胶凝材料用量对新拌自密实混凝土性能的影响*

李方贤 韦江雄 王辉诚 王景平 裴新意 余其俊

(1.华南理工大学材料科学与工程学院，广东广州510640;2.中广核工程有限公司，广东深圳518124)

自密实混凝土(SCC)是指新拌混凝土具有高流动度而不离析、不泌水，能在不经振捣或少振捣的情况下，完全依靠自身重力作用充满模板每一个角落，达到充分密实和获得最佳性能的混凝土［1-2］.自密实混凝土由于无需振捣，大大减少了对环境造成的噪音污染，符合城市建设施工发展的需要，已逐渐成为现代混凝土发展的一个重要方向.它通过对骨料、外加剂、胶凝材料等组分的合理选择与配合比优化，有效地解决了流动性与抗离析性之间的矛盾［3-5］.目前有关SCC的研究主要集中在如下几个方面: (1)基于各种模型的自密实混凝土配合比设计方法［6］;(2)各种细掺合料在自密实混凝土中的应用，如粉煤灰、白云石粉、偏高岭石、矿渣、稻壳灰等［7-9］;(3)自密实混凝土的耐久性，如收缩、徐变、碳化、抗氯离子渗透性等［10-11］;(4)自密实混凝土工作性能的仿真模拟分析［12-13］;(5)自密实混凝土的微观结构，如界面过渡区结构、早期水化结构等［14-15］.国内外研究表明，为达到自密实混凝土高工作性能的要求，除必须掺加高效减水剂和掺合料外，大多数情况下混凝土还应有低水胶比和高胶凝材料用量，自密实混凝土配合比中的胶凝材料总量多大于500kg/m3［16-17］.但有关胶凝材料用量对自密实混凝土性能的影响，特别是对新拌混凝土性能(如流变性能、气孔结构、绝热温升等)的影响的研究较少.自密实混凝土的流变参数是自密实混凝土配合比设计和工作性能的重要影响因素，新拌自密实混凝土的气孔结构与后期硬化混凝土的耐久性密切相关，混凝土绝热温升是衡量混凝土本身放热能力的根本依据，也是大体积混凝土温度控制的一个重要指标.因此，新拌自密实混凝土的性能为硬化混凝土的性能提供了重要保证.

为此，文中着重探讨了胶凝材料用量对新拌自密实混凝土工作性能、气泡特征参数(含气量、比表面积、间距系数和气泡孔径分布)、流变性能和绝热温升的影响，以期对自密实混凝土的配合比设计及硬化混凝土耐久性指标的评估提供有益的参考.

1 原材料

水泥，珠江水泥厂P.Ⅱ42.5，密度3100 kg/m3;粉煤灰，珠海电厂Ⅰ级粉煤灰，密度2 300 kg/m3;砂，阳江核电站人工砂，细度模数2.6，表观密度2650kg/m3;石，阳江核电站5～16 mm碎石，含泥量0.4%，压碎指标值8.3%，表观密度2700kg/m3，堆积密度1520 kg/m3;外加剂，BASF公司的自密实混凝土专用外加剂.水泥、粉煤灰的化学成分如表1所示.

表1 水泥和粉煤灰的化学成分Table 1 Chemical composition of cement and fly ash %

2 试验方法与配合比

对不同胶凝材料用量的自密实混凝土进行扩展度、V型漏斗、U型箱、L型箱、T50、分层度检测;采用Germann Instruments公司生产的AVA-3000型新拌混凝土气孔结构分析仪研究新拌自密实混凝土拌合物的气泡特征参数;用 Brookfield公司生产的RS-SST Rheometer流变仪来测定筛除石子后拌合物中砂浆的流变参数;采用清华大学研制的混凝土绝热温升仪测试自密实混凝土的绝热温升.不同胶凝材料用量的自密实混凝土配合比如表2所示.

表2 自密实混凝土配合比Table 2 Mix proportion of self-compacting concrete kg/m3

3 试验结果与分析

3.1 胶凝材料用量对自密实混凝土工作性能的影响

不同胶凝材料用量的自密实混凝土的扩展度、V型漏斗、U型箱、L型箱、T50和分层度测试结果如表3所示.由表3可见，随胶凝材料用量的变化，坍落扩展度在600～700 mm之间波动，混凝土基本上达到了自流平状态.胶凝材料用量在480～550kg/m3之间时，混凝土都可以达到大流动性的要求，U型填充高度达到或超过320mm，说明自密实混凝土的钢筋通过性能较佳.胶凝材料用量不同时，L型流动度比介于0.85～0.88之间，无明显差异;当胶凝材料用量较小时，浆体对骨料的包裹不足，V型流过时间和T50时间较长;胶凝材料用量在480～550 kg/m3之间时，V型流过时间和T50时间差别较小.不同胶凝材料用量的分层度都小于10%，说明所配制自密实混凝土的抗离析性能好.

