自密实混凝土应用与发展前景

李海卿（中交第二航务工程局有限公司，高级工程师）

自密实混凝土应用与发展前景

李海卿（中交第二航务工程局有限公司，高级工程师）

1 自密实混凝土性能及技术

1.1 自密实混凝土的性能

自密实混凝土（SCC）拌合物具有良好的工作性能，与传统普通混凝土相比，自密实混凝土具必须具备下述优越性能：（1）高流动性：自密实混凝土能够自行流动并填满模板内每个角落。（2）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。（3）不会堵塞：自密实混凝土在流过密集钢筋或狭窄空间不能产生堵塞，能够顺畅流动布满需浇注的空间。

由于 SCC 拌合物具有很高的流动性而不离析、不泌水，能不经振捣或少振捣而自动流平并充满模型和包裹钢筋的混凝土。因此自密实混凝土综合效益显著，特别是用于难以浇筑甚至无法浇筑的部位，可避免出现因振捣不足而造成的空洞、蜂窝、麻面等质量缺陷。自密实混凝土作为高流动性混凝土，配制的关键是如何满足良好的流变性能要求。

1.2 自密实混凝土技术

1.2.1 自密实混凝土配制的基本原理

混凝土拌合物实际上是（粗、细） 集料悬浮于水泥浆体中的混合体系，拌合物本身的屈服剪切应力和塑性粘聚度是决定混凝土流变特性的基本参数。对于混凝土拌合物这种多组份的分散流体而言，其屈服剪切应力与塑性粘聚度随着剪切应力而变化，实质上是随着粘聚结构的破坏程度而变化。人工振动浇注成型的原理就在于：通过振捣外力一方面破坏了水泥浆体水化初期形成的凝聚结构，胶体粒子扩散层中的弱结合水在振动的作用下解吸附变成自由水，混凝土拌合物呈现塑性性质，胶体曲凝胶转变为溶胶；另一方面振动外力破坏了粗颗粒之间的粘结力和机械啮合力，大大降低了内阻，使混合料易于流动。

对于自密实混凝土而言，混凝土的成型和密实过程同时发生，并且是依靠拌合物自身的高流动性填充模板内部空隙，从而形成密实的混凝土结构物。这就要求：一方面混凝土拌合物必须具备较低的屈服剪切应力和塑性粘聚度，拌合物才能具备高流动性，无需振动即能充模板内部空隙；另一方面混凝土拌合物在密实成型的过程中必须保持均匀，无离析、不泌水现象发生。

采用增加单位用水量以及使用超塑化剂的传统方法，使混凝土拌合物的屈服剪切应力和塑性粘度大大降低，在一定范围内可改善混合料的流动性。但是当混凝土拌合物塑性粘聚性降低到一定程度时，拌合物抗离析性就急剧下降，出现浆骨分离、粗集料聚集堆积，混凝土拌合物的流动性大大降低，因而不能达到自密实的效果。因此配制 SCC 的关键就在于采取有效方法获取流动性与粘聚性高度统一，实现混凝土拌合物良好的工作性和抗离析性的和谐统一。

1.2.2 自密实混凝土的技术途径

要获得高流动性与抗离析性的和谐统一，成功地配制出自密实高性能混凝土，多功能高效的外加剂、大掺量矿物掺合料、原材料的严格控制以及合理的配合比是SCC 配制过程的关键。一般主要采用以下几种技术途径：

（1）使用高性能矿物掺合料（高炉微粉、粉煤灰及硅灰等），提高浆体比例来改善混凝土拌合物的抗离析性。大掺量的矿物外掺料应用于自密实混凝上的外掺料主要包括磨细石灰石粉、硅灰、粉煤灰以及磨细矿粉，后两种在我国应用较为普遍。矿物外掺料在 SCC的配制中主要起着以下作用：

① 改善混凝土拌合物的流变性

通常采用的这几类掺合料比表面积较水泥高，比重相对较小，等量替代水泥时增加了浆体的体积，使得浆骨比增大，更多的浆体包裹在集料周围，减少了集料之间直接接触的几率，因而降低了混合料的屈服剪应力，改善了混合料的流动性和透过钢筋的能力，混凝土自密实性也因此增强。尤其是品质优良的粉煤灰，由于粉煤灰微粒具有圆球状的形态，在混凝土拌合物合中能起着滚珠效应，减少了颗粒之间的内部摩擦，能有效降低降低了拌合物的内部剪应力，对改善混凝土拌合物的流动性具有显著的效果。

