技术交流:石灰石粉在水泥与混凝土中的研究进展

李悦，郭奇，杨玉红

（北京工业大学建工学院，北京 100022）

[摘要] 自密实混凝土具有许多优点和良好的发展前景，但是目前还没有具有普遍适应性的配合比设计方法，以及标准的工作度评价体系。本文对国内外的自密实混凝土配合比设计方法进行了分析总结，提出了自密实混凝土配合比设计需要遵循的原则、配制技术和相应的质量控制措施。

[关键词] 自密实混凝土，配制方法，工作度

Thepreparation theory of Self-compaction Concrete

Yue Li, Qi Guo, Yuhong Yang

(The college of architecture and civilengineering college, Beijing University of Technology, Beijing, 100022)

Abstract:Compared with common vibrated concrete，Self-compacting concrete has lotsof good properties and good development future. However, there are no suitablemix design methods and testing methods of workability for engineeringapplication up to now. In this paper, we analyzed the exiting mix designmethods, and put forward the criteria of mix design, preparation methods.

Keywords: self-compacting concrete，preparation methods, workability

1 前言

普通混凝土施工由于依靠人工振捣，因此存在诸多不足，主要表现在^[1~3]：(1)劳动强度大，工作环境差，影响施工人员身体健康和周围居民正常生活；(2)在实施混凝土振捣作业时，混凝土工程各部位的振捣时间由施工人员凭经验控制，影响混凝土工程整体施工质量；(3)薄壁结构、钢管混凝土、稠密配筋结构和复杂结构中，作业空间较小，人工振捣难度大；(4)在工程改造中，后加柱、加粗柱等结构施工时，由于受原有结构的影响，难以实现人工振捣。

针对上述普通混凝土的施工工艺不便之处，近年来，国内外提出应用自密实混凝土加以解决，并且已经应用于许多大型工程，如日本的明石大桥等。自密实混凝土(SCC)具有高流动度、抗离析性、均匀性、稳定性和自填充性，浇筑时依靠其自重流动，无需振捣而达到密实 ^[4,5]。自密实混凝土不论在组成还是性能上，均与普通振捣混凝土存在较大差别。所以，必须从自密实混凝土的特点出发，发展一种新的配合比设计方法。但是目前缺乏有效的自密实混凝土配合比设计理论指导，给自密实混凝土的推广应用造成很多困难，因此对这一问题进行探讨，具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

2． 自密实混凝土配合比设计方法综述

目前已有一些学者提出了自密实混凝土的配合比设计方法，具有代表性的是：1）日本东京大学冈村教授提出了简单的自密实高性能混凝土配合比方法^[6,7]：粗骨料的用量固定为固体体积的50%；细骨料的用量固定为砂浆体积的40%；体积水灰比取决于水泥的性质，约为0.9~1.0；超塑化剂的用量和最终的水灰比根据自密实混凝土工作度的要求来决定。该方法适用于大掺量细粉掺合料和水胶比小于0.30的混凝土。2）北方工业大学姜德民等^[8]提出了高性能自密实混凝土的一种设计方法。首先建立了混凝土体积模型，推导出了混凝土单方用水量和砂率的计算公式。然后将这两个公式结合传统的水灰比定则，得出外加剂掺量的计算方法，即可全面地确定混凝土各组成材料用量，实现了自密实混凝土全计算配合比设计。3）中南大学的余志武等^[9]在自密实混凝土的配合比计算中，结合固定砂石体积含量计算法，对全计算法进行了改进，改进后的全计算法可以通过用水量计算公式将浆体体积与传统的水胶比定则联系起来，混凝土配合比的参数可全部按公式定量计算，计算公式和步骤简单，公式的物理意义明确。4）Steven等^[10]提出了较为简单的混凝土配合比设计方法：设普通混凝土的配合比为：水、水泥、细集料、粗集料分别为10%、18%、25%、45%（质量比、含2%空气），在此基础上，固定水和水泥用量，加入8%细粒物质，并将粗细集料比例分别调整为36%和26%。

