C40钢管自密实混凝土的配比设计与性能研究

刘育成 徐 清 周曾洪

(1.昆明理工大学土木工程学院，云南昆明 650500;2.云南省建工集团第五建筑公司，云南昆明 650000)

近年来发展起来的一种以高工作性为其突出特点的高性能混凝土——自密实混凝土，满足了复杂形状、配筋密集、不易振捣以及在各种特殊情况下建筑施工的苛刻要求。由于不用或少用振捣，混凝土不易离析，有利于耐久性的提高，可降低噪声，减少环境污染，节省劳动力，提高经济效益，加快施工速度，当用于难以浇筑甚至无法浇筑的部位，可避免振捣不足而造成的蜂窝、空洞、麻面等质量缺陷。自密实混凝土的材料成本要略高于普通混凝土，成为应用自密实混凝土的主要障碍。论文进行了C40钢管自密实混凝土的配制及性能研究，其目的是通过选材、优化配比，研究C40自密实钢管混凝土，使其在各方面性能都能满足施工技术要求的前提下，经济效果较好。

1 原材料对自密实混凝土性能的影响

1.1 粉体材料

在自密实混凝土中可以使用的粉体除了水泥外，还包括粉煤灰、磨细高炉矿渣、磨细石灰石粉和硅灰等矿物掺合料。

1.1.1 水泥

选用云南国资水泥厂生产的42.5普通硅酸盐水泥，其性能指标如表1所示。

表1 云南国资水泥厂42.5普通硅酸盐水泥性能指标

1.1.2 矿物掺合料

在实际工程应用中，粉煤灰是最常用的自密实混凝土矿物掺合料。品质优良的粉煤灰可以改善混凝土的工作性能，降低混凝土拌合物流动性的经时损失率，并且可以提高混凝土的后期强度和耐久性。本文选用昆明阳宗海火力发电厂的Ⅱ级粉煤灰，其性能指标如表2所示。

表2 Ⅱ级粉煤灰性能指标 %

1.2 粗细骨料

生产自密实混凝土一般采用第Ⅱ级配区的中砂较为适宜。本文采用山砂和机制砂按6∶4比例混合，混合后砂的性能指标如表3所示。

由于自密实混凝土常常用于薄壁构件、密集配筋等场合，所以粗骨料的粒径不宜过大，否则将影响混凝土的间隙通过性。本文选用5 mm～20 mm粒级碎石，其性能指标如表4所示。

表3 混合砂的性能指标

表4 石子性能指标

1.3 外加剂

1.3.1 高效减水剂

一般情况下，配置自密实混凝土优先选用聚羧酸高效减水剂。

本文选用PCA聚羧酸高效减水剂，掺量为1.5%。其性能指标如表5所示。

表5 PCA聚羧酸高效减水剂的性能指标

1.3.2 膨胀剂

由于混凝土在凝结硬化的过程中会有收缩，所以，为了避免收缩引起受力的不利情况，在拌制自密实混凝土的过程中除了加入高性能减水剂外，还加入膨胀剂以避免收缩。加膨胀剂的另一个原因就是在混凝土凝结硬化的过程中微膨胀，使钢管对混凝土事先就施加了一个力进行约束，使得二者联合工作的可能增大，这就相当于是事先施加了一定的预应力一样，还可以提高结构构件的承载力。本文选用JM膨胀剂，其性能指标如表6所示。

表6 JM膨胀剂的性能指标

1.4 水

自密实混凝土的拌合用水与常规混凝土一样，按行业标准JGJ 63-89混凝土拌合用水标准的规定执行。

2 自密实混凝土的配制及性能实验

2.1 自密实混凝土的基准配合比

一般规定:自密实混凝土的设计宜采用绝对体积法。自密实混凝土的水胶比宜小于0.45，胶凝材料宜控制在400 kg/m3～355 kg/m3。钢管自密实混凝土配合比设计时，必须采取减少收缩的措施。本文自密实混凝土的基准配合比参照CECS 203-2006，JGJ 55-2011进行。

