自密实混凝土扩展度影响因素分析与评价

韩春雨，刘 鑫

（1.重庆市建筑科学研究院，重庆401336；2.中铁二院智源检测工程有限公司，四川 成都610036）

自密实混凝土（Self Compacting Concrete）是一种高流态混凝土（Highly Fluidized Concrete），是指在自重作用下就可以填充模版每个角落，对一些钢筋比较密集部位无需振捣就可以很饱满的包裹钢筋。与普通混凝土相比自密实混凝土具有良好的流动性、填充性和施工性能，在施工过程中可以减少振捣，节约了振捣设备和电力，减少了混凝土振捣时的振捣和一些辅助工作量，减少了噪音对环境的污染。因此，在一些发达国家，如日本及欧洲，自密实混凝土用量已占到总量的一半以上。

由于自密实混凝土靠自重作用来填满模版、包裹钢筋，这就要求拌合物要具有良好的坍落度、扩展度和流变性。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料性能

本次试验的原材料均采购于重庆市，其性能如下:

1）水泥:拉法基42.5#级普通硅酸盐水泥。密度为3.1g／cm3，比表面积为328m2／kg；

2）粉煤灰:Ⅰ级粉煤灰；

3）砂:细度模数为2.31，属中砂区；

4）硅粉:重庆乌江实业集团硅业有限公司提供的微硅粉－92级；

5）石:普通石灰岩碎石，粒径为6～16mm，级配良好；

6）减水剂:重庆健杰JJC－PC－40聚羧酸高性能减水剂。

1.2 试验方法与测试结果

本次自密实混凝土工作性能测试方法参照2012年3月出版的《自密实混凝土应用技术规程》（JGJ／T 283－2012）、《水 工 混 凝 土 试 验 规 程》（SL352－2006）。自密实混凝土扩展度工作性能指标要求如表1所示。

表1 自密实混凝土扩展度性能表

按照《自密实混凝土应用技术规程》（JGJ／T 283－2012）规定的实验方法及三个因素来设计配合比，按照所设计的配合比分别将称好的砂、石、水泥、粉煤灰和减水剂倒入60L混凝土搅拌机，启动搅拌机30s后，加入水，再搅拌90s后完成。混凝土扩展度的测定按照《自密实混凝土应用技术规程》（JGJ／T 283－2012）附录 A1中所规定的操作方法操作。其中，将边长1 000mm硬质不吸水的的正方形平板及坍落度筒润湿，自密实混凝土一次性装入到坍落度筒中，并将坍落度筒顶口和周边的多余混凝土清走。提起时间应控制在2.0s，待混凝土停止流动后，测试混凝土扩展度。

新拌混凝土属于宾汉姆流体，其流变方程为

式中: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。

由式（1）可知，τ0为阻止混凝土塑性变形的最大应力，当τ＞τ0时，混凝土才能产生流动。η为混凝土内部阻止其流动快慢的一种性能，当η越小，混凝土的流动越快。所以τ0，η为自密实混凝土能否拥有很好扩展度的两个重要参数。

本次试验混凝土配合比强度等级为C30，一般的C30混凝土能够保证自密实混凝土中粗、细骨料中空隙部分完全被砂浆包裹，使得砂浆在石子之间起到润滑作用。由多次试验得出的结论可知，胶凝材料在390～445kg／m3时，自密实混凝土的扩展度比较理想。所以，本次实验胶凝材料的总量控制在420kg／m3、水胶比为0.37、外加剂用量为胶凝材料总量的1.8%，探讨粉煤灰用量、砂率、硅粉复掺量对自密实混凝土扩展度的影响，测试结果如表2、表3和表4所示。

表2 粉煤灰用量对扩展度影响的配合比列表

表3 砂率对扩展度影响的配合比列表

表4 复拌微硅粉用量对扩展度影响的配合比列表

2 试验结果分析

2.1 粉煤灰对扩展度的影响

参考李悦编制的《自密实混凝土技术与工程应用》，自密实混凝土砂率一般在40%～50%为宜，本次试验的砂率暂定为43%，讨论粉煤灰含量的变化对自密实混凝土扩展度的影响。

由于粉煤灰能够和水泥发生二次水化反应，产生水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶凝物质，这些胶凝物质在拌合物中可以有效增加其扩展度、坍落度等工作性能，因此，在自密实混凝土中粉煤灰常用来作为拌合物的活性掺合料。

