自密实超高性能混凝土研究进展

李道松 黄成锋 丁冬林 钟 诚

Cement and concrete production 水泥与混凝土生产

自密实超高性能混凝土研究进展

李道松 黄成锋 丁冬林 钟 诚

（福建省交通工程造价管理站，福建 福州 350001）

自密实超高性能混凝土（UHP-SCC）是自密实混凝土（SCC）技术与超高性能混凝土（UHPC）技术的基础之上发展起来的，具有较强的工程应用前途。本文首先阐述了自密实超高性能混凝土对原材料的质量要求，其次，分析了自密实超高性能混凝土研究的技术难点及研究进展，并探讨了自密实超高性能混凝土的研究及工程应用。

自密实；超高性能；混凝土

0 前言

超高性能混凝土（UHPC）通常是指强度不小于100MPa的混凝土，由于其具有耐久性强、韧性高、强度高、水胶比低等优异特点而成为了当前国内外混凝土技术的主要研究热点，可符合超大跨径结构、超高层结构等恶劣情况的要求，也被誉为“21世纪混凝土”。随着当前建筑混凝土工程正在朝着高层化、复杂化、大型化的方向发展，且钢筋混凝土体的施工难度日益增大，导致存在着混凝土振捣困难的问题，严重影响了工程项目的质量；与此同时，混凝土振捣也带来较大的噪声污染。有鉴于此，亟待开发无需振捣成型、且施工成本较低的自密实超高性能混凝土（UHP-SCC）。自密实超高性能混凝土（UHP-SCC）是在自密实混凝土（SCC）技术与超高性能混凝土（UHPC）技术的基础之上发展起来的，本文就自密实超高性能混凝土研究进展进行探讨。

1 自密实超高性能混凝土对原材料的质量要求

1.1 对水泥的要求

在配制自密实超高性能混凝土时，最适宜选用的水泥类型是普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥，均需符合当前GB 175《通用硅酸盐水泥》的相关性能要求。从工程实际来看，当前困扰我国水泥原材料的主要难题在于如何妥善解决超塑化剂的相容性与标准稠度用水量，以及外加剂和水泥可否相互适应的问题。通常而言，选用标准稠度用水量低、C3A含量低的水泥较为适宜。

1.2 细骨料与粗骨料的要求

骨料的三个主要性能通常是“最大粒径”、“弹性模量”、“颗粒形状”，它们会对混凝土的强度、耐久性、稳定性造成一定程度的影响。配制自密实超高性能混凝土时，粗骨料的最大粒径务必要小于20 mm，且适宜少选择片状颗粒、针状颗粒含量较高的骨料，但可适当多选择圆形骨料。骨料在混凝土中所占用的体积比重控制在60%~80%较佳。在自密实超高性能混凝土中，骨料强度一般都会大于界面强度与水泥石强度，故不会过多影响到骨料性能。于峰[1]研究发现当粗骨料球体率由0.5240增大到0.5922时，粗骨料堆积空隙率呈先减小后增大的趋势，自密实混凝土的坍落扩展度逐渐增大，T500逐渐减小，间隙通过性能与抗离析性能逐渐提高。

1.3 对外加剂的要求

在外加剂的辅助之下，自密实超高性能混凝土可具备间隙通过性、抗分离稳定性、大流动性、填充性等特性，故对外加剂也会有一定的要求，包括外加剂的黏滞阻力要小、外加剂的减水率要高、外加剂要与水泥具备较佳的适应性。有鉴于此，需要合理优化调整外加剂内各组份所占比例，且还要对外加剂的掺入量进行妥善选择。Zhang[2]发现 PCE比磺化甲醛效率高得多，在相同的w/b比下，当使用相同量的SP时，PCE具有更多的流动。 K. Ostrowski[3]观察到在达到相同的流动性的情况下，SNF SP所需的剂量是PCE SP的两倍，在低水灰比熟料中效果显著。