2.2 试验所用配比及性能检测结果

试验所用配比及性能检测结果分别如表7及表8所示。

2.3 试验结果分析

1)配比参数对和易性的影响。根据表9试验结果可得，砂率为45%，水胶比0.33，水粉比(体积比)1.00 ～1.03，单位粗骨料绝对体积0.33～0.34，粉煤灰掺量10% ～30%，外加剂掺量1.5%，自密实混凝土拌合物的和易性能可满足施工要求。

表7 钢管自密实混凝土试验配比

表8 各种配比物理力学性能检测结果

原因分析，砂率对和易性的影响:在水泥浆数量一定的情况下，砂率过小时虽然颗粒间有足够的水泥浆层，但由于砂少石子多，砂与水泥浆组成的砂浆数量不够填满石子颗粒间的间隙，更不能在石子表面形成足够的润滑层，因而会降低拌合物的流动性。因此，该次实验的砂率变化不大，都基本保持在45%左右。

水粉比对和易性的影响:当理论水胶比不变的情况下，水粉比越大流动性越好，但是当水粉比较小时会影响拌合物的粘聚性、保水性。

粉煤灰掺量对和易性的影响:当粉煤灰的掺量较高时，拌合物的粘聚性、保水性都很好，但是流动性会稍微差一些。

2)粉煤灰掺量对自密实混凝土收缩的影响。在粉煤灰掺量不同的情况下，混凝土的收缩也不同。粉煤灰掺量对混凝土收缩的影响情况如表9及图1所示。粉煤灰的水化反应很慢，它在混凝土中相当长的时间内以固体微颗粒存在，具有填充骨料空隙的作用，可以提高混凝土的密实性。所以，在一定的范围内，对于常规混凝土，当粉煤灰的掺量越多时收缩越小。

表9 粉煤灰掺量对形变的影响

图1 粉煤灰的掺量对混凝土收缩的影响

3)粉煤灰掺量对强度的影响。当其他配比参数(如水胶比、砂率、单位用水量、减水剂掺量、单位粗骨料绝对体积)基本不变时，粉煤灰掺量由30%调到10%，对混凝土强度的影响如表10，图2，图3所示。当粉煤灰掺量超过30%时，混凝土早期强度和后期强度都会受到影响。

表10 不同粉煤灰掺量对混凝土强度的影响

4)膨胀剂对自密实混凝土物理力学的影响。比较配比一和配比二，其他配比参数(如水胶比、砂率、单位用水量、减水剂掺量、单位粗骨料绝对体积)不变时，膨胀剂的加入对自密实混凝土的收缩及强度影响结果如表11，表12，图4所示。

图2 粉煤灰掺量对混凝土早期强度（3 d）的影响

图3 粉煤灰对混凝土28 d强度的影响

表11 加膨胀剂与不加膨胀剂的收缩比较

表12 加膨胀剂与不加膨胀剂对混凝土的强度影响

图4 加膨胀剂与不加膨胀剂对混凝土强度的影响

3 结语

1)为了保证自密实混凝土的和易性、自密实性等，材料的选用很重要。尤其是砂石的选用。石子在选用时不应该选用粒径太大的，一般不超过25 mm，通常都用5 mm～20 mm的。砂子一般用中砂，这样的砂子能与石子镶嵌密实，能有效的保证混凝土的密实度及强度。同时，为保证流动性，河砂机制砂和山砂效果好。

2)自密实混凝土是一种高流动性的混凝土，对于用水量十分的敏感。在不同的季节、一天不同的时候对于用水量都是不同的。

3)对于自密实钢管混凝土必须加入膨胀剂。使得自密实混凝土在硬化过程中发生膨胀，二者在硬化过程中就相互挤压，形成像预应力构件一样的构件，有利于提高结构的安全性。

4)膨胀剂掺量在10%的情况下，混凝土早期的强度发展会受到影响，但是后期几乎没有影响。

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