掺加萘系减水剂的SCC配合比设计方法研究

陈成芹，余意恒

（1.西北民族大学土木工程学院，甘肃 兰州 730124；2.甘肃省新型建材与建筑节能重点实验室，甘肃 兰州　730030）

掺加萘系减水剂的SCC配合比设计方法研究

陈成芹1，2，余意恒1

（1.西北民族大学土木工程学院，甘肃 兰州 730124；2.甘肃省新型建材与建筑节能重点实验室，甘肃 兰州730030）

自密实混凝土（简称SCC）配合比设计方法在国内没有统一的方法。在设计过程中，新拌混凝土的工作性非常敏感，受原材料质量、配料准确性等因素波动的影响而大幅度变化，从而造成自密实混凝土的技术发展受到了一定的限制。通过介绍国内较先进的固定砂石体积法、全计算法、改进全计算法、参数设计法、骨料比表面积法、简易配合比设计方法6种方法各自特点，选择比较成熟的固定砂石体积法、改进全计算法、参数设计法对C60自密实混凝土进行了工作性能以及力学性能对比试验。通过试验表明：固定砂石体积法参数选取明确，设计过程较简单，工作性能较稳定，具有一定的适用性。

自密实混凝土；配合比设计；工作性能；力学性能

1概述

混凝土材料从早期材料简单、质量粗糙、强度等级低的普通混凝土，到目前多组分、级配优良、强度高的高性能混凝土，无论是在材料性能上，还是在施工工艺上都有了很大的飞跃［1-2］。自密实混凝土依靠其自重填充空隙、成型，具有降低施工噪声、改善施工环境和周围居民的居住坏境、提高施工速度、缩短工程工期等优点，隶属于一种高性能混凝土，在高层、大跨度项目中广泛应用。目前在自密实混凝土配合比设计中，不同配合比设计方法，设计理论不同，配制出的混凝土性能差异较大。况且自密实混凝土地域性强，即使采用了相同的配合比，由于原材料的地域差异、种类差异，配制的混凝土性能也有差别［3］。自密实混凝土配合比设计方法有多种，并且没有固定的设计方法［4-7］。自密实混凝土突出的矛盾就是流动性与稳定性的矛盾，解决这一矛盾的关键是：减小集料的粒径；增大砂浆黏度来实现混凝土的稳定性，而增大砂浆量可以改善流动性。这是自密实混凝土配合比设计的基本指导思想。在配制过程中，不仅要注重配合比设计方法之间的差异，更要严格控制原材料质量、拌合物生产制备和整个施工过程。本论文通过探讨国内常用的固定砂石体积法、全计算法、改进全计算法、参数法、骨料比表面积法和简易配合比设计方法6种设计方法的特点，从中选择较成熟的固定砂石体积法、改进全计算法和参数法进行自密实混凝土配制，分别用不同品种矿物掺合料取代水泥，研究矿物掺合料对自密实混凝土工作性能和力学性能的影响。通过对比试验得出各个设计方法的适用特点及范围，应根据不同的要求和环境选择合适的配合比设计方法。

2　原材料性能

（1）水泥。自密实混凝土适宜采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，且应符合现行国家标准《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）的相关规定。在水泥品种的选择上，应选用水化放热量较小的水泥［8］，避免温升问题，不利于自密实混凝土的施工。本实验采用P.O 42.5的水泥，其各项性能见表1。

表1　水泥技术性能指标

（2）粉煤灰。粉煤灰采用Ⅱ级F类，密度为2 000 kg/m3，其性能见表2。

表2　粉煤灰性能指标

（3）细骨料。自密实混凝土中砂浆量大、砂率大。细度模数的计算见表3。

表3　分计筛余和累计筛余的计算结果

故可以判断实验所用细骨料为二区中砂，其物理性能见表4。

表4　细集料物理性能

（4）粗骨料。自密实混凝土比较普通混凝土的显著特征是屈服剪应力较小，影响屈服剪应力最大的因素是集料的粒径尺寸。集料粒径混凝土的屈服剪应力成正比例关系。反之，如果集料的粒径越小，沉降速度也越慢，有利于保持混凝土的稳定性。因此，在配制自密实混凝土时应重视对集料的最大粒径的控制。最大粒径应为20～25 m m比较合适。粒径不宜过大，影响拌合物的间隙通过性，针、片状颗粒对该性能也有影响，《自密实混凝土应用技术规程》（CECS 203—2006）规定粗骨料中针、片状含量不宜超过8%。

