自密实混凝土填充性能及细观结构的优化研究

陈 辉,胡志超,林 艳

(温州宏源水电建设有限公司，浙江 温州 325000)

1 自密实混凝土的填充性能及阻塞机制

1.1 自密实混凝土在堆石体中的填充特点和问题

在目前的堆石混凝土工程中，自密实混凝土的填充对象基本属于尺寸较大的块石，这些块石的形状和大小不统一，所以在堆积过程中会形成空隙。且这些空隙的结构非常复杂，在重力的作用下还会发生剪切形变，这种形变会受到边壁的摩擦，从而产生流动的阻力[1]。因此，在自密实混凝土进行堆积的过程中必须要保证充足的稳定性和流动性，否则在自密实混凝土在填充过程中，可能会出现局部阻塞、填充不密实及骨料分布不均匀等情况。表1为自密实混凝土在堆石体的填充过程中需要满足的各项条件。

表1 堆石体的自密实混凝土的填充性能要求、检测方法以及可能的后果

从表1中可知，在实施堆石混凝土工程中，其对自密实混凝土的填充性能要求非常高，除了要求自密实混凝土需要具有传统的高流动性、稳定性以及通过性之外，还需要其具有流动保持能力和充隙能力。目前国内外对这方面的检测方法主要为坍落扩展度、V漏斗以及T50等基本的检测手段。对自密实混凝土的充隙能力和流动保持能力的检测方法目前还不完善，另外扩展度虽然可以测试自密实混凝土的流变特性但不能预测出其在堆石工程中填充的范围及流动速率，对其填充特性的检测程度还不够[2-3]。

1.2 自密实混凝土的通过性和阻塞机理试验

为探究自密实混凝土的屈服应力和填充特性，本次研究对其组成材料——砂浆和石子进行了试验设计。考虑到自密实混凝土的填充性能主要是受到流体阻塞和颗粒阻塞这两大因素的影响，所以根据Roussel的混凝土试验提出的颗粒阻塞概率模型对自密实混凝土进行通过性试验，以此研究自密实混凝土的通过性和阻塞机理，并对实验得出的数据进行全面分析讨论。

1.2.1 试验设计

根据Roussel提出的阻塞模型对混凝土的通过性和阻塞现象进行验证和拓展，为研究不同参数对自密实混凝土通过性的影响，主要选取自密实混凝土的石子尺寸、石子形状以及浇注速度等作为研究对象，试验的配合比和参数信息见表2和表3。

表2 自密实混凝土配合比及工作性

表3 改变试验参数

1.2.2 试验过程

按照设计好的各种原材料配合比将所有原材料依次加入混凝土搅拌机内进行搅拌，搅拌时间为3 min。将搅拌好的自密实混凝土平均分为两个部分分别进行V漏斗试验、坍落扩展度试验以及通过性试验。进行通过性试验之前需要做好相关准备工作，首先用湿润的毛巾将斜坡浸润，然后将自密实混凝土倒在斜坡上，记录自密实混凝土倾倒的时间以及倾倒的重量，以此计算出其浇注的速率。测量完毕后在斜坡的出口处采用称量桶将通过钢筋的自密实混凝土接住，观察混凝土的通过情况，直到其无法通过钢筋，等待120 s后方可结束试验，将钢筋中残留的混凝土一并放入称量桶进行称量。最后记录所称量的自密实混凝土的重量，将其中的浆体和砂冲洗掉只留下石子[4]。将所有石子放入烘干箱中进行烘干，烘干完毕后对不同粒径的石子进行分别称量，记录其质量。

1.2.3 试验结果与讨论

由通过性试验，得到的结果如表4所示。

表4 改变钢筋间距——通过性试验结果

当钢筋间距发生改变后自密实混凝土的通过率也随之改变，且两者之间呈正相关。通过表4还可以发现，当钢筋的间距<30 mm之后，自密实混凝土的通过率已经低于30%，此时自密实混凝土的通过率已经非常低，且出现了严重的阻塞现象，基本无法满足正常的填充需求[5]。同时当钢筋间距不断减小后，SCC中石子的含量也会有所降低，这也反映出自密实混凝土中石子发生阻塞的概率在不断地增加，且钢筋对其的过滤作用非常明显。

2 自密实混凝土细观结构优化与配制2.1 不同级别自密实混凝土的优化和配制

由于受到经济和科技环境等多方面因素的影响，目前我国多数工程在实际施工过程中并没有大力推广自密实混凝土，自密实混凝土的生产成本较低，因此对其性能的优化及后续的应用具有非常重要的意义[6]。

本研究采用不同凝胶材料和粉煤灰对自密实混凝土进行配合比，发现当选用的凝胶材料用量达到448 kg/m3、470 kg/m3、490 kg/m3，且选用的水灰比为0.34、砂率为51%时，可以减少自密实混凝土中较细和较大粒径的骨料含量[7]。各级自密实混凝土配合比见表5。

表5 各级别自密实混凝土配合比 kg·m-3

为探究进行优化配比后自密实混凝土的综合抗渗透性能和填充性能，本文分别对优化配比后的混凝土在室内环境和室外环境下进行应变检测，发现经过优化配比后在室外环境下变化波动较大，主要是受到室外环境的温度和湿度影响，同时在进行试验的过程中受到雨水的侵蚀，产生了一定的拉应变，造成其膨胀力减小，但总体对自密实混凝土造成的损伤并不明显[8]。

测试新拌混凝土工作性能及其28 d的抗压强度，具体测试结果见表6。

表6 混凝土的测试结果

通过验证发现当T50在8 s以内且U型在300 mm 以上，自密实混凝土所有的配合比工作性能均可以符合要求，且28 d的抗压强度等级在C40～C50之间。

2.2 低胶材自密实混凝土的优化和配制

与不同级别自密实混凝土的检验方式一样，为了验证优化配比新拌自密实混凝土的工作性能，本文对其进行了为期28 d的抗压强度检测，结果发现当T50在8 s之内、U型达到300 mm以上、V型处于30 s之内时，新拌自密实混凝土并无离析的现象发生，优化配合比的工作性能均符合相关规定要求[9-10]。另外从设计上来看，胶材用量达到430 kg/m3时，若要其满足工作要求就必须加大减水剂的掺入量，具体结果见表7。

表7 胶材用量为430 kg/m3的混凝土测试结果

通过增加10～16 mm粒径的骨料含量，将胶凝材料的用量调至460 kg/m3，此时新拌的混凝土在室内干燥环境下或在室外环境下其应力应变量都小于没有经过优化配比的混凝土。经过优化后的新拌混凝土降低了胶材的使用含量，且自密实混凝土的大孔也没有增加，所以经过优化配比的混凝土具有较好的孔隙结构。

3 结 语

以上主要对影响自密实混凝土填充性能的因素进行了分析讨论，并根据其特点对混凝土的配比进行了优化，从而实现对自密实混凝土细观结构的优化目的。自密实混凝土和堆石混凝土属于新型的工程施工工艺，目前国内对其的研究较少，且堆石体内结构非常复杂，不仅会受到外界环境干扰，且自身的堆放方式也会随之改变。本次研究具有一定的局限性，很多问题还需要进一步进行试验和研究。