粘性材料對自密實(shí)混凝土性能的影響

李睿峰 程 威 李固華 馬 超 祝 福

（西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都611756）

1 概述

自密實(shí)混凝土（Self-Compacting Concrete，簡稱SCC）是指具有高流動性、均勻性和穩(wěn)定性，澆筑時無需外力振搗，能夠在自重作用下流動并充滿模板空間的混凝土。自密實(shí)混凝土這一概念最早由日本學(xué)者Okamura教授于1986年提出[1]，隨后研究與應(yīng)用迅速展開，很快成為一種實(shí)用的、施工性能十分優(yōu)良的混凝土[2]。

自密實(shí)混凝土能充分填充空隙，澆筑后拌和物均勻密實(shí)，硬化后混凝土結(jié)構(gòu)致密，具有較高的力學(xué)性能和耐久性能[3]。相比于普通混凝土，自密實(shí)混凝土不需要額外的人工或機(jī)械振搗就能保證混凝土良好的密實(shí)性，從而很大程度上地縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率，并且大大地降低了工人的工作強(qiáng)度，節(jié)約了人力物力; 由于無需人工和機(jī)械振搗，可以保證鋼筋、埋件及預(yù)留孔道位置不因振搗而移位，有利于保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量;此外，自密實(shí)混凝土利用了大量的工業(yè)廢料作為摻合料，降低了混凝土的原料成本，滿足目前的環(huán)保要求。

本文所研究的C40自密實(shí)混凝土主要用于高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道，其對混凝土要求非?？量蹋煌诔Ｒ?guī)自密實(shí)混凝土，對于混凝土的流動性能非常高，同時要求抗離析、抗泌水性能很高。一般自密實(shí)混凝土主要是以大量的粉體材料代替了常規(guī)混凝土中的相當(dāng)部分的粗骨料，并且通過了高效減水劑的塑化和分散作用，保證流動性和粘聚性，有效地包裹運(yùn)輸骨料，達(dá)到自密實(shí)的效果[4]，但過多的粉體材料將增加混凝土收縮性能。本文研究通過向自密實(shí)混凝土中添加各種粘性粉體材料，并調(diào)整摻入量，來分析其對自密實(shí)混凝土拌合物性能、硬化收縮性能和強(qiáng)度的影響。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

水泥：P.O42.5；比表面積為370m2/kg，28d抗壓強(qiáng)度為48MPa，28d抗折強(qiáng)度為8.5MPa；

粗骨料：碎石直徑分別為5～10mm和10～16mm，二者比率為7:3；

細(xì)骨料：采用機(jī)制砂與河砂比為7:3，細(xì)度模數(shù)Mx=2.6；

減水劑：柯帥減水劑，減水率為30%；

膨脹劑：UAE膨脹劑；

粉煤灰：II級粉煤灰；

采用的粘性材料的性能參數(shù)如下：

1）石粉:石灰石石粉，細(xì)度為100目。

2）硅灰：比表面積為20m2/g，SiO2含量為96.75%。

3）偏高嶺土：比表面積為1250m2/kg，主要成分及含量如表1。

表1 偏高嶺土主要成分及含量

2.2 實(shí)驗(yàn)配合比

本文是在大量的前期試驗(yàn)基礎(chǔ)上得到的基準(zhǔn)配合比，采用的水膠比為0.36。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

自密實(shí)混凝土拌合物的自密實(shí)性能包括流動性、間隙通過性和抗離析性等三方面內(nèi)容[5]。

測試混凝土拌合物自密實(shí)性能的方法有：坍落擴(kuò)展度、T50、V形漏斗、L形儀、J環(huán)以及篩析法等。自密實(shí)混凝土需要借助這些方法進(jìn)行配合比設(shè)計和現(xiàn)場質(zhì)量檢驗(yàn)，并且一般需要同時采用兩種以上實(shí)驗(yàn)方法來評價流動性、穩(wěn)定性和通過鋼筋間隙通過能力[2]。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 283-2012），并參照鐵路客運(yùn)專線CRTSⅢ型板式無砟軌道相關(guān)的技術(shù)要求，采用坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)、L形儀試驗(yàn)和J環(huán)試驗(yàn)。其中，坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)用來檢測自密實(shí)混凝土的擴(kuò)展時間T50和坍落擴(kuò)展度；L形儀試驗(yàn)用于測量自密實(shí)混凝土的流勻時間T700和H2/H1;J環(huán)試驗(yàn)用于檢測自密實(shí)混凝土的BJ值。