（5）H NS减水剂。实验中采用的H SN萘系高效减水剂，是经化工合成的非引气型高效减水剂。化学名称萘磺酸盐甲醛缩合物，它对于水泥粒子有很强的分散作用。对配制大流态混凝土，有早强、高强要求的现浇混凝土和预制构件，有很好的使用效果，可全面提高和改善混凝土的各种性能，对各种水泥适应性好，与其他各类型的混凝土外加剂配伍良好。其主要技术指标有：

a.含固量：粉剂≥92%。

b.pH值（5%水溶液）：7～9。

c.硫酸钠含量：粉剂16%～19%。

d.水泥净浆流动度：≥200 m m。

e.在相同水灰比情况下，可增大混凝土坍落度10 cm以上。

f.在保持坍落度不变时，减水率可达12%～20%。

g.对混凝土有显著的早强、增强效果，其强度提高幅度为15%～40%，能全面改善和提高混凝土的物理力学性能，在保持强度相同时可节约水泥10%～20%，对钢筋无锈蚀作用。

3　自密实混凝土各配合比设计方法的对比及适用性研究

3.1配合比设计方法特点

SCC配合比设计特点是采用较低水胶比、较高砂率和高胶凝材料用量；对原材料的依赖性大。研究者们有不同的设计方法，每种方法的理论意义和原理都存在着差异，配制的自密实混凝土性能上存在着较明显差异，且不同的设计方法对于各参数的选取都有严格的要求，选取范围有变化。目前国内主要的自密实混凝土设计方法有固定砂石体积法、全计算法、改进的全计算法、参数法、简易配合比设计方法和骨料比表面积法。每种方法都有各自的设计特点，有些方法相互关联，也存在有不同之处［9］。各个配合比设计方法的特点如下：

（1）固定砂石体积法：该设计方法由日本岗村甫教授提出，他的灵感来源于高流态自密实混凝土流动性及抗离析性和配合比因素之间的平衡关系，通过试验、调整，满足于设计的基本性能要求。其设计步骤为：

a.最重要的参数是粗骨料松散体积和砂浆中砂的体积分数。

b.根据设计要求，确定配制强度和水胶比。

c.设定单位混凝土中粗骨料的松散体积范围在0.5～0.6 m3，根据相关的密度计算出1 m3混凝土粗骨料用量（m g）。

d.设定砂占砂浆体积含量为0.42～0.45 m3，根据砂浆密实体积Va和砂的体积、密度等关系，计算出单位混凝土砂子用量。

e.根据矿物掺合料的掺入比例，胶凝材料密度与体积关系，计算出各胶凝材料用量和单位用水量。

f.根据混凝土的工作性能要求，合理选择外加剂，并确定其掺入量占胶凝材料总质量的百分含量，确定用量。

（2）全计算法：由武汉工业大学陈建奎教授提出［10］。主要原理及理论为：

a.混凝土中各组成材料固体、气、液具有体积加和性。

b.石子的孔隙由干砂浆填充。

c.干砂浆的孔隙由水填充。

d.干砂浆由水泥、细掺料、砂和孔隙组成。

使得自密实混凝土有了定量的计算方法。通过对高性能混凝土的配合比计算，推导出了砂率和单位用水量公式。美国M eht a和Ai t ci n［11-12］教授认为水泥浆和骨料的体积比为35∶65时，高性能混凝土的性能最佳，则Ve=350 L。

式中：ves为干砂浆体积；vw为单位用水量；ve为浆体体积；ρs为砂的表观密度；ρg为石子的表观密度；ρ'g为石子的堆积密度。

（3）改进的全计算法：中南大学对全计算法进行改进，得到更容易满足性能要求的设计方法。该方法中砂石用量的计算采用了固定砂石体积法的设计步骤，算出砂石用量，将全计算法用水量计算运用到该设计方法中，可根据各参数计算出单位用水量；结合水胶比计算出胶凝材料用量。该计算方法公式明确，步骤简单，是一种较好的定量设计方法。

