不同内掺材料自密实混凝土的研究现状

肖良丽，刘鸿明，骆　恒

(武汉科技大学城市建设学院，武汉 430065)



不同内掺材料自密实混凝土的研究现状

肖良丽，刘鸿明，骆恒

(武汉科技大学城市建设学院，武汉 430065)

摘要：自密实混凝土内掺材料不同不仅影响新拌混凝土的工作性，而且影响硬化混凝土的力学性和耐久性。简要介绍了自密实混凝土的定义及特点，讨论了近年来自密实混凝土内掺材料的发展概况。较详细综述了不同内掺材料自密实混凝土性能研究的最新成果。在此基础上，对内掺材料在自密实混凝土中的研究前景进行了展望。 美国地质调查局2015年1月矿产数据显示，2014年全球生产水泥41.8亿t，较2013年增长1亿t，较2012年增长4.8亿t，我国2014年生产的水泥量超过全球总量的一半，达到25亿t，较2013年增长0.8亿t，较2012年增长3.5亿t。Michael H等[1]在研究中发现水泥在生产和运输过程中排放的CO2大约是人工排放CO2总量的10%，逐年增加的水泥产量及其巨大的CO2排放量给严峻的环境添上了更加沉重的负担。水泥还是一种高能耗材料，Mehta P K[2]研究表明生产一吨水泥需要消耗4～5 GJ的能量，不利于资源的循环利用和可持续发展。自密实混凝土属于高性能混凝土的一种，与传统振捣型混凝土相比，自密实混凝土需要更大体积的胶凝材料，若单一使用水泥，不仅增加了混凝土的造价，而且增加了环境的负担。研究环境友好型水泥基材料是现在的一项热点问题，水泥取代材料在现代建筑工业中考虑经济、技术和生态方面扮演了重要角色。为了降低生产水泥的能耗和其对环境的影响，开始研究粉煤灰、矿粉等部分取代水泥的内掺材料并将其应用于自密实混凝土中。

关键词：自密实混凝土;内掺材料;最新成果;研究前景

1自密实混凝土的定义及特点

自密实混凝土是具有高流动性、自密实性和稳定性，浇筑时无需人工或机械振捣，能够在自重作用下流动并填满模板各个角落的混凝土[3]。自密实混凝土拌合物除应满足普通混凝土拌合物对凝结时间、保水性和黏聚性等的要求外，还要满足自密实性能的要求[3]：高流动性﹐即混凝土具有在模板内克服阻力有流动的能力，能够流动并填满模板内每个角落；间隙通过性，即混凝土在自重下流过狭窄间隙的能力；稳定性好，自密实混凝土在流动过程中必须保证不离析，减少泌水；抗离析能力，即在满足以上三点的同时，混凝土在运输和浇筑过程中各组分要保持均匀。自密实混凝土技术最早由日本在20世纪80年代提出，随后很快传入其他国家并获得迅速发展。我国主要是在90年代初期开始引进研究和应用自密实混凝土的，经过多年的研究与工程应用实践，已经在自密实混凝土的配合比设计、评估方法及工程应用方面取得了较好的成果[4-7]。由于自密实混凝土不仅有良好的工作性、施工性、较完美的力学性和耐久性，在讲究环保和可持续发展的今天，自密实混凝土必将成为混凝土界的宠儿。

2自密实混凝土内掺材料的发展概况

20世纪五六十年代，生产水泥的技术相对落后，人们在配置混凝土的过程中会加入一定量的水泥基材料代替水泥来增加混凝土的量；七十年代出现了高效缓凝剂，八十年代开始发展高性能混凝土，人们把内掺材料作为一种改善高性能混凝土性能的掺合料；九十年代，人们对内掺材料更加重视，认识到内掺材料不再是一种混凝土“辅料”，而是混凝土的必要组分，开始在自密实混凝土中对一些工业废渣进行环保利用，直到今天，混凝土内掺材料的发展一直未停歇[8]。目前常用的自密实混凝土内掺材料主要有粉煤灰、矿渣粉、硅灰、稻壳灰、石灰石粉等工业废料，有效利用工业废弃物，既解决了其对环境的二次污染，又降低了混凝土的成本。近两年，天然火山灰质材料开始被研究并应用于自密实混凝土中，较常见的有浮石粉、沸石粉等。在国外一些发达国家，纳米材料开始被研究并应用于自密实混凝土中，比如纳米SiO2和纳米TiO2。我国已经在矿物内掺材料和天然火山灰质材料用于混凝土方面制定了相关标准，如《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596—2005、《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》GB/T 18046—2008、《水泥砂浆和混凝土用天然火山灰质材料》JG/T 315—2011等。