現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)完成后，將自密實(shí)混凝土拌合物裝入模具。一段時間后，再測定自密實(shí)混凝土的收縮和強(qiáng)度，以此來確定粘性材料對自密實(shí)混凝土的綜合影響程度。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.4 .1 工作性能情況

1）坍落擴(kuò)展度測定

坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)主要用于檢測自密實(shí)混凝土拌合物的流動性和抗離析性。

圖1 擴(kuò)展時間

圖2 坍落擴(kuò)展度

由圖1、圖2可以得出以下結(jié)論

（1）在第一組實(shí)驗(yàn)中,固定石粉摻量為35kg/m3不變，隨著硅灰摻量增加，擴(kuò)展時間逐漸下降，擴(kuò)展度增大。一般來說,硅灰的需水量較大,摻入硅灰會增加混凝土用水量。其實(shí),在適當(dāng)?shù)臈l件下,硅灰也可以表現(xiàn)出減水作用[6]。

（2）在第二組實(shí)驗(yàn)中，固定石粉摻量為35kg/m3不變，隨著偏高嶺土摻量增加，對擴(kuò)展度影響不大，當(dāng)摻量為45～55kg/m3時，擴(kuò)展時間達(dá)到最佳。

（3）在第三組實(shí)驗(yàn)中，固定硅灰摻量為24.2kg/m3不變，隨著石粉摻量增加，擴(kuò)展時間基本保持不變，當(dāng)摻量為30～40kg/m3時，擴(kuò)展度達(dá)到最大。

2）L形儀測定

L形儀試驗(yàn)主要用于檢測自密實(shí)混凝土拌合物的流動性和間隙通過性。

圖3 流勻時間

圖4 H2/H1值

由圖3、4可以得出以下結(jié)論

（1）在第一組實(shí)驗(yàn)中,固定石粉摻量為35kg/m3不變，隨著硅灰摻量增加，流動時間逐漸減小，當(dāng)摻量大于30kg/m3時，滿足T700L<18s的要求，但對H2/H1影響不大，H2/H1均大于0.9，說明硅灰能夠提高混凝土的流動性。

（2）在第二組實(shí)驗(yàn)中，固定石粉摻量為35kg/m3不變，隨著偏高嶺土摻量增加，流動時間均較長，當(dāng)摻量為45～55kg/m3時，流動時間最小，但仍大于18s，而對H2/H1影響不大，均大于0.9，說明適量的偏高嶺土同硅灰一樣可以提高混凝土的流動性。

（3）在第三組實(shí)驗(yàn)中，固定硅灰摻量為24.2kg/m3不變，隨著石粉摻量增加，自密實(shí)混凝土拌合物的流動時間隨之降低趨勢，且能滿足T700L<18s的要求，H2/H1也逐漸增大，因此，適當(dāng)摻入一定量的石粉能夠提高自密實(shí)混凝土的流動性和間隙通過性；當(dāng)石粉摻量大于35kg/m3,H2/H1>0.9，自密實(shí)混凝土拌合物的綜合性能達(dá)到最佳。

3）J環(huán)試驗(yàn)測定

J環(huán)試驗(yàn)主要用于檢測自密實(shí)混凝土拌合物的抗離析性和間隙通過性。

由圖5可以看出：

（1）硅灰和偏高嶺土的摻量大小對BJ值均不敏感，隨著摻量的增加，BJ值基本保持不變。

（2）石粉摻量的大小對BJ值影響很大，隨著石粉摻入量的增加BJ值先減小后增大，當(dāng)摻量為30～40kg/m3時，BJ<15mm，即自密實(shí)混凝土拌合物的性能達(dá)到相對最佳。

2.4 .2 力學(xué)性能情況

圖5 BJ值

圖6 硅灰單軸抗壓強(qiáng)度

圖7 偏高嶺土單軸抗壓強(qiáng)度

圖8 石粉單軸抗壓強(qiáng)度

由圖6、圖7、圖8可以得出,在用水量一樣的情況下：

（1）偏高嶺土和石粉均能夠提高自密實(shí)混凝土的早期強(qiáng)度，硅灰在適量的情況下也能夠提高混凝土的早期強(qiáng)度。其中，以偏高嶺土的效果最為顯著。