（4）参数法：天津大学在经验的基础上推导出来的一种配合比设计方法。具体为四个重要参数：用于计算石子用量的粗骨料系数α；掺合料系数γ；计算砂用量的砂拨开系数β以及水胶比W/B。在该设计方法中，参数α、β由原材料性能决定，当原材料发生变化时，α、β的参数选取范围也会发生改变。因此该方法对原材料质量的控制意义重大。配制的混凝土性能波动性也存在着较大差异。当选择该种方法进行设计时，应多次试配、调整、总结经验以选取更适宜的参数范围，满足工作性能要求和设计要求［5，13］。

（5）简易配合比设计方法：由台湾国立云林科技大学Nan Su教授提出。该方法认为混凝土骨料间的空隙由胶凝材料砂浆填充，因而砂率增大，混凝土流动性和密实性较好。这种方法的新颖之处在于提出密实印数概念来控制混凝土骨料用量，而其他则与体积法相似，进而控制拌合物的流动性和密实性。这种方法存在的缺点；一方面是抗压强度全部由水泥提供而不考虑矿物参合料对强度的贡献，导致水泥用量增加，成本增加，耐久性也会受到不同影响。使使用范围受限，大部分应用于中低强度自密实混凝土配合比设计。另一方面，用水量的确定存在着技术问题。总用水量是由水泥所用水维持水泥水化和流动性的量与各个掺合料用水保证与水泥浆体相同的流动度的量之和。把混凝土从一个整体拆分开确定用水量是不科学的，忽略了各材料之间发生的化学反应及相容性问题和叠加效应问题。

（6）骨料比表面积法：由浙江大学提出，该方法认为骨料的量对混凝土工作性能影响大。包括粗骨料的最大粒径、砂子的细度模数、骨料的密实度等。通过研究，建立骨料比表面积计算方法及富余浆量计算模型，并总结出了设计步骤。在其设计步骤中较为不同的是计算骨料比表面积和骨料的总表面积，从而计算出石子和砂子的计算比表面积。设计过程相对复杂和运算烦琐。但是所得配合比较合理，降低了成本，带来了显著的经济效益。

通过6种配合比设计方法的特点对比，本研究选择较成熟的固定砂石体积法、改进全计算法和参数设计法进行对比研究，得出适用性较广泛的设计方法。

3.2SCC配合比设计方法对比研究

本论文以某办公楼现浇钢筋混凝土柱为基础，柱截面最小尺寸为300 m m，钢筋间距最小尺寸为60 m m，在露天受雨雪影响。混凝土设计强度等级C60，采用P.O 42.5级普通硅酸盐水泥，无实测强度；Ⅱ级粉煤灰，S95粒化高炉矿渣。石子堆积密度ρ'g=1 560 kg/m3，表观密度ρg=2 700 kg/m3；砂子表观密度ρs=2 630 kg/m3，粉煤灰表观密度ρf=2 000 kg/m3。每种配合比设计方法在设计中，都做了相应的假设，具体如下：

（1）在固定砂石体积法设计步骤中，设定每立方混凝土中石子用量的松堆体积α=0.55 m3，其中α范围为0.5～0.6 m3；设定砂浆中砂体积含量为44%（42%～45%）；设水泥和粉煤灰总体积为1 m3，粉煤灰掺量为30%，粉煤灰体积Vf，水泥体积Vc，总重量mz，Vc=0.7 m3，Vf=0.3 m3；减水剂的掺量为1.5%。

（2）在改进全计算法设计步骤中，石子用量和砂子用量的计算方法与固定砂石体积法相同，用量分别为mg=858 kg，ms=789.21 kg（α=0.56），M eht a和Ai t ci n教授认为胶凝材料中水泥与矿物掺合料的体积比为75∶25，取=25%，减水剂的用量为2.0%。

（3）在参数法设计步骤中，设定粗骨料系数α=0.7，砂拨开系数β=1.2，减水剂用量1.5%。实验过程中该配合比设计的配比，混凝土容易出现离析泌水现象、骨浆分离。经过试配与调整，推荐α在0.5～0.6选取，β在1.5～1.6选取。本论文选取α=0.58，β=1.6来设计配合比，减水剂用量为1.8%。