3内掺材料在自密实混凝土中的最新研究成果

我国对常用内掺材料自密实混凝土的研究还处于上升阶段，研究的过程中不断发现新的问题，亟需研究人员解决，而对于新型内掺材料自密实混凝土的研究我国刚刚起步，新型内掺料料自密实混凝土已经成为国外现在研究的热点之一。下面总结了近年来国内外不同内掺材料自密实混凝土研究的最新成果:

曹鹏飞等[9]研究了掺石灰石粉对自密实混凝土的工作性、力学性和抗氯离子渗透性的影响。试验结果表明：石灰石粉提高了自密实混凝土的工作性能和早期抗压强度，比起粉煤灰或矿渣，石灰石粉更有效地降低了混凝土的自收缩性，石灰石粉单掺或与粉煤灰复掺能取得不错的经济效益和社会效益。

鲁文斌[10]研究了复掺粉煤灰和硅灰在自密实混凝土中的应用，研究了粉煤灰的最佳掺量，以及几种矿物质掺合料复掺的复合效应。试验结果表明：粉煤灰和硅灰应用到自密实混凝土中，可以增大新拌混凝土的流动性，改善泌水离析，增加硬化后混凝土的强度，提高其耐久性能，在其试验条件下，粉煤灰的最佳掺量为30%，两种内掺材料复合使用比单独使用效果更好。

万惠文等[11]利用稻壳灰配制自密实混凝土进行性能研究，结果表明：掺入稻壳灰的自密实混凝土硬化后体积稳定性好，稻壳灰对混凝土的后期强度提升效果显著，还利用稻壳灰试配出了较优配合比的C40自密实混凝土。

杨利雄[12]对水胶比为0.37，矿粉取代水泥百分率分别为10%，15%，20%，25% 和30% 的自密实混凝土进行了试验研究。研究结果表明：在自密实混凝土中加入矿粉取代部分水泥，对提高混凝土的工作性作用明显，矿粉取代率15%时得到的混凝土抗压强度最高，矿粉取代率大于20%时混凝土早期强度降低明显，自收缩也有所增加。Sethy K.P.等[13]通过试验研究掺入大比例(30%～90%)取代水泥的工业矿渣粉对自密实混凝土的流变性能、自密实性和强度的影响。结果表明：随着工业矿渣粉水泥取代率的增加，新拌自密实混凝土的塑性粘度降低，所有新拌自密实混凝土的屈服应力几乎为零，表明掺入大比例取代水泥的工业矿渣粉对新拌自密实混凝土的工作性能有很大改善。在力学性能方面，抗压强度随工业矿渣粉的增加而降低，掺入30%取代水泥的工业矿渣粉能够得到超过100 MPa的高强自密实混凝土。

付亚伟等[14]研究了取代水泥百分率为10%的硅灰对自密实混凝土性能的影响。结果表明：适当掺量(10%左右)的硅灰能有效改善自密实混凝土的工作性、强度、耐久性、稳定性和触变性等。张守祺等[15]对比研究了分别掺入多孔硅粉和硅灰对新拌自密实混凝土各项性能的影响。结果表明：掺量小于15%时，多孔硅粉大幅增强自密实混凝土的流动性，掺量为2%～10%的多孔硅粉提高C60自密实混凝土各龄期抗压强度，尤其大幅提高早期强度，对比分析发现多孔硅粉对新拌自密实混凝土性能的改善作用略优于硅灰。侯茜茜等[16]研究了硅灰掺量对自密实混凝土性能的影响，发现随着硅灰掺量(5%～10%)增大，自密实混凝土的工作性和抗压强度都有大幅提高，而碳化速度随着硅灰掺量增大而减慢。