1.4 对活性矿物掺合料的要求

对于活性矿物掺合料而言，其三种效应分别是形态效应、微集料效应、火山灰效应，若要在自密实超高性能混凝土中有效发挥这些效应，需要让活性矿物掺合料具备3大要求：第一，活性矿物掺和料要有适宜的级配体系；第二，活性矿物掺和料内部的球形颗粒含量要尽量多，以此来降低减水效应；第三，活性矿物掺和料内部的碳含量要少，否则，既会降低外加剂的塑性功效，又会减少混凝土的强度。

2 自密实超高性能混凝土研究的技术难点

2.1 自密实性

自密实超高性能混凝土与大流动性的超高性能混凝土相比，存在着较大的不同之处。在混凝土拌合物出机时，两者的扩展度与坍落度有可能会相同，但是由于所选用的材料类型有所差异，故流变参数也会有所不同，特别是在开展U型仪试验时，二者的上升高度具有很大的差别。相对于UHPC，UHP-SCC的剪切应力、结构黏度明显会更大，可在水泥浆中均匀分布粗细骨料，且使之呈现出均匀流动的状态，即便是通过超高泵送，自密实功能仍然较强。UHP-SCC的自密实性的影响因素有砂率、矿物掺料掺量、水胶比。

有研究者发现骨料类型对混凝土混合料的新拌混凝土的性能有影响，混凝土混合料的流变性能取决于规则颗粒骨料和不规则颗粒骨料含量之间的关系，随着规则颗粒的增多，流动性随之加强。Abdalhmid[4]等研究发现用粉煤灰来替代水泥可以有效地改善新拌自密实混凝土的工作性能。Laidani[5]研究表明，使用煅烧闰土会降低新拌自密实混凝土混的工作性能，但流动时间和偏析测试足以满足自密实混凝土的生产要求。Guneyisi[6]研究二氧化硅添加的影响，自密实混凝土将水泥替代成2％和4％的纳米二氧化硅和最大量的玻璃纤维能达到了提高一定的新拌混凝土的工作性能。

2.2 自收缩开裂

在UHP-SCC初凝后，混凝土内部水分会被水泥水化吸收，进而出现自收缩的现象，而混凝土在毛细管张力、模板约束、钢筋约束等作用下往往会呈现出开裂现象，例如：广州东塔工程C80 混凝土剪力墙使用的就是自密实超高性能混凝土，强度高达140MPa，但在脱模时却出现了120多根裂缝，这些均是混凝土自收缩导致的。若要避免出现自收缩开裂现象，那么就需采用W/B 稍大、C3S含量低、C3A含量低的水泥，推荐采用长龄期强度的混凝土，混凝土的掺和料尽量选择硅粉、天然沸石粉、微珠等物质，并且适当地加入一定量的膨胀剂。当采用以上措施之后，广州东塔工程C80混凝土剪力墙的模拟试验和实际尺寸试验，均没有再出现裂缝。显微组织和热重分析显示天然沸石具有良好的火山灰活性，因此其在25％，50％，75％和100％比例替代硅粉对将内部相对湿度维持在较高范围内具有积极作用，减少了混凝土的自发收缩，可以生产具有适当抗压强度，低自生收缩率和相对较低成本超高性能自密实混凝土。S.Suntharalingam[7]实验研究了波特兰高炉矿渣（BFS）水泥之间自生收缩行为的差异。经过热处理的结晶矿渣矿物质含量与自发收缩率测量结果是一致的，并且与矿渣的水化程度高度相关。通过加热过程的结晶矿渣矿物质含量可以作为评估自发收缩程度的指标。Rui[8]研究了直钢纤维，端钩钢纤维和纤维素纤维的混合纤维由于其协同作用而被用于改善强度发展并减少生态UHPFRCC的自收缩。自收缩率的增加率随纤维素纤维含量的增加而降低，而收缩率值在纤维素的最佳含量下降低了33％。Akcay[9]通过热重分析观察到温度变化和氢氧化钙消耗表明偏高岭土的添加对水泥质材料自收缩行为有不利影响。D.Niknezhad[10]研究发现与硅酸盐水泥自密实混凝土相比，具有胶凝辅助材料的自密实混凝土在早期对干燥收缩更为敏感。但是，从长远来看，它们表现出不同的行为。在约束条件下，带有胶凝辅助材料的SCC对早期裂纹更敏感。但是，它们的裂纹开口至少比参考自密实混凝土的裂纹开口小1.57倍，这在耐久性方面具有重要优势。