表3 不同胶凝材料用量的新拌自密实混凝土的工作性能Table 3 Workability of fresh self-compacting concrete with different dosages of cementitious material

3.2 胶凝材料用量对自密实混凝土气泡特征参数的影响

胶凝材料用量不同时新拌自密实混凝土的气泡特征参数(含气量、气泡比表面积、气泡间距系数和气泡孔径分布)如图1所示.

图1 不同胶凝材料用量的自密实混凝土的气泡特征参数Fig.1 Air void parameters of self-compacting concrete with different cementitious material contents

由图1(a)可见，随胶凝材料用量的增加，自密实混凝土拌合物的含气量逐渐降低，当胶凝材料用量为550 kg/m3时，混凝土拌合物的含气量只有0.9%.原因可能是胶凝材料用量大时，混凝土的微观结构相对密实，孔隙相对较少，因此，测定的新拌自密实混凝土含气量会降低.由图1(b)和1(c)可看到:胶凝材料用量由460 kg/m3增大到500 kg/m3时，气泡比表面积增加，气泡间距系数减小，气孔结构得到改善;而胶凝材料用量由500 kg/m3增至550kg/m3时，气泡比表面积由 93.6 mm－1降为36.3mm－1，气泡间距系数由149μm突增至699μm，气孔结构反而劣化.由图1(d)可以看到，胶凝材料用量为460、480、500和550kg/m3的新拌混凝土气泡孔径小于300 μm的气孔分别占32.8%、63.3%、74.3%和7.3%，大气泡(气泡孔径在500～1000μm之间)含量分别为30.7%、8.7%、5.2%和55.2%，即胶凝材料用量为480和500kg/m3时，微小气泡占绝大部分，此两种胶凝材料用量的混凝土气泡比表面大于25mm－1，气泡间距系数小于200μm，气孔结构较佳;胶凝材料用量为550 kg/m3时，小气泡含量低于10%，大气泡占绝大部分，因此，虽然其含气量很少，但气泡比表面大于25mm－1，气泡间距系数高达669μm，气孔结构较差.在水灰比一定的条件下，胶凝材料用量较大，相对应的用水量也较大，由于水化反应消耗的水较少，使得薄膜结合水、自由水相对较多，从而导致水泡聚集结合形成大气泡的机率增大.胶凝材料用量为550kg/m3的自密实混凝土用水量达到180kg/m3，相比其它3种胶凝材料用量的自密实混凝土用水量，增幅较大，导致其大气泡也大幅增多.因此，控制自密实混凝土的胶凝材料用量，对调节气孔结构具有一定的作用.

3.3 胶凝材料用量对自密实混凝土流变性能的影响

3.3.1 不同胶凝材料用量自密实混凝土的流变性能

图2为不同胶凝材料用量的自密实混凝土剪切速率－剪切应力曲线.由图2可见:不同胶凝材料用量下SCC的剪切应力都随着剪切速率的提高逐渐增加;在相同剪切速率下，随着胶凝材料用量的增加，剪切应力增加.

图2 自密实混凝土的剪切速率－剪切应力曲线Fig.2 Shear rate-shear stress curves of self-compacting concrete

利用最小二乘法对试样的各曲线进行线性拟合(胶凝材料用量为460、480、500、550 kg/m3时，拟合曲线相关系数依次为0.970 0、0.989 5、0.973 5、0.9601)，得出4个试样的Binham流变参数指标，见表4.由表4可知:随着胶凝材料用量的增加，体系的塑性黏度η和屈服应力呈增加的趋势;当胶凝材料用量由500 kg/m3增加到550 kg/m3时，塑性黏度和屈服应力突增，分别增加了60.2%和73.5%;而胶凝材料用量由460 kg/m3增加到500 kg/m3时，塑性黏度和屈服应力值增加平缓.这可从两方面来解释:一是从材料组成上来分析，混凝土可以看成是以浆体为分散相、集料为固相的混合体，而分散相的浓度是影响体系流变性的重要因素之一，胶凝材料用量越大，分散相浓度越高，分散相粒子之间彼此更容易相互牵制，体系流动时推动分散相粒子所消耗的能量就更大，即塑性黏度相应增大;二是从微观上分析，随着胶凝材料用量增大，水化所形成的网状结构更易形成，结构更加紧凑，体系流动起来所需破坏网络结构的力就更大，即屈服应力更大.