综上所述，虽然已经提出了许多自密实混凝土的配合比设计方法，但是由于原材料、配制工艺以及工作性评价方法的差异，应用上述方法得到的配合比差异较大，进行试验验证时重复性较差。因此，这些方法还缺乏系统性和普遍适应性，仍然需要进行深入探讨和分析，以便设计出一套更有效的自密实混凝土配合比设计方法。

3．自密实混凝土配合比设计基本要点

自密实混凝土的配合比设计，需要充分考虑自密实混凝土流动性、抗离析性、自填充性、浆体用量和体积稳定性之间的相互关系及其矛盾，形成一套系统的自密实混凝土配合比设计原则。总结自密实混凝土的配合比设计研究成果，提出以下几点自密实混凝土的配合比设计要点。

3.1 满足工作度要求

设计自密实混凝土必须首先考虑工作度，因为优良的工作度是自密实混凝土最主要的特点，这与普通混凝土根本不同。工作度主要包括流动性、稳定性、保水性、粘聚性等，这些性能是自密实混凝土能否依靠自重达到密实填充的基础和保证，所以自密实混凝土配合比设计时，首先要考虑工作性。

3.2 满足强度要求

在充分满足工作性要求后，应该通过调整其它配合比因素来达到强度要求。影响自密实混凝土强度的因素很多，除了水胶比之外，砂率、微细掺合料品种和掺量、外加剂等对自密实混凝土强度的发展都具有较大的影响，而且一般的普通混凝土强度——水胶比经验公式已经不适用于自密实混凝土，这点应该引起注意。

3.3 满足耐久性要求

从已有研究和工程实践来看，自密实混凝土的易收缩开裂的特性是影响其耐久性的重要缺陷。由于自密实混凝土胶结料用量较大、水灰比低、砂率较高，因此导致收缩较大，需要采取相应的控制措施，比如掺加纤维、减缩剂、粉煤灰以及膨胀剂等。另外需要注意的是，混凝土减水剂对早期收缩的影响巨大，因此最好使用与水泥相适应的高效减水剂，以减少减水剂用量及提高工作度，此外还需要加强混凝土的早期养护。

3.4 尽量降低材料成本

自密实混凝土胶凝材料和外加剂用量较大，因此混凝土的材料成本要略高于普通混凝土10~20元/m³，虽然考虑到节约了人工成本、减少了电力和机械设备、加快了施工速度能够整体降低工程造价，但是要使自密实混凝土应用更为普遍，并且为广大搅拌站所接受，就必须在保证其流动性、强度和耐久性要求的前提下，尽量减少水泥和外加剂用量。可以用需水量小的I级粉煤灰代替部分水泥，以降低水泥和高效减水剂的用量，此外其它降低材料成本的方法和技术也正在研究之中。

4．自密实混凝土制备技术

4.1 指导思想

由试验结果可知，，其屈服强度很大。因此，在自密实混凝土的配制过程中，应通过外加剂、胶结材料、粗细骨料的选择，以及有效的配合比设计使自密实混凝土拌合物的屈服剪应力足够小，同时具有一定的塑性粘度，确保不出现离析和泌水等问题，并具有良好的流变性能。

4.2 原材料选择依据

(1)水泥：一般来说，各种水泥都可用于自密实混凝土。但要，水泥的矿物组成影响着与高效减水剂的适应性。一般地C₃A含量低和标准稠度用水量低的水泥更适宜于配制自密实混凝土，可以通过水泥与减水剂相容性试验来确定二者之间是否相互适应，否则可以通过更换水泥或减水剂等措施加以解决。