2.3 高温爆裂

当UHP-SCC处于高温环境中，其内部水分会在短时间内迅速蒸发，一旦其劈裂抗拉强度小于水蒸气压力，那么就会出现高温爆裂的现象，甚至还有可能会导致结构物倒塌。为了能够有效减少爆裂损伤，可通过耐火材料来对表面进行覆盖，或者掺入适量的有机纤维。

高温爆裂的影响因素如下：含湿量，升温速率，骨料，水灰比与水胶比，初始应力（指施加在试件的初始荷载与承载力的比值），渗透率，硅灰含量，孔压力，试件尺寸。

高温爆裂的抑制手段可分为内掺型、外型及其他型。内掺型是指为了抑制爆裂，在混凝士中掺入外加材料的做法。包括聚乙烯醇纤维、黄麻纤维、钢纤维、橡胶纤维、稻谷壳等，适用于新建建筑的防火保护。外包型是指为了抑制爆裂，在高强混凝土构件外表面涂抹、包裹热惰性材料来降低构件表面温度从而使构件得到隔热保护的做法，适用于新建、既有建筑的防火保护。Witek等利用有限元分析法对高强混凝土建筑构件外涂反射材料、外喷含PPF的混凝土保护层、安装多孔材料保护层3种方法的抗爆裂效果进行了模拟分析，结果表明3种方法均能抑制爆裂。Xiao[11]等采用PPF与金属网的组合掺入混凝土，高温试验结果显示均没有爆裂现象；Kodur等在FRP加周试件的外围包裹防火砂浆与密封材料进行火灾试验，结果发现经过防火保护的FRP加周柱耐火极限不低于一般柱。

Abed[12]在混凝土中掺入废料和再生材料，发现其可以更好地抵抗混凝土结构所面临火灾等特殊情况。通过30％的废粉煤灰和废珍珠岩粉替代水泥块，以及用5％的粗天然骨料替代水泥块，发现使用50％的RCA可以提高混凝土暴露于高温后的残余机械性能，这是由于强大的骨料-砂浆接触区以及它们之间的热膨胀相似性。混凝土的耐火性已通过替换水泥而得到增强。还有学者研究了混凝土性能（渗透性、含水量）对火灾荷载作用下混凝土剥落性能的影响。为此，提出了一种特殊的耐火测试装置，可以改善观察到的温度历史记录的再现。此外，开发的测试设置可以连续监控剥落情况，提供剥落历史和混凝土标本的最终破坏水平。考虑到不同的水灰比和饱和度，获得的结果与所需的初始值有关拉伸强度通过数字评估工具确定。最后，建立了确定的控制剥落参数之间的相关性，并用于评估混凝土混合物的剥落风险。这些相关性与国家和国际标准中给出的要求相反，水分和渗透性的组合可以作为适当的关键和设计参数，定义剥落的风险。Sarwar[13]探索性研究发现只有通过将加热速率大大降低到0.75°C/min以下，才能在300°C或更高温度下成功测试UHP-SCC。否则，采用较高的加热速率会在低至190°C的温度下引起高温爆裂。C. Kahanji[14]发现剥落受到载荷水平的影响；在40％的负载水平下加剧了这种情况，而在60％的负载水平下，剥落明显减少。在相似的负载条件下，含有4％（体积）的钢纤维的梁比含有2％（体积）的纤维的梁剥落的少。这是由于过量钢纤维提供的额外拉伸强度。A.B. Alhasanat[15]在混凝土中添加0.0、0.05、0.10和0.15％体积的聚丙烯纤维制备UHP-SCC，样品暴露在高温下（200℃，400℃和600℃）。通过对基体的微观结构观察，发现添加聚丙烯纤维会使高温对自密实混凝土的微观结构产生粗化作用。聚丙烯纤维减少了0.05％（体积）以上的爆炸剥落，并且显著增加了微结构中的空隙数量。