② 改善混凝土的体积稳定性及抗裂性能

矿物掺合料的使用，使水泥早期水化热及总的水化热均有较大程度的降低，水化热的降低大大减小了混凝土的温升，减小了由于温度应力而引起的开裂。此外，优质的粉煤灰对于降低混凝土的自收缩以及所引起的开裂具有明显的效果。

（2）使用多功能高效的外加剂。

多功能高效外加剂是配制自密实混凝土的核心技术，与普通混凝土所用的外加剂相比，SCC 所用的外加剂更加强调多组份复合或者是多功能的叠加，在工程中目前应用较多的是复合型的多组份外加剂，其功能组份主要包括以下几种：

① 减水组份：引入高效减水组分的目的是一方面为了利用其强分散作用，降低混凝土拌合物的屈服剪应力，改善其流变性；另一方面为了有效降低水胶比，保证硬化混凝土的力学性能及耐久性。目前高效减水剂的种类主要包括萘磺酸盐系列、磺化三聚氰胺系列、氨基磺酸盐系列和聚羧酸系列四大类，在我国应用较多的是前两类，尤以萘系为主，但是近年来聚羧酸的外加剂由于掺量小、减水率高、碱含量低、环保清洁特点，且兼具有塑性保坍等多重功效而在重点工程中（尤其是高铁等工程）受到了广泛使用。

② 其他组份：多功能高效外加剂中的缓凝组份以保证实际的施工时间；引气组份以改善混合料的流变性和抗冻性；减缩组份以改善混凝土硬化过程中的体积稳定性；增稠组份以提高混凝土拌合物合抗离析的能力等。多组份的复合和多功能的叠加，为 SCC 配置提供技术基础。

2 自密实混凝土在国内外的发展及应用现状

2.1 自密实混凝土在国外的研究及工程应用现状

2.1.1 自密实混凝土在国外的研究

日本作为最早提出并研制 SCC 的国家，在 70 年代便开始了 SCC 的研究，最早由 Kochi 大学 Okamura教授在 1986 研制成功并开始在日本推广。Ozawa 教授1992年 5 月在伊斯坦布尔举行的“CANMET & ACT”国际会议上关于日本 SCC 研究及应用的介绍引起了国际社会的广泛关注。

1998 年 8 月在日本 Kochi 大学专门召开了 SCC 首次国际会议。这之后该领域的研究在世界范围内受到广泛关注。除了日本外，1998 在台湾； 1999 在冰岛和瑞典；2000 年在瑞士、英国和香港；2001 年在阿联酋、台湾和俄罗斯；2002 年在瑞士；2003 年在韩国、冰岛、墨西哥、德国和瑞典；2004 年在台湾、荷兰和墨西哥；2005 年在中国长沙及美国均召开关于 SCC 的专题研讨会和国际会议。经过近年的研究与应用实践，在SCC 的配制理论、评估方法及实际工程应用方面均取得了较好的成果。

2.1.2 自密实混凝土在国外工程领域的应用现状

到 2004 年为止，日本自密实混凝土总应用量已超过 250 万 m3，并有逐年增加之势。目前，日本正在致力于将自密实混凝土从特种混凝土发展成普通混凝土。典型的工程应用实例是跨度为 1990m 的明石海峡大桥（悬索桥），该桥的两个锚碇分别使用了 24 万 m3和15 万 m3强度为 25MPa 的自密实混凝土。由于采用了自密实混凝土，使得锚碇的施工工期由 2.5 年缩短为 2年，缩短工期 20%。近年来，由于日本应用自密实混凝土的不断成功，使西方国家也开始关注和应用该项技术。其中，美国西雅图六层的双联广场钢管混凝土柱 28d 抗压强度 115MPa，是迄今为止自密实混凝土应用中强度最高的实例。由于采用了超高强度自密实混凝土，从底层逐层泵送，无振捣，降低了结构成本的30%。荷兰也是目前应用该技术较为普及的国家之一，大约有 75% 的预制混凝土结构采用自密实混凝土。不仅保证了特殊结构施工的需求，也使混凝土制品的性能与外观质量得到了改善和提高。

