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摘要：自密实混凝土技术是解决现代建筑工程超密配筋、复杂异形结构、人力资源短缺等切实问题的有效途径之一。基于常规混凝土原材料，通过化学外加剂减水、保坍、增稠组分的优化设计，在不高于350kg/m3的胶凝材料用量情况下，试验室制备出了工作性能与力学性能满足要求的C30自密实混凝土，为低胶材用量自密实混凝土的制备提供了借鉴意义。
关键词：胶凝材料；配合比设计；稳健性；化学外加剂；自密实混凝土
自密实混凝土技术始现于上世纪 80 年代的日本，并很快在亚洲各地尤其是日本推广开来，与此同时一些指导工程实践的建议和标准也陆续公布。日本土木工程师协会在《自密实混凝土应用指南》中提出自密实混凝土有三种类型：粉末型（P）、粘度剂类型（V）以及混合型（C）。其中粉末型要达到自密实效果主要是通过降低水胶比来获得足够的抗离析性能以及掺加适量的高效减水剂与引气剂来获得必要的流动性，通常伴随较高的“粉末用量”，即胶凝材料用量。粘度剂类型自密实混凝土要获得自密实效果主要是使用粘度改性剂来达到足够的抗离析性能，高效减水剂与引气剂同样被使用以获得必要的流动性。该种类型自密实混凝土通常使用在水下浇筑方面。混合型顾名思义，综合采用了前述两种技术以实现混凝土的自密实性[1]-[3]。
即使具有相同的性能（如新拌混凝土的坍落度、扩展度、T50、V 漏斗通过时间、U型仪填充高度以及硬化混凝土的抗压强度），自密实混凝土的材料组成（或配合比）也会随着工厂与国家地域的差异而不同。Wallevik报道不同国家自密实混凝土配比中的胶凝材料与用水量差异很大。在预制构件行业，自密实混凝土的优越性显而易见，它可以简化生产流程，节约材料成本，提高质量，增加产量，减少修补，降低噪音以及提高安全。而商品混凝土供应商却不会从它的生产过程中直接收益，他们只有销售自密实混凝土的性能给自己的最终客户，这就导致了由商业利益带来的驱动力不足[4]。
一般情况下，当混凝土公司销售自密实混凝土，尤其是强度较低的 SCC 时，他们提供的强度要远高于设计值，从而导致自己的材料成本增加，因为需要通过提高胶凝材料的用量来满足自密实混凝土必须的一系列特殊性能。这些胶凝材料一般是水泥、火山灰材料以及石灰石填料等等，而过多的水泥或其它胶凝材料用量会直接导致生产及运输成本的增加，因此在保证自密实性能的前提下，降低胶凝材料的用量是减少混凝土单方成本的最重要途径。除预制构件外，自密实混凝土还用于对加固及有强度要求的领域。在结构中使用自密实混凝土，必须确保满足设计参数的可靠性及耐久性要求。较高的胶凝材料用量使自密实混凝土产生较大的塑性粘度，因而适合使用在重加固结构中，日本土木工程师协会推荐其应用于钢筋用量在 350 kg/m3以上的情形。低总胶用量的自密实混凝土特征是有较高的屈服值及较低的塑性粘度，因而适于使用在钢筋用量低于100kg/m3且比较轻的加固结构。该类型混凝土适合使用在混凝土强度等级为C25－C30的结构中，而 C25~C30 等级的混凝土大约占了我国商品混凝土市场85%的份额[5]。
在传统自密实混凝土的技术条件下，商品混凝土生产商需使用较多的胶凝材料来配制自密实混凝土。这些胶凝材料通常是搅拌站现有的水泥与火山灰材料。由于材料变化引起的自密实混凝土性能的波动可以通过改变胶凝材料用量与高效减水剂的掺量来调整，而所需额外的胶凝材料用量以及涉及到的物流（额外的筒仓、延长的搅拌时间、严格的原材料质量控制等等）会增加生产成本，最终降低利润。因此在保证自密实性能的前提下，总是要尽量降低总胶用量，从而降低混凝土单方成本[6]。
但是，配制低总胶用量的中低强度等级高流态自密实混凝土技术上也存在种种难题，首先是中低胶凝材料用量下外加剂强分散性与体系良好粘聚性间存在矛盾。大流动度必然要求外加剂对胶凝材料具有强分散性，但这往往会带来体系稳定性下降，使其通过钢筋间隙能力减弱，离析倾向加剧。其次，高流态混凝土的敏感性也会增强。对于常态混凝土而言一定程度的原材料性质波动是可以忍受的，可以通过生产过程控制一定程度上加以调节，但当混凝土流动度变大时，这样的波动就被极大地放大了，原材料品质微小的波动可能都会带来体系性能的极大变化，这非常不利于实际生产中混凝土稳定性的控制。最后，高流态混凝土一般有较高的保塑要求，如果使用的原材料品质较差，容易出现状态后滞的现象，当混凝土从拌合到实际浇筑间隔时间过长时，品质常常无法保证，这也限制了其应用。为探讨上述问题的解决途径，本文从混凝土外加剂的角度进行一些试验研究工作，实验室制备出胶凝材料用量低于350kg/m3的C30自密实混凝土，介绍如下：
1C30低胶材用量自密实混凝土原材料性能
对试验用砼混凝土原材料进行了测试，并基于此试验研究了低胶凝材料用量自密实混凝土的制备。自密实混凝土原材料情况如表1所示。
2种样品砂均符合II区中砂要求，但其中1种（中砂）处于中砂下限水平。
除去常规指标外，还测试了样品砂的亚甲基蓝值（MB值），试验结果表明，2种砂的MB值均符合要求，其中粗砂为0.8，中砂为1.1，均低于界限值1.4，可以判定2种砂中的粉体均以石粉为主，粘土含量相对不高。
采用XRD测试了从砂中分离出的泥粉成分，从特征峰分布来看，2种砂中的粘土种类主要是蒙脱土和伊利土。