3 自密实超高性能混凝土的研究及工程应用

3.1 国外研究及工程应用

UHP-SCC的研究是离不开自密实混凝土（SCC）作为基础，日本是国外最早开展SCC研究及应用的国家，早在1986年就已经开始由日本东京大学牵头开展研究。日本将自密实混凝土（SCC）视为特种混凝土，而并非标准混凝土，且使用量逐渐增大。日本明石海峡大桥工程是SCC得以成功应用的代表性工程项目，其两个锚锭均采用了强度为25MPa的UHP-SCC，分别是15万m3和24万m3，有效地将施工周期由原来的2.5年缩短到2年，节约了6个月的施工周期。

欧美发达国家在建筑施工中也开始大量采用UHP-SCC。2017年，加拿大在对Webster停车场进行补强时，不需要捣实作业就将UHP-SCC成功填入到布满剪力筋、纵向筋的加固结构中。美国西雅图市在建设双联广场时，其高度为210米的钢管混凝土柱均采用UHP-SCC，其强度在28d达到了119MPa，在91d达到了145MPa，整体施工成本降低了30%。此外，苏格兰Paisley大学、法国GTM工程公司、英国利兹大学、瑞典NCCAB工程公司等高校与企业也积极参与到自密实超高性能混凝土的研究工作中。

3.2 国内研究及工程应用

SCC在我国的研究时间要更晚一些，北京城建集团于1993年才开始正式研究自密实混凝土（SCC），三年之后获得相应的国家专利。2003年，国家建设部在北京举办“全国自密实、混凝土研讨会”，此次会议的举办在很大程度上推动了自密实混凝土的发展。2006年，国家建设部颁布出台了《自密实混凝土应用技术规程》；2012年，又颁布出台了《JGJ/T 283-2012自密实混凝土应用技术规程》，而后，在清华大学、中建二局等单位共同努力下，研发了具有独立知识产权的自密实超高性能混凝土，广州东塔项目试用了强度 140MPa 的UHP-SCC并泵送至510m的高度。广州国际金融中心（广州西塔）项目也同样采用了强度等级为C100的UHP-SCC，该混凝土由特种外加剂、天然沸石粉等配制而成，并泵送至411m的高度，现场施工结果表明： UHP-SCC具有较佳的可泵性、高粘性、高流动性、高保塑性，而后，超高性能自密实混凝土又先后应用到越秀金三角6号楼工程项目、黔北新浦医院项目等，由此可见，随着当前我国建筑业的迅猛发展，自密实超高性能混凝土的研究及工程应用日益扩大。

4 结论

自密实超高性能混凝土的发展为超高层、超大体积、复杂结构工程的施工提供了可靠的技术支持，在环保经济等方面也有比较大的效益，但由于这种新材料的研究、应用时间还短，理论还不够完善，还多方面亟待理论支持。例如自密实超高性能混凝土由于其水胶比较小，自收缩较大。且对原材料的要求较高，严格控制配制过程中所用原材料的质量才能保证成品的优异。所以自密实超高性能混凝土仍有待进一步研究，从而更好地推进SCC在国内的普及化应用。

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李道松(1972.10- )，男，汉族，福建闽侯人，高级工程师，主要从事全省公路工程建设项目造价管理工作。

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1007-6344（2021）01-0029-02