2.2 自密实混凝土在国内的研究及工程应用现状

2.2.1 自密实混凝土在国内研究及发展

我国对自密实混凝土的研究及应用相对较晚，但是最近几年随着城市化进程加快，大型复杂的基础建设及市政工程，对于建筑施工技术和混凝土施工性能的要求也越来越高。

自密实混凝土在我国发展应用速度也逐步加快，应用领域也进一步拓展，为适应工程建设需要，中国工程建设标准化协会在搜集了国内外有关的标准资料及翻译了国外的有关资料的基础上，结合国内的实际情况编制了 CECS203:2006《自密实混凝土应用技术规程》，推荐给工程建设、施工和使用单位采用。在我国建筑工程中 SCC 主要应用于浇注量大、钢筋密集、以及有特殊形状的部位，应用领域也从房屋建筑扩大到水利、桥梁、隧道等大型工程。

2.2.2 自密实混凝土在国内工程领域的应用现状

从 1995 年开始，SCC 浇筑量已超过 4 万 m3。主要用于解决地下暗挖、密筋、形状复杂等无法人工振捣浇筑或浇筑困难的部位，同时也解决了施工扰民等问题，缩短了建设工期，延长了构筑物的使用寿命。其中具有代表性的工程实例有：北京首都机场新航站楼的简体墙、西单北大街东侧商业区改造的工程、大亚湾核电站的核废料容器建设工程、厦门集美历史风貌建筑的保护工程、长江三峡等多个水电站的导流洞、润扬的长江大桥的建设工程以及福建万松关的隧道工程等，均取得了较好的技术、经济和社会效益。主要工程实例介绍：

（1）在民用建筑领域的应用

当代民用建筑正在向着超高层、构形复杂、密集配筋等方向发展，此外，文明施工要求尽量降低噪音，避免振动扰民等问题，这些传统混凝土施工无法满足的问题，都可以通过 SCC 的应用来有效解决。主要代表性工程案例：沈阳远吉大厦工程。沈阳远吉大厦工程为地下 2 层，地上 27 层，局部 28 层，高 96m，地下 2 层至地上 5 层为钢管混凝土叠合柱，钢管内芯浇筑 C100、C80混凝土，钢管外围为 C40 混凝土。C100 高性能混凝土要求免振、超大流动、自密实、低收缩、低徐变、高弹模。在配制自密实混凝土时，采用 42. 5 级 P·II 水泥，掺合料“双掺”技术路线和特种泵送外加剂，同时选用粒形及细度模数较好的石灰石及普通河砂作骨料，配制出 C100 混凝土，C100 混凝土初始坍落度达到 250～260mm，扩展度达 600～650mm，经 4h 静停后，其保塑性仍非常优异，坍落度保留值和扩展度与初始变化不大，混凝土拌合物的倒置坍落度筒排空时间也充分说明该混凝土的流动性好，工作性好，不泌水、不离析、不浮浆，也没有抓底现象，其凝结时间为8～10h，混凝土达终凝后即产生强度，早期强度上升明显，7、28 天强度发展也很快。

（2）在水利工程领域的应用

随着我国水利水电等大型基础设施的蓬勃发展，对混凝土材料的技术要求也日益提高，SCC 因其良好的技术性能满足了复杂的施工技术的要求。主要代表性工程应用案例：四川杂谷脑河红叶二级水电站压力管道回填四川杂谷脑河红叶二级水电站的压力管道回填部位，混凝土浇筑振岛困难、施工难度大，采用传统的施工振捣方式很难保证混凝土的浇筑质量，后采用 JM-SCC（膨胀型）外加剂配制的 SCC 具有普通混凝土无法比拟的高流动性，从混凝土材料的性能彻底解决这项工程施工的难题。整个工程自密实混凝土浇筑长度 327m，其中水平 135m，斜管段 200m，垂直高度 119m，混凝土浇筑厚度 60cm，采用溜筒一次浇筑完成。从工程应用结果表明：经过 119m 的垂直浇筑高度后仍然能够保持混凝土各相、各组分之间的比率，不离析、不泌水，而且由于配制时采用的外加剂具有适度微膨胀作用，有效补偿了混凝土的收缩，增强了回填混凝土与压力钢管之间的界面粘结，该项工程采用 SCC 后不仅大大缩短了施工时间，而且减轻了工人的施工强度，实现了文明施工也确保了工程质量。