由图1和表2可知，当粉煤灰含量在5%～30%时，混凝土扩展度随粉煤灰的增加而逐渐变大。当粉煤灰含量在30%～50%时，混凝土扩展度随粉煤灰用量的增加而逐渐减小。主要原因是:

1）由粉煤灰“三效应”可知，当其用量较少时，与其发生二次水化反应的水泥过剩，而过剩水泥颗粒易在混凝土中凝聚，使得τ0没有达到最小，混凝土的扩展度也随之减小，没有达到规范要求的扩展度值。随着粉煤灰用量的增加，粉煤灰与水泥的反应会变得较为充分，混凝土的扩展度也随之增加，当其用量达到30%时，混凝土扩展度也达到了最大值，这时水泥和粉煤灰的反应也达到了最佳状态。

图1 不同粉煤灰用量的混凝土扩展度

2）由于粉煤灰的颗粒比水泥颗粒小，颗粒形状也较水泥颗粒圆滑。所以，在混凝土拌合物中起到“滚珠”润滑作用，是使混凝土拌合物扩展度增大的原因之一。

3）随着粉煤灰用量达到30%后，当用量再次增加时，混凝土拌合物扩展度会随着用量增加而减小。这是因为，在二次水化反应中粉煤灰有所剩余，粉煤灰的比表面积较水泥的比表面积大，起到润滑作用的胶凝材料表面变薄，从而使混凝土变得不易流动，扩展度也会随之减小。

2.2 砂率对扩展度的影响

本次试验是在粉煤灰含量为胶凝材料总量30%基础上进行的试验。借此来讨论砂率对自密实混凝土扩展度的影响。

由于自密实混凝土中砂的主要作用是起润滑作用，因而砂率的大小是影响自密实混凝土扩展度大小的重要因素之一。

由图2可知，当砂率在40%～46%时，混凝土扩展度随着砂率的增加而逐渐变大。当砂率在46%～49%时，混凝土扩展度随着砂率的增加而逐渐减小，主要原因是:

图2 不同砂率的混凝土扩展度

1）当自密实混凝土中砂率过小，砂对混凝土中粗骨料润滑不够充分，使得混凝土内部依旧存在着较大的屈服剪切应力，随着砂率的增加，砂的润滑效果越发明显，混凝土内部的屈服应力也会逐步减小，塑性粘度也同时减小。由于重力作用而产生的外部剪切力作用使混凝土的流动速度增大，扩展度也会随之变大。因此，当砂率达到46%左右时，自密实混凝土扩展度达到最大。当砂率过小时，砂对混凝土内部粗骨料的润滑作用也会变小，因此，混凝土粗骨料间就会存在一些水泥净浆，对混凝土的流动性起到一定的制约作用。

2）当砂率过大时，由于砂的用量增加，使得骨料的比表面积和孔隙率增大。在胶凝材料用量一定的条件下，使起到润滑作用的胶凝材料表面变薄，从而使混凝土变得不易流动，扩展度也会随之减小。

2.3 复拌微硅粉用量对扩展度的影响

本次试验是在保持复拌材料（微硅粉与粉煤灰）占胶凝材料总量30%，砂率为46%时，讨论微硅粉对自密实混凝土扩展度的影响。

由于微硅粉能够填充水泥颗粒间的孔隙，同时与水化产物生成凝胶体，与碱性材料氧化镁反应生成凝胶体，使拌和物具有良好的保水性，防止拌合物离析和泌水现象的发生。

由图3可知，当复拌微硅粉用量在0%～5%时，混凝土的扩展度变化不大，但微硅粉与水泥的水化反应会产生一些凝胶体，这些凝胶体在拌合物中起到了保水作用，大大减少了拌合物发生离析、泌水的几率，更适合现场混凝土泵送要求的条件。当复拌微硅粉用量超过5%时，混凝土扩展度会下降的很快，其主要原因是:

图3 不同复拌微硅粉含量的混凝土扩展度

1）硅粉与水泥水化反应产生胶凝体过多，使得内部屈服剪力变大，塑性粘度也随之变大，由式（1）可知τ0、η均变大，进而使得τ也会变大，就使得混凝土流动所需要的外力变大。所以，混凝土的扩展度也就随之变小，流动速度也变小。

