它的抗碳化性能将降低。

但由于其水胶比低，结构致密，就大大增强了其抗碳化性能。

因此其混凝土结构总体来讲，它的抗碳化性良好。