（3）在桥梁和隧道工程领域的应用

在公路和桥梁的建设中, 有的部位的混凝土浇筑振捣难以进行，SCC 的应用完全可以从材料的角度解决混凝土施工的难题，这一类型的结构比较突出的有隧道衬砌部位及近年来比较流行的系杆拱桥。主要代表性工程应用案例：福建万松关隧道衬砌。

万松关隧道地处福建省漳州市万松关口之下，二次补砌混凝土设计总数量为 25000m3，设计衬砌断面为圆拱形，衬砌厚度为 35～50cm，浇筑最大高度为 85m，混凝土中配筋密集，施工时工作面小、振捣困难。

由于混凝土在钢管中很难振动，针对以上特点，隧道二次衬砌采用自密实混凝土。施工时，该混凝土在拱桥底部的两端同时泵送至桥的上部，这需要大约 4～5h的连续浇筑，因此该 SCC 的主要难度是应具有较高的保坍能力。

3 自密实混凝土在我国发展的必要性

3.1 工程建筑及施工技术发展的需要

随着我国建筑产业的发展，无论是在工业民用建筑领域还是市政道路交通工程，以及水利、铁路等大型基建项目建设的快速发展，对于工程设计及施工技术要求越来越高，许多工程建设依靠传统的施工方式已不能满足工程建设的需要，尤其像结构物梁板柱交接钢筋密集部位、隧道衬砌、桥梁钢管混凝土施工等工程建设施工工程中依靠人工振捣已不能满足实际需要，必须从材料上进行技术革新，以满足工程实际的需要，SCC 良好的技术性能完全能彻底解决上述施工过程的难题，提高工程施工效率。

3.2 适应社会经济发展的需要

目前我国建筑产业还处于劳动密集型产业，在建筑施工过程中，需要大量从事体力劳动的熟练工人，包括现场施工振捣的混凝土浇筑人员，最近几年劳动力紧张局面已经凸显，随着社会经济的发展，国内从事现场施工的熟练工人日益减少，劳动力成本会逐步提高，不能满足建筑业产业化的发展，因此从施工技术及材料技术上的革新，来适应社会经济发展，满足建筑产业化发展是必然的趋势。SCC 的应用不仅可以缓解熟练工人日益短缺的危机， 而且消除了现场施工振捣噪音，减弱了工人的劳动强度，提高了文明施工和现代化施工管理水平。同时由于自密实混凝土良好的流动性，大大减少了对于混凝土输送泵等设备的磨损，提高了设备的使用效率，加快了施工进度。

3.3 满足混凝土质量及建筑物耐久性需要

普通混凝土传统施工中，工人在现场振捣浇筑混凝土的过程中，往往为了提高混凝土的流动性而人为加水现象较为普遍，无形增大混凝土的水胶比；以及梁板柱等钢筋密集处或者较高的柱子等振捣不密实，导致混凝土结构物不致密，混凝土上下分层不匀质的现象产生，严重影响混凝土结构的强度及耐久性。

由于 SCC 良好的技术特性，毋须振捣即能密实成型，能够在自重作用下自动穿越钢筋密集处并且仍保持混凝土拌合物的均匀性，避免了混凝土在施工振捣过程的加水、振捣不实或过度振捣的现象，使传统混凝土的施工技术产生质的飞跃，适应了当代混凝土工程超大规模化、复杂化的要求，满足工程设计的需要；同时由于SCC 采用了高性能外加剂和大掺量矿物外掺料，使得低水胶比、低水泥用量的混凝土配制成为可能，从而在提高了硬化混凝土的力学性能基础上提升了混凝土结构物耐久性。

李海卿（1988—），本科毕业，高级工程师，主要从事混凝土搅拌站技术负责及混凝土技术研发、生产、管理等工作。

［通讯地址］福建省福州市马尾区琅岐镇南兜村中交二航局闽江对台码头项目部（350015）