三种配合比在满足相应的假设条件下，各个设计方法配合比1 m3原材料用量汇总见表5。

表5　各配合比方法单位混凝土材料用量

3.3矿物掺合料对自密实混凝土的影响

矿物掺合料的使用，使得自密实混凝土的性能变得更加优越，满足越来越多的工程领域不同的施工要求。可以取代水泥，减少水泥用量，降低了因生产水泥耗能，改善空气质量。同时，大量的工业废渣能够回收利用，节约了更多的矿产资源，节约生产成本，经济效益显著。本论文所采用粉煤灰、高炉矿渣两种矿物掺合料。分别采用粉煤灰取代15%水泥，高炉矿渣取代30%水泥，配合比见表6。

表6　矿物掺合料取代水泥配合比　kg/m3

4　自密实混凝土性能

4.1SCC拌合物工作性能测试及评价方法

SCC最突出的是自密实性，具体包括填充性、抗离析性和间隙通过性，三者相辅相成，相互制约。评价方法主要包括：

（1）坍落度及坍落扩展度试验。将混凝土一次性免振捣装入坍落度筒中，自坍落度筒提起时开始计时直到混凝土扩展到500 m m直径的圆饼状的时间止为T5（0s）。自密实混凝土的坍落扩展度一般为550～750 m m，在该范围内，数值越大，其填充性能越好，流动性能越好。

（2）V形漏斗试验。将混凝土试样装入漏斗中，直至达到漏斗顶部边缘，用刮尺抹平漏斗表面，检测水平状况，静置10 s左右，打开活门并开始计时，记录混凝土拌合物完全流过漏斗所用的时间T。

（3）U形箱测试。评价拌合物间隙通过能力的性能。

4.2SCC力学性能及评价方法

新拌合物工作性能测试完成后，依次成型，将混凝土均匀地免振捣装入尺寸为150 m m立方体三联试模中，直至充满模具上边缘为止，用刮刀抹平后，放置在标准养护室中养护，并在24 h后进行拆模，养护到规定龄期后，根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2002）分别测试自密实混凝土的7 d、28 d立方体抗压强度。

4.3实验结果分析

SCC工作性能规范值见表7。通过试验所测工作性能及力学性能指标见表8。

表7　SCC工作性能指标

表8　SCC工作性能及其硬化强度

三种设计方法下的SCC工作性能及力学性能值见表8。

从表8中可以看出：

（1）除了标号SCC-4，其余混凝土工作性能都能满足规范要求，硬化强度除SCC-7偏低，混凝土力学性能都能满足规范要求。

（2）在SCC-1与SCC-3中，在水胶比、矿物掺合料相同的情况下，硬化混凝土的立方体抗压强度随着胶凝材料数量的增加而增加，但增长幅度不明显。

（3）粗骨料对混凝土抗压强度的影响。由SCC-1和SCC-2可得出，粗骨料最大粒径减小，颗粒整体能够密实堆积，获得最大的密实度，新拌混凝土具有较小的内摩擦力、流动性和填充性良好，但是抗压强度有所降低。

（4）从SCC-6和SCC-7中可得，随着粉煤灰、矿渣取代了水泥，抗压强度下降。矿物掺合料活性较低，且实验过程中对矿渣细度的处理不够，导致活性小，在短期时间不能发挥其活性。粉煤灰、矿渣取代了部分水泥，减少了水泥用量而造成强度下降。

5　结语

通过探讨国内较成熟的6种SCC配合比设计方法各自的特点，选取目前国内常用、性能优越的固定砂石体积法、改进全计算法和参数法进行配比设计并进行性能研究，得出如下结论：

（1）在设计过程中，固定砂石体积法和改进全计算法设计的自密实混凝土性能能够达到基本要求，而参数法和易性不满足要求，需要通过试配与调整。

（2）固定砂石体积法各个参数的选取确定，设计原理明确，设计步骤简单。该方法配制的自密实混凝土稳定性好，是一种稳定、适用性强的配合比设计方法。改进全计算方法是一种定量的设计方法，其用水量的计算公式，有利于计算的准确性。对自密实高强高性能混凝土的设计发展有推动意义。参数法具有不稳定性。在设计过程中，应对原材料进行大量的试验，根据原材料性能来确定α、β值，该方法不具有适用性。

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TU5

A

1009-7716（2016）09-0216-05

2016-05-30

陈成芹（1986-），女，硕士，山东莒县人，从事路基路面材料教学及研究工作。