Jalal M等[17]研究了纳米二氧化硅、硅灰、低钙粉煤灰对高性能自密实混凝土不同性能的影响。研究表明：单掺粉煤灰时，随着粉煤灰的掺量增加，高性能自密实混凝土的流变性能越好。三种掺合料对混凝土的力学性能和输运性能都有不同程度的改善，尤其是在复掺硅灰与纳米二氧化硅的情形下，还发现较大比例的硅灰、粉煤灰等矿物掺合料与小部分纳米粉末复掺能得到高强自密实混凝土。Rao S等[18]将少量纳米二氧化硅(0.75%～3%)和二氧化钛(0.5%～1%)掺入到已有30%粉煤灰取代水泥的自密实混凝土中进行研究。研究表明：掺入纳米材料对新拌自密实混凝土的工作性能影响不大，但都不同程度降低了硬化后混凝土的抗压强度和劈拉强度，建议纳米材料在修复自密实混凝土上有很大的潜能，但需要优化使用。

Granata M F[19]研究了浮石粉作为内掺材料对自密实混凝土的流变性能和力学性能的影响。研究表明：掺有浮石粉的自密实混凝土表现出了良好的流动性、填充能力和离析能力，但随着时间的增长掺浮石粉的自密实混凝土比掺硅灰、粉煤灰的自密实混凝土在工作性能上表现出更明显的退化。在力学性能方面，掺有浮石粉的自密实混凝土将会获得更高的28 d抗压强度，随着时间增长，后期强度更大。

Nuruddin M F等[20]研究了单掺20%水泥取代率的粉煤灰、硅灰、稻壳灰以及两两复掺10%水泥取代率的粉煤灰、硅灰、稻壳灰对延性自密实混凝土工作性和抗压强度的影响。结果表明：加入这些掺合料的自密实混凝土都能满足自密实性的要求，复掺10%粉煤灰和10%稻壳灰的延性自密实混凝土达到了最高强度，且没有影响其自密实性。

Le H T等[21]研究了超塑化剂和稻壳灰对自密实高性能混凝土的自密实性和抗压强度的影响。研究结果表明：超塑化剂的量高于饱和超塑化剂的量没有影响自密实混凝土的流动性和塑性粘度，但引起自密实混凝土的渗出。与粉煤灰或硅灰相比，加入稻壳灰增加了灰浆饱和超塑化剂用量，稍微降低了自密实混凝土的填充和流动能力，很大程度上增加了塑性粘度和抗离析能力，同时也消除了灰浆的渗出。与粉煤灰相似，稻壳灰对自密实混凝土的抗压强度有较大提高，尤其是用大比例稻壳灰取代水泥和较长龄期的情况下。复掺稻壳灰与粉煤灰较大程度改善了自密实高性能混凝土的自密实性和抗压强度。

4总结与展望

在自密实混凝土中采用工业废料或天然火山灰质材料作为内掺材料，既可以解决其对环境的二次污染、降低混凝土的造价，同时还提高自密实混凝土的各项性能，符合我国可持续发展的战略，利用恰当会产生很好的经济效益和社会效益。但是传统掺合料，如粉煤灰，硅灰等，由于需求量越来越大，其产量已不能满足工程需要。天然火山灰质材料的研究尚未成熟，开发新型掺合料已是一个迫在眉睫的问题。

从国内外近年来对不同内掺材料自密实混凝土的研究现状可以看出，研究人员主要集中于研究内掺材料对自密实混凝土工作性能和力学性能的影响，而对内掺材料自密实混凝土的抗碳化、微裂缝、抗腐蚀性和自收缩性的研究较少，对内掺材料的复合效应研究也不够深入，这些都是内掺材料在自密实混凝土发展中需要解决的问题。这些问题一旦解决，自密实混凝土将有更加广阔的应用前景。

参考文献

[1]Michael H,Yoshitaka K. An Assessment Framework Based on Social Perspectives and Analytic Hierarchy Process:A Case Study on Sustainability in the Japanese Concrete Industry[J]. J Eng Technol Manage 2011,28:300-316.

