复掺配合比对自密实高流态混凝土性能影响

潘长春，宗 琦

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

自密实混凝土是一种具有良好的工作性能混凝土，且无须任何振捣措施，仅自重即能充填、密实成型并保持良好的匀质性。与普通混凝土相比，自密实混凝土满足了现代建筑工程对施工效率高和环境污染少的要求，更是推动了混凝土科学技术的发展，引起了国内外学者的关注。

近年来，为了研究自密实混凝土性能的影响因素，不少学者做了大量工作，如文献[5]研究了胶凝材料对自密实混凝土工作性能的影响，发现胶凝材料用量在540～580kg/m时，工作性能表现优良；文献[6]结合哈尔滨地铁3号线二期实体工程项目，在保持胶凝材料用量不变的情况下，高流动性混凝土工作性能随砂率的上升先改善后变差；文献[7]对不同类型大掺量矿物掺合料对自密实混凝土性能的影响进行了研究，当粉煤灰、矿物含量分别为30%、10%时，流动度最大；文献[8]通过试验研究了超细矿物掺合料及抗离析性与自密实混凝土工作稳定性之间关系；文献[9]研究发现自密实混凝土7d抗压强度与粉煤灰掺量基本呈线性关系，且掺量≤45%时, 扩展度随着掺量的增加而减少；文献[10]探究了粗骨料对大流动性自密实混凝土基本力学性能的影响规律，认为适量减少粗骨料用量对抗压强度影响不大；文献[11]研究表明不同再生粗骨料替代率从0增至100%，自密实再生混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度和弹模分别降低了15.5%、12.7%、25.6%和11.5%；文献[12]认为自密实混凝土的高流动性是通过掺入大量细骨料来实现的；文献[13]研究了粗集料含量对新拌自密实混凝土浆体流变阈值的影响，建立了高流动性应力腐蚀开裂的力学模型；文献[14]探究了铸造砂细骨料取代率对自密实再生混凝土性能的影响，发现自密实混凝土抗压强度随细骨料取代率的增大而逐渐降低；文献[15]以钢筋间距、粗骨料尺寸为验证因素，结果是钢筋间距越小、粗骨料尺寸越小，发生阻塞概率越大，间隙通过性越差。在以往的研究中，多数学者以单一掺合料或骨料为研究对象，得到的自密实混凝土工作性能综合表现不佳，忽略了非单一组合材料对自密实混凝土工作性能的影响。

鉴于此，为了获得配合比中组分对自密实高流态混凝土的综合性能影响，本文着重考虑以配合比中胶凝材料(水泥、粉煤灰和矿渣)、砂率(砂子和碎石)和外加剂组分为关键因子，采用变量法，探究其对自密实高流态混凝土性能的影响实验，以期为制备高性能绿色自密实混凝土技术方面提供参考。

1 实验概况

(1)实验原料

水泥：普通硅酸盐水泥(P·O42.5)，其比表面积 331m/kg，密度3.1g/cm，初凝、终凝时间分别为112min和168min。粉煤灰：II级标准，细度(45μm方孔筛)18%，需水量比 90%；矿渣：S95粒化高炉矿渣微粉，比表面积445m/kg，流动度比97%，密度3.1g/cm；外加剂：PC聚羧酸系减水剂，具有大减水、高保坍、高增强等功能；粗骨料：粒径5～12mm碎石，连续级配，含泥量0.3%，泥块含量0.1%，针片状颗粒1.9%。细骨料：人工筛析细度模数为2.8的Ⅱ区中砂；水：无污染自来水，静置1d后使用。

(2)实验方法

①工作性能实验：自密实混凝土工作性能主要包括流动性、间隙通过性和抗离析性。流动性包含扩展流动度流动时间

t

、扩展面直径平均值

r

；间隙通过性包含混凝土扩展度与J环扩展度的差值指标

k

和自密实混凝土U型仪A、B两腔混凝土的高差

h

；抗离析性主要通过筛析法获取混凝土拌合物离析率

x

；测试方法参照CECS203-2006。②力学性能实验：将自密实混凝土新拌合物装进混凝土标准试模(尺寸150mm×150mm×150mm)中，抹平振捣密实，在标准条件(温度20℃±2℃，相对湿度≥95%)下先放入养护箱进行养护成型，脱模之后按龄期3d、7d和28d养护，选择典型抗压强度作为主要力学性能指标，测试方法参照GB/T50107-2010。