表4 不同胶凝材料用量的自密实混凝土的流变参数Table 4 Rheological parameters of self-compactiong concrete with different dosage of cementitious material

屈服应力小，表明体系内颗粒间连接松散，体系流动性得到改善，使其在较低的剪切应力下就可发生流动，但同时会对体系的抗离析性产生负面影响，因此，要解决好流动性和抗离析性之间的矛盾，自密实混凝土的胶凝材料用量应控制在合理范围之内.

3.3.2 不同胶凝材料用量自密实混凝土的触变性

不同胶凝材料用量自密实混凝土的触变曲线如图3所示，对其上升段和下降段曲线分别进行Binham流体方程拟合，得到的上下段流变参数的差值及触变环面积见表5.从表5可看到，随着胶凝材料用量的增加，触变环面积增加，体系触变结构的稳定性变差，胶凝材料用量由460kg/m3增加到500kg/m3时，触变环面积增加缓慢，而当胶凝材料由500kg/m3增加为550kg/m3时，触变环面积出现突增，所以，当胶凝材料用量大于500kg/m3时，体系的稳定性大大降低.体系的塑性黏度变化值Δη和屈服应力变化值Δ也随着胶凝材料用量的增加而增加，即体系的破坏程度也增大，可恢复性变弱.体系上升阶段与下降阶段流变参数的变化反映了两阶段絮凝体的变化.在上升阶段，由于絮凝体比较多，阻力大，剪切应力随剪切速率的变化比较大;在下降阶段，部分絮凝体在上升阶段已经被破坏了，因此阻力减小，剪切应力随剪切速率的变化减缓.由于上、下两阶段剪切应力随剪切速率的变化不同，使得上、下两阶段的流变曲线不重合，产生触变环.随着胶凝材料用量的增加，体系形成的网状结构更多，形成的触变结构也较多，因此，体系的触变性较强.

图3 自密实混凝土的触变曲线Fig.3 Thixotropic curves of self-compacting concrete

表5 不同胶凝材料用量的自密实混凝土的触变性能参数Table 5 Thixotropic parameters of self-compactiong concrete with different dosages of cementitious material

3.4 胶凝材料用量对自密实混凝土绝热温升的影响

不同胶凝材料用量的自密实混凝土绝热温升曲线和温升速率曲线如图4和5所示.由图4可见，随着胶凝材料用量的增加，混凝土的最高绝热温升逐渐增大，分别为44.40、47.23、48.20和49.14℃，约在第3天内达到峰值.在这种情况下，如果排热不畅，短期内可因蓄热而导致较大的内外温差，而此时由于混凝土的龄期短，强度发展还不充分，极易产生温度裂缝.由图5可见，随着胶凝材料用量的增加，绝热温升速率峰值增加，绝热温升速率峰值分别为2.76、2.84、2.98和3.40℃/h，分别出现在混凝土拌合后的15.6、16.0、17.4和16.8h.这可能是由于胶凝材料用量大，最初期的水化热多，导致混凝土内部的温度高，从而促进了胶凝材料的水化，温升速率增加.因此设计自密实混凝土时，在保证强度和工作性能的前提下，要尽可能取较小的胶凝材料用量.

图4 自密实混凝土的绝热温升曲线Fig.4 Adiabatic temperature rise curves of self-compacting concrete

图5 自密实混凝土的温升速率曲线Fig.5 Temperature rising rate curves of self-compacting concrete

4 结论

通过对不同胶凝材料用量的新拌自密实混凝土的工作性能、气泡特征参数、流变性能和绝热温升进行研究，得出如下结论:

(1)胶凝材料用量在480～550kg/m3之间时，自密实混凝土的流动性、钢筋通过性和抗离析性能较佳.

(2)胶凝材料用量由460 kg/m3增至500 kg/m3时，含气量逐渐减小，气泡比表面积增加，气泡间距系数减小，小气泡含量增加;而当胶凝材料用量由500kg/m3增加至550 kg/m3时，含气量降低，大气泡含量增加，气孔结构劣化.

(3)在相同剪切速率下，随着胶凝材料用量的增加，剪切应力增大;随着胶凝材料用量的增加，体系的塑性黏度和屈服应力以及塑性黏度的变化值和屈服应力变化值也增大，触变环面积增加，体系触变结构的稳定性变差.

(4)随着胶凝材料用量的增加，自密实混凝土的最高绝热温升和绝热温升速率峰值增大.

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