2）由于微硅粉表面积大，使起到润滑作用的胶凝材料表面变薄，从而使混凝土变得不易流动，扩展度也会随之减小。

2.4 自密实混凝土强度分析

本次试验所配置混凝土设计强度等级为C30，试验所制备混凝土试块规格均为100mm×100mm，采用YZ－500压力机测定本次试块的抗压强度。

由表5可知，在同一水胶比条件下，随着粉煤灰掺量的增加混凝土强度降低，这是由于粉煤灰含量增加导致水泥含量较少，使得混凝土拌和物中生成的Ca（HO）2含量减少，掺和料水化反应后生成CS－H胶凝的比例也随之减少，掺合料中部分粒料未能参与反应，处于游离状态，试块中没有足够的C－S－H胶凝填充周围空隙，所以随着粉煤灰含量增加，试块强度随之减少。当试块达到28d时，粉煤灰有充足的时间进行二次化合反应，可产生更多的C－S－H胶凝，周围空间变得更加密实，使得粉煤灰含量较高的混凝土试块后期的强度增加较快。由此可以预测，随着养护期龄的增加，有利粉煤灰混凝土强度发展。由2.4试验结论可知，按2.3试验配合比所制备试块的28d强度可按照C30混凝土的标准抗压强度。混凝土强度主要取决于配合比中的粗骨料和水泥强度，所以，按2.2试验配合比所制备的试块28d强度也可按照C30混凝土的标准抗压强度。

表5 不同配合比试样的抗压强度值

3 结 论

自密实混凝土较普通混凝土的优势在于浇筑过程中无需振捣，只在自身重力作用下就可以达到密实、流平，完全填充模版内的任何角落。所以，自密实混凝土扩展性能的大小尤为关键，通过上述试验研究，可以得到以下几点结论:

1）砂率是保证混凝土拌合物均匀性、填充性的重要因素。所以，砂率的大小是影响自密实混凝土扩展度大小的重要因素之一。砂率过大或过小都会导致扩展度的降低，本次试验条件下，合理的砂率应控制在46%左右。

2）粉煤灰对自密实混凝土扩展度的影响主要表现在粉煤灰是否能够和水泥浆体反应充分，胶凝物质产生量多。由本次试验可知，当粉煤灰用量在25%左右时，自密实混凝土扩展度将达到最大。

3）当微硅粉掺量在0%～5%时，虽然自密实混凝土扩展度变化不大，但可以有效改善混凝土离析、泌水，提高混凝土工作性能。当微硅粉掺量大于5%时，混凝土扩展度将急剧下降。所以，建议在进行自密实混凝土配合比设计时，微硅粉含量不大于5%。

［1］ 庞超明，秦鸿根，何宏荣，等.影响自密实混凝土性能的因素探讨［J］.商品混凝土，2005（6）:44－49.

［2］ 刘数华，王晓燕.自密实混凝土综述［J］.建筑技术开发，2004（7）:118－120.

［3］ 刘洪学.胶凝材料和砂率对高性能自密实混凝土的影响［J］.福建建设科技，2008（4）:60－62.

［4］ JGJ／T 283自密实混凝土应用技术规程［S］.北京:人民交通出版社，2012.

［5］ 张陈景，高玲玲，张艳聪.水泥路面沥青混凝土功能层累积变形试验研究［J］.交通科学与经济，2014，16（6）:1－3.

［6］ 肖治微，殷成健.含气量对不同强度混凝土力学性能影响［J］.交通科技与经济，2014，16（5）:88－90.

［7］ 祝雯，王海龙.自密实混凝土工作性能影响因素分析与评价［J］.混凝土，2010（12）:31－34.

［8］ 韩春雨.预应力钢纤维混凝土拼装墩的抗震性能研究［D］.重庆:重庆交通大学，2013.

［9］ 刘伟强.自密实混凝土流变性能与强度试验研究［D］.北京:北京交通大学，2010.

［10］严琳.自密实混凝土的配制及其性能研究［D］.重庆:重庆交通大学，2008.

［11］刘宝举，金华山，杨元霞，胶凝材料用量及砂率对自密实混凝土工作性的影响［J］.粉煤灰，2006（4）:22－25.

［12］李悦.自密实混凝土技术与工程应用［M］.北京:中国电力出版社，2013.