(2)微细掺合料：微细掺合料具有“活性效应”、“界面效应”、“微填效应”和“减水效应”等诸多综合效应，可以说，各种微细掺合料在现代混凝土中的应用是混凝土技术发展的核心和关键。微细掺合料不仅可以大幅度降低新拌自密实混凝土的内部屈服剪应力，改善流变性能，降低水化热，还可以改善自密实混凝土结构的孔结构和力学性能。

粉煤灰和磨细矿渣是两种主要的微细掺合料。粉煤灰市场价格低，一级灰的价格约为普通水泥的1/3～1/2，当粉煤灰掺量较大时，可以大幅度降低自密实混凝土的单方价格，此外，需水量比小于1的优质粉煤灰还具有减水效应，随着粉煤灰掺量的增加，减水效应越来越明显，因此，配制自密实混凝土应该选择优质粉煤灰，并且注意减水剂和粉煤灰的双重减水偶合作用。磨细矿渣价格高于粉煤灰，而且其活性也远远高于粉煤灰。掺加磨细矿渣不会增加混凝土的需水量，即不会影响新拌混凝土的流动性，但是会增大混凝土的收缩，应该引起足够的重视。

(3)细骨料：选择细骨料的原则是：含泥量低、形状和级配良好、细度模数在中砂范围内。不宜选用细砂和粗砂，因为细砂需要较多的胶结料来包裹，相对减少了富余浆体量，而粗砂保水性差，容易发生泌水现象。

(3)粗骨料：卵石与碎石兼可，卵石有利于流动性，碎石有利于改善强度。由于自密实混凝土常用于钢筋密集及薄壁结构，因此粗骨料的最大粒径不应超过规范规定。应该尽量减少粗骨料中的针片状石子含量，且控制粘土和石粉等杂质含量。

(4)外加剂：自密实混凝土的高流动性、高稳定性、间隙通过能力和填充性都需要借助外加剂来实现，自密实混凝土常用的外加剂种类很多，要综合考虑这些外加剂的复合性能，对外加剂的要求是：与水泥的相容性好、减水率大、缓凝、保塑。宜采用减水率20%以上的高效减水剂，聚羧酸系列高效减水剂最佳，能够提供强大的减水作用，减水率高达40%。同时，为防止混凝土的离析，还需掺入增粘剂，目前用于自密实混凝土的主要有纤维素类聚合物、丙烯酸类聚合物、生物聚合物、乙二醇类聚合物及无机增粘剂等。

4.3 工作性能评价方法与控制标准

为了方便有效地评价自密实混凝土的高流动性、高稳定性和钢筋间隙通过能力，目前发展了一些测量工作度的新试验方法，如倒坍落度筒、L 型仪、U 型箱等。此处介绍几种常用的工作度评价方法^[11-15]。

（1）坍落扩展度试验：传统坍落度试验所测的坍落度主要反映拌合物开始流动所需屈服应力的大小，但不能反映新拌混凝土塑性粘度值的差异。试验表明，当混凝土拌合物的坍落度大于某一临界值时，它就不能正确地反映屈服值大小，而坍落扩展度试验不存在这一临界值。自密实混凝土通常具有较大的坍落度(240 mm～270 mm) ，因此可以用坍落扩展度试验代替坍落度试验做混凝土拌合物初步控制用。一般自密实混凝土坍落扩展度为650 mm～750 mm。

（2）倒坍落度筒试验：如图1所示，根据混凝土从倒置的坍落度筒中流空的时间和落下后的坍落度、扩展度及中边差(中间与边部的高度差)来判断自密实混凝土的工作性。流动时间主要反映拌合物的塑性粘度， 同时也部分反映了屈服值的大小。扩展度则量化了混凝土在自重作用下克服屈服应力、粘度和摩擦后的流动状态：扩散越接近圆形表明混凝土匀质、变形能力良好，直径大则表明间隙通过能力强。中边差反映了石子在砂浆中的悬浮流动能力和抗离析性，其值越小表明这些性能越好。该方法简便实用， 可重复性好。