[2]Mehta P K. Reducing the Environmental Impact of Concrete[J]. Concr Int,2001,23(10):61-66.

[3]JGJ/T 283—2012,自密实混凝土应用技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[4]赵筠.自密实混凝土的研究和应用[J].混凝土,2003(6):9-17.

[5]陈春珍,张金喜,陈炜林,等.自密实混凝土配合比设计方法适用性的研究[J].混凝土,2009(12):83-86.

[6]程升.C60自密实混凝土配比设计[J].福建建材,2015(8):59-61.

[7]杨森.自密实混凝土的特点及性能研究综述[J].城市建设理论研究(电子版),2015(3).

[8]梁炎华,李絯.关于混凝土生产中掺合料的应用分析[J].江西建材,2014(9):9.

[9]曹鹏飞,秦鸿根,庞超明.掺石灰石粉自密实混凝土性能的研究[J].施工技术,2005(34):35-37.

[10]鲁文斌.复掺粉煤灰和硅灰在自密实混凝土中的应用[J].混凝土,2009(8):82-84.

[11]万惠文,刘离,陈伟.利用稻壳灰配制自密实混凝土性能的研究[J].武汉理工大学学报,2011(7):32-34.

[12]杨利雄.矿粉对自密实混凝土性能的影响[J].低温建筑技术,2014(8):20-22.

[13]Sethy K P,Pasla D,Chandra Sahoo U. Utilization of High Volume o f Industrial Slag in Self Compacting[J]. Journal of Cleaner Production,2015.

[14]付亚伟,王硕太,崔云长.硅灰对自密实混凝土性能的影响[J].四川建筑科学研究,2009(1):191-193.

[15]张守祺,王栋民,路来军,等.多孔硅粉对新拌自密实混凝土性能的影响[J].混凝土与水泥制品,2009(6):1-4.

[16]侯茜茜,陈华.硅灰掺量对高强自密实混凝土性能的影响研究[J].商品混凝土,2013(11):50-51.

[17]Jalal M,Pouladkhan A,Harandi O F,et al. Comparative Study on Effects of Class Fly Ash,Nano Silica and Silica Fume on Properties of High Performance Self Compacting Concrete[J]. Construction and Building Materials,2015,94:90-104.

[18]Rao S,Silva P,de Brito J. Experimental Study of the Mechanical Properties and Durability of Self-compacting Mortars with Nano Materials (SiO2and TiO2)[J]. Construction and Building Materials,2015,96:508-517.

[19]Granata M F. Pumice Powder as Filler of Self-compacting Concrete[J]. Construction and Building Materials,2015,96:581-590.

[20]Nuruddin M F,Chang K Y,Azmee N M.Workability and Compressive Strength of Ductile Self Compacting Concrete(DSCC) with Various Cement Replacement Materials[J]. Construction and Building Materials,2014,55:153-157.

[21]Le H T,Ludwig H M. Effect of Rice Husk Ash and Other Mineral Admixtures on Properties of Self-compacting High Performance Concrete[J]. Materials and Design,2016,89:156-166.

Current Status of the Research on Self-compacting

Concrete with Different Admixtures

XIAOLiang-li,LIUHong-ming,LUOHeng

(School of Urban Construction,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430065,China)

Abstract:The different admixtures of self-compacting concrete influence not only the workability of fresh concrete but also the mechanical properties and durability of hardened concrete. The definition and characteristic of self-compacting concrete are briefly introduced. The development surveys of self-compacting concrete admixtures in recent years are discussed. The latest results of the property research on self-compacting concrete are summarized. On the basis,the research prospects of admixtures in self-compacting concrete are outlined.

Key words:

作者简介：肖良丽(1973-)，博士,副教授E-mail:xiaoliangli@wust.edu.cn

收稿日期：2015-10-09.

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.06.007