(3)基准配合比

实验基准配合比是经过实验调配得出满足自密实混凝土性能要求的，基准配合比所含材料：水泥309kg/m，粉煤灰94kg/m，矿渣104kg/m，砂子806kg/m，碎石862kg/m，外加剂6.3kg/m，水164kg/m，胶凝材料507kg/m，水灰比0.32。

(4)主要实验设备

扩展度仪(ZMS-T型，沧州华瑞仪器设备有限公司)用来检验自密实混凝土在没有阻碍的情况下水平自由流动度；U型仪(ZMS-U型，沧州华瑞仪器设备有限公司)用于测试混凝土拌合物的间隙通过性；压力机(RMT-150型，中科院武汉分院岩土研究所)主要是测试混凝土单轴抗压强度值。

2 实验结果及分析

(1)胶凝材料组分实验

在保证水胶比0.32和其余组分比例不变情况下，以胶凝材料组分为470kg/m、500kg/m、530kg/m、560kg/m作变量因子，探究胶凝材料组分不同对自密实高流态混凝土性能的影响规律。不同胶凝材料组分下自密实高流态混凝土工作性能和抗压强度分别如表1和图2所示。

表1 不同胶凝材料组分下工作性能参数

图1 胶凝材料组分对抗压强度的影响

由表1可知，随着胶凝材料组分用量在500～560kg/m变化时，对自密实混凝土坍落扩展度影响不够明显，主要集中在640～690mm区间，获得混凝土浆体流动性也比较好；当胶凝材料在500～530kg/m时，平均流动时间为5.7s，此时拌合物流动性能呈现较好状态；但胶凝材料用量低于500kg/m时，流动时间就比较长，这是因为拌合物黏度性较大导致的；从表1可以看出胶凝材料组分为530～560kg/m时，对扩展度差值和U型仪高差影响程度较小，表明有较好间隙通过性能，有利于穿过较密集的钢筋网，方便施工；当胶凝材料组分处于470～530kg/m时，离析率为4.4%～6.9%，抗离析性表现较强，没有发生离析现象；随胶凝材料用量继续增大，当胶凝材料组分高于530kg/m时，离析率呈陡增态势，主要是因混凝土的稠度和粘度增加了，流动度下降，混凝土有发生离析的趋势，则发生堵塞的可能性也非常大。

由图1可以得出，随着胶凝材料用量增加，高流态自密实混凝土抗压强度呈增加趋势，但超过一定的量时，抗压强度有所下降；由于胶凝材料过多，导致集料比例下降，同时过多的浆体因松动效应使集料难以堆积，新拌合物流动平衡体系失衡，出现离析泌水现象，继而影响混凝土的强度。因此，适当的胶凝材料组分可很好地包裹骨料，使混凝土具有较好的综合性能。

(2)砂率组分实验

在保证实验基准配合比的组分比例不变情况下，以砂率组分为46%、48%、50%、52%作变量因子，探究砂率组分不同对自密实高流态混凝土性能的影响规律。不同砂率组分下自密实高流态混凝土工作性能和抗压强度分别如表2和图2所示。

表2 不同砂率组分下工作性能参数

图2 砂率组分对抗压强度的影响

由表2可知，随着砂率组分比例的提高，坍落扩展度开始增大，流动时间变短，混凝土拌合物流动性增大；当砂率组分比例继续上升，扩展度影响不明显。这是因为增大高流态自密实混凝土骨料总表面积和孔隙率，会导致包裹骨料的水泥浆量变薄，降低拌合物流动性；因此，砂率组分过大，在一定用水量下，粉浆变得粘稠，反而增大流动性的损失；砂率组分过小，砂浆层难以降低骨料间的摩擦阻力，容易降低拌合物流动性。实验中发现砂率组分比例过大过小都会影响拌合物的粘聚性，过大时粘聚性改善明显，没有发生抓底和中央堆积现象；过小时粘聚性变差，且易出现巴底、离析现象。从表2可以看出砂率组分比例在48%～50%时， 扩展度差值和U型仪高差受影响较小，甚至可以忽略，由于此种情况下高流态自密实混凝土拌合物的流动度和黏聚性最好，所以间隙通过性得到了明显改善。而随着砂率组分比例的增大，离析率呈现出反向关系，这是由于增大了水泥浆体积及数量，抗离析性效果不好。