既有大量研究指出，由于资源限制，集料品质的劣化是现阶段商砼面临的主要问题之一，其中尤以砂含泥量偏高更为突出。砂中所含泥主要成分若为粘土，如蒙脱土、高岭土、伊利土、膨润土、膨胀蛭石、水云母等，则对混凝土工作性影响尤为巨大。这主要源于两个方面：一是砂中粘土由于表层阳离子水化和渗透水化，将造成其对于混凝土拌合水的大量吸附，使得游离水转变为层间水，相当于降低了用水量；另一是现代高性能聚羧酸减水剂分子多为接肢长链梳型共聚物，聚醚侧链氢键极性较强，易于在层片状粘土间插层吸附，且由于粘土颗粒巨大的内比表面积和强离子交换能力，往往吸附聚羧酸分子的能力远远强于水泥等胶凝材料颗粒（20倍以上）。这两个原因共同构成了粘土劣化混凝土流动性的机制。
1.5粗骨料
粗骨料样品检测结果如表10、表11所示。
样品石子符合5~10mm和10-16mm间断级配要求，针片状含量较低，2种石子物化品质相近。
2C30低胶材用量自密实混凝土试配试验研究
2.1C30低胶材用量自密实混凝土配合比与性能要求
基于原材料试验结果与全计算法自密实混凝土配合比设计方法，试验采用的C30自密实混凝土基准配合比及其性能要求如表12和13所示。该C30混凝土胶凝材料用量只有330 kg/m3，而工作性要求很高，如何解决大流动性下离析倾向加剧与良好粘聚性间矛盾是其中关键技术问题。
2.2C30低胶材自密实混凝土实验室制备
基于对低胶材自密实混凝土性能分析与原材料基本情况，从外加剂角度出发，采取了三个方面的措施来制备和易性优良的高流态混凝土：
1)减水组分兼顾大流动性与稳健性，胶凝材料用量较低时，相对弱化分散性，掺量应具有较宽的可调节范围，同时用以抑制敏感性，削弱材料波动可能带来的影响；
2)与减水匹配的保塑组分，满足性能设计要求下释放时间尽可能缩短，避免流动性反向增长，侧重体系稳健性；
3)高流态混凝土的非吸附型流变改性，如图1所示：①增强拌合物稳健性，较低且平缓的屈服应力与塑性粘度增长；②尽可能高的假塑性（剪切变稀），翻转、搅拌、泵送，重力、压力灌注下，拌合物表观粘度迅速降低，流动性大幅提升，具备更好的施工性；③适宜的触变性，剪切移除，拌合物静切力以适宜速率回复重建，于填充至相应部位后，体系流动屈服刚度迅速提升，维持均匀稳定。
基于上述分析与大量实验室试验研究，从外加剂选型与复配角度，对于低胶材用量自密实混凝土制备，最终选用江苏苏博特新材料股份有限公司聚羧酸高性能减水剂，其中减水组分为某酯类快速分散组分，保塑组分为2种保塑剂复合，释放时间互补，可以实现较长时间的坍落度保持，流变改性助剂选用生物胶类，分子量500000-800000，其它助剂有缓凝剂、消泡剂等。试验室制备的低胶材用量自密实混凝土基本性能如表14所示。
如表14和图2所示，新拌自密实混凝土状态良好，基本无泌水分层，初始扩展度可以达到650 mm左右，2 h损失满足要求，大流动度下略有露石，但未见明显离析，力学性能满足设计强度。
低胶材自密实混凝土工作性进一步提升，可以考虑从配合比角度再行优化，如调整石子级配进一步降低其堆积空隙率至40%以下、提高砂率、去除粉煤灰使用、添加一定量惰性石粉以增加粉体材料含量等。
3结论
1)减少自密实混凝土胶凝材料用量有利于提升其抗裂、耐久性能与经济性，是全面推广应用自密实混凝土技术的前提。
2)混凝土原材料品质控制是制备工作与力学性能优异的自密实混凝土的必要条件，其中地材性能，如粗集料堆积空隙率是关键影响因素；堆积空隙率越低，需要用来填充骨料间空隙的浆体量越少，越有利于提升自密实混凝土工作性能。
3)用于制备低胶材用量自密实混凝土的外加剂应具有如下性能；兼顾大流动性与稳健性；与减水匹配的保塑组分，满足性能设计要求下释放时间尽可能缩短；高流态混凝土的非吸附型流变改性，具有剪切变稀与触变性。
4)通过混凝土原材料品质控制、配合比优化设计与专用化学外加剂研究、应用，实验室制备出了胶凝材料用量仅330 kg/m3的自密实混凝土，工作与力学性能满足要求。
参考文献
[1]OKAMURA Hajime, OUCHI Masahiro. Self-compacting concrete: development, present use and future [A]. In: SKARENDAHL A, PE-TERSSON O eds. Proceedings of 1st International RILEM Symposium on Self-Compacting Concrete [C]. Paris: RILEM Publication SARL, 1999. 3–14.
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[6]宋少民, 陈家珑, 路宏波. 高密实混凝土技术路线与性能研究[J]. 北京建筑工程学院学报, 2003, 19(3): 45-49.
作者简介：
李海亮，工程师，E-mail：lhail@163.com
论文作者:李海亮, 盛朝云,王显强
论文发表刊物:《基层建设》2017年5期
论文发表时间:2017/6/20
标签：混凝土论文; 密实论文; 用量论文; 材料论文; 性能论文; 原材料论文; 组分论文; 《基层建设》2017年5期论文;