图1 倒坍落度筒试验示意图 图2 L型仪结构示意图

（3）L型仪流动度试验：如图2所示，L型流动仪法是将混凝土装在L型筒的竖筒内，将插板提起使其向水平槽内绕过钢筋流动。通过测定三个指标来判断混凝土的自密实特性：1）新拌混凝土通过钢筋间隙后在水平槽内流至40 cm处的时间T40 ( s)；2）新拌混凝土在水平槽内流动的最大距离L ( cm)；3）新拌混凝土停止流动后, 侧箱内混凝土降落的高度D ( cm) 。

（4）U型仪：如图3所示，U型仪是将自密实混凝土先装满一侧隔间，上拉隔板，拌合物在自重的作用下通过钢筋栅栏流动进入另一侧隔间中。当混凝土停止流动时，测量装混凝土的两个隔间的混凝土高度差，来反映混凝土拌合物的屈服应力、塑性粘度以及拌合物的填充能力、在有阻挡情况下的抗离析能力和间隙通过能力。相对于L型仪，U型仪的体积较小，造作更为方便。

图3 U型仪结构示意图

5 结论

自密实混凝土被称为“近几十年中混凝土建筑技术最具革命性的进展”。它具有许多优点和广阔的工程应用前景。虽然目前已经对自密实混凝土有了较多的试验研究和理论分析，但仍然缺乏系统研究，也没有提出具有普遍适应性的配合比设计方法。由于自密实混凝土不论在性能上还是组成上，均与振实混凝土存在较大差别。所以，必须从自密实混凝土的特点出发，发展一种新的有效的配合比设计以及工作性能评价方法，使自密实混凝土在实际应用中更容易被掌握。

参考文献

[1] 刘秉京，混凝土技术[M]，人民交通出版社，1998：7-10，16-35

[2] 张国栋，彭刚.现代混凝土理论与设计[M]，武汉理工大学出版社，2002：5-8，15-16

[3] 黄士元，蒋家奋，混近代凝土技术[M]，陕西科学技术出版社，1998：125-133

[4] 冯乃谦，流态混凝土[M]，中国铁道出版社，1988：9-11，36-46

[5] 林政，预拌自密实混凝土工作性控制技术研究[J]，混凝土与水泥制品，2001（1）：32-33

[6]Hajime，Okamura.Self-Compacting High-Performance Concrete[R].Concrete International，1997: 78-92

[7]Japanese Ready-Mixed Concrete Association [M]，Manual of Producing High FluidityConcrete，Japanese Ready-Mixed Concrete Association，Tokyo，1998：82-85

[8] 姜德民，高振林.高性能自密实混凝土的配合比设计[J]，北方工业大学学报，2001，13（3）：38-41

[9] 余志武，潘志宏，谢友均等，浅谈自密实混凝土的配合比设计方法[J], 北方工业大学学报，2001，13（3）：38-41

[10]Steven H. Kosmatka，Beatrix Kerkhoff，William C. Panarese著，钱觉时等译，混凝土设计与控制[M]，重庆大学出版社，2005：359

[11] 丁一宁，王岳华，董香军等，纤维自密实高性能混凝土工作度的试验研究[J]，土木工程学报， 2005，Vol 38（11）：51-57

[12] 王国杰，郑建岚，李轶慧，新拌自密实混凝土工作性测试方法的评价与探讨[J]，福州大学学报（自然科学版），2005，Vol 33：178-181

[13] 邓朝飞，李江华，自密实混凝土的试验研究[J]，四川建筑，2006，Vol 26（2）：123-127

[14] 刘小洁，余志武，自密实混凝土的研究与应用综述[J]，铁道科学与工程学报，2006，Vol 3（2）：6-10

[15] 陈朝阳，周建国，邱清露， 自密实混凝土的制备与性能评价[J]. 国外建材科技. 2005，Vol 26（5）：1-3