图2横坐标共三个梯度分别为：46%～48%、48%～50%、50%～52%；对应梯度3d抗压强度变化值为+16.9%、-13.5%、-3.0%；7d抗压强度变化值为+4.6%、-0.2%、-1.5%；28d抗压强度变化值为+3.2%、-3.6%、-2.7%；表明砂率组分比例对自密实高流动混凝土早期3d的抗压强度有较大影响，中后期7d和28d抗压强度影响较小。总体上随着组分的增大，抗压强度都有所降低趋势，这是因为砂率提高，拌合物流动性降低，削弱了拌合物成型后整体性，影响了抗压强度增强效果。 因此，选择合适砂率组分比例应从自密实高流态混凝土流动性、黏聚性和强度综合考虑。

(3)外加剂组分实验

在保证实验基准配合比的组分比例不变情况下，以外加剂组分为0.8%、1.0%、1.2%、1.4%作变量因子，探究外加剂组分不同对自密实高流态混凝土性能的影响规律。不同外加剂组分下自密实高流态混凝土工作性能和抗压强度分别如表3和图3所示。

表3 不同外加剂组分下工作性能参数

图3 外加剂组分对抗压强度的影响

由表3可知，随着外加剂组分比例的增大，流动性增加而抗离析性有所降低，这是因为高效减水剂主要起到界面活性剂的作用，使得水泥颗粒间相互排斥，增加了滑动能力，降低了颗粒表面张力，黏度也有一定幅度下降，对其黏聚性作用不容忽视；但两者并非线性关系，如减水剂为1.2%时，拌合物流动性最好，抗离析性能效果欠佳，而外加剂为1.0%时抗离析性能效果最好。从表3可以看出外加剂组分比例在1.0%～1.2%时，对间隙通过性能影响幅度基本没变，同时与流动性、抗离析性二者保持较好统一；若保持用水量一定，添加高效减水剂相当于增加了水胶比，对拌合物性能影响较大。进一步表明工作性能参数之间有高度关联性，应统筹予以考虑。

图3可以得出，外加剂组分比例对自密实高流动混凝土的抗压强度后期有较大影响，前期增长幅度没有后期强，但后期随着外加剂组分比例提高，抗压强度先升后降，强度最大增长率约为12%，对7d的抗压强度影响不够明显；因此，通过掺量适当比例高性能聚羧酸减水剂，降低了水胶比和自密实混凝土孔隙率，进一步加强混凝土密实效果，有利于提高自密实高流态混凝土的抗压强度。

3 结论

(1)胶凝材料组分用量为500kg/m时，较好地保证了自密实高流态混凝土的流动性、间隙通过性和抗离析性三者有机统一。

(2)砂率组分用量为48%～52%时，流动时间随砂率提高而增大；砂率为48%～50%时，对扩展度差值、U型仪高差和离析率影响较小。

(3)外加剂组分用量为0.8%～1.2%时，流动时间随外加剂提高而变短；外加剂为1.0%～1.2%时，对扩展度差值、U型仪高差和离析率影响较小。

(4)不同龄期的抗压强度随胶凝材料组分增加而提高，过量时抗压强度会有所降低；砂率组分和外加剂组分用量变化分别对3d和28d的抗压强度影响较大，除此之外，二者对其余龄期抗压强度影响较小。

本文研究了复掺配合比对自密实高流态混凝土性能的影响，但仍有不足之处，主要是原材料区域性数据选择可能存在一定的片面性，今后以此为基础研究，解决如何尽可能全面地定性或定量化评价复掺配合比的影响。