（2）硅灰和偏高嶺土在摻量適度的前提下均能夠提高自密實(shí)混凝土的后期強(qiáng)度，而石粉對自密實(shí)混凝土的后期強(qiáng)度基本影響不大。基于此石粉可用于中低強(qiáng)度等級的自密實(shí)混凝土設(shè)計[7]。

2.4 .3 收縮情況

主要測量了100mmx100mmx400mm的試塊的收縮率，III型軌道板自密實(shí)混凝土收縮率應(yīng)低于400x10-6。各組的收縮率如表2。其中1～4組為不同的硅灰摻量所對應(yīng)的收縮率情況；4～5組不同的偏高嶺土摻量所對應(yīng)的收縮率情況；8～11組為不同的石粉摻量所對應(yīng)的收縮率情況。

從表3中可知，增加硅灰摻量對自密實(shí)混凝土的早期收縮的影響不是很大，能夠較小地降低后期收縮；偏高嶺土對自密實(shí)混凝土的早期收縮的影響也不是很大，當(dāng)偏高嶺土摻量為40～50kg/m3時，能夠明顯降低后期收縮，但是當(dāng)偏高嶺土摻量大于50kg/m3會導(dǎo)致后期收縮增加。增加石粉含量能夠增大混凝土的后期收縮，但是對前期影響不是很大。

3 結(jié)論

1）適量的硅灰能夠提高自密實(shí)混凝土拌合物的流動性和抗離析性，使混凝土在澆筑的時候不易出現(xiàn)分層、離析的現(xiàn)象；添加適量的偏高嶺土能夠提高自密實(shí)混凝土的流動性；添加適量的石粉能夠提高自密實(shí)混凝土的間隙通過性能，避免其在澆筑鋼筋混凝土試件的時候出現(xiàn)堵塞的現(xiàn)象。

2）適量的硅灰和偏高嶺土均能夠提高自密實(shí)混凝土的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度，而石粉只能提高自密實(shí)混凝土的早期強(qiáng)度，對后期強(qiáng)度影響不大。

3）硅灰、偏高嶺土和石粉對自密實(shí)混凝土的早期收縮影響都不大，但三者均能降低混凝土的后期收縮，尤其是當(dāng)偏高嶺土摻量為40～50kg/m3時能明顯降低后期收縮，但當(dāng)其摻量超過50kg/m3時，會導(dǎo)致后期收縮增加。

4）粘性膠凝材料的摻入量應(yīng)在一個合理的范圍內(nèi)。在單方混凝土中，硅灰的摻入量宜為25kg/m3,偏高嶺土的摻入量宜為45～50kg/m3,石粉的摻入量宜為30～40kg/m3。

表2 （1）不同硅灰摻量的混凝土配合比（單位：kg/m3）

表2 （2）不同偏高嶺土摻量的混凝土配合比（單位：kg/m3）

表2 （3）不同石粉摻量的混凝土配合比（單位：kg/m3）

表3 斷面收縮率(×10-6)

[1]OKAMURA Hajime,OUCHI Masahiro.Selfcompacting concrete：development,present use and future [A].In：SKARENDAHL A,PE-TERSSON O eds.Proceedings of 1st International RILEM Symposiumon Self-Compacting Concrete [C].Paris：RILEM Publication SARL,1999.3–14.

[2]趙均.自密實(shí)混凝土的研究和應(yīng)用[J].混凝土,2003,6：9-17.

[3]廉慧珍，張清，張耀凱.國內(nèi)外自密實(shí)高性能混凝土的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].施工技術(shù),1999,28(5)：1-16.

[4]周虎，安雪暉，金峰.低水泥用量自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計試驗(yàn)研究[J].混凝土,2005,1：20-32.

[5] OZAWA K,MAEKAWA K, KUNISHIMA M,et al.Development of high performance concrete based on the durability design of concrete structures[A].The Second East-Asia and Pacific Concrete on Structural Engineering and Construction (EASEC–2)[C],Tokyo,Japan,1989.445–450.

[6]付亞偉,王碩太,崔云長.硅灰對自密實(shí)混凝土性能的影響[J].四川建筑科學(xué)研究,2009,35(1)：191-193.

[7]楊欣，馬雪英，呂興國.石灰石粉在自密實(shí)混凝土中應(yīng)用的研究[J],CHINA CONCRETE,2011,25：66-68.