粘性材料对自密实混凝土性能的影响

李睿峰 程 威 李固华 马 超 祝 福

（西南交通大学土木工程学院，四川 成都611756）

1 概述

自密实混凝土（Self-Compacting Concrete，简称SCC）是指具有高流动性、均匀性和稳定性，浇筑时无需外力振捣，能够在自重作用下流动并充满模板空间的混凝土。自密实混凝土这一概念最早由日本学者Okamura教授于1986年提出[1]，随后研究与应用迅速展开，很快成为一种实用的、施工性能十分优良的混凝土[2]。

自密实混凝土能充分填充空隙，浇筑后拌和物均匀密实，硬化后混凝土结构致密，具有较高的力学性能和耐久性能[3]。相比于普通混凝土，自密实混凝土不需要额外的人工或机械振捣就能保证混凝土良好的密实性，从而很大程度上地缩短生产周期，提高生产效率，并且大大地降低了工人的工作强度，节约了人力物力; 由于无需人工和机械振捣，可以保证钢筋、埋件及预留孔道位置不因振捣而移位，有利于保证结构质量;此外，自密实混凝土利用了大量的工业废料作为掺合料，降低了混凝土的原料成本，满足目前的环保要求。

本文所研究的C40自密实混凝土主要用于高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道，其对混凝土要求非常苛刻，不同于常规自密实混凝土，对于混凝土的流动性能非常高，同时要求抗离析、抗泌水性能很高。一般自密实混凝土主要是以大量的粉体材料代替了常规混凝土中的相当部分的粗骨料，并且通过了高效减水剂的塑化和分散作用，保证流动性和粘聚性，有效地包裹运输骨料，达到自密实的效果[4]，但过多的粉体材料将增加混凝土收缩性能。本文研究通过向自密实混凝土中添加各种粘性粉体材料，并调整掺入量，来分析其对自密实混凝土拌合物性能、硬化收缩性能和强度的影响。

2 实验

2.1 实验材料

水泥：P.O42.5；比表面积为370m2/kg，28d抗压强度为48MPa，28d抗折强度为8.5MPa；

粗骨料：碎石直径分别为5～10mm和10～16mm，二者比率为7:3；

细骨料：采用机制砂与河砂比为7:3，细度模数Mx=2.6；

减水剂：柯帅减水剂，减水率为30%；

膨胀剂：UAE膨胀剂；

粉煤灰：II级粉煤灰；

采用的粘性材料的性能参数如下：

1）石粉:石灰石石粉，细度为100目。

2）硅灰：比表面积为20m2/g，SiO2含量为96.75%。

3）偏高岭土：比表面积为1250m2/kg，主要成分及含量如表1。

表1 偏高岭土主要成分及含量

2.2 实验配合比

本文是在大量的前期试验基础上得到的基准配合比，采用的水胶比为0.36。

2.3 实验方法

自密实混凝土拌合物的自密实性能包括流动性、间隙通过性和抗离析性等三方面内容[5]。

测试混凝土拌合物自密实性能的方法有：坍落扩展度、T50、V形漏斗、L形仪、J环以及筛析法等。自密实混凝土需要借助这些方法进行配合比设计和现场质量检验，并且一般需要同时采用两种以上实验方法来评价流动性、稳定性和通过钢筋间隙通过能力[2]。本实验根据《自密实混凝土应用技术规程》（JGJ/T 283-2012），并参照铁路客运专线CRTSⅢ型板式无砟轨道相关的技术要求，采用坍落扩展度试验、L形仪试验和J环试验。其中，坍落扩展度试验用来检测自密实混凝土的扩展时间T50和坍落扩展度；L形仪试验用于测量自密实混凝土的流匀时间T700和H2/H1;J环试验用于检测自密实混凝土的BJ值。

现场实验完成后，将自密实混凝土拌合物装入模具。一段时间后，再测定自密实混凝土的收缩和强度，以此来确定粘性材料对自密实混凝土的综合影响程度。

2.4 实验结果与分析

2.4 .1 工作性能情况

1）坍落扩展度测定

坍落扩展度试验主要用于检测自密实混凝土拌合物的流动性和抗离析性。

图1 扩展时间

图2 坍落扩展度

由图1、图2可以得出以下结论

（1）在第一组实验中,固定石粉掺量为35kg/m3不变，随着硅灰掺量增加，扩展时间逐渐下降，扩展度增大。一般来说,硅灰的需水量较大,掺入硅灰会增加混凝土用水量。其实,在适当的条件下,硅灰也可以表现出减水作用[6]。

（2）在第二组实验中，固定石粉掺量为35kg/m3不变，随着偏高岭土掺量增加，对扩展度影响不大，当掺量为45～55kg/m3时，扩展时间达到最佳。

（3）在第三组实验中，固定硅灰掺量为24.2kg/m3不变，随着石粉掺量增加，扩展时间基本保持不变，当掺量为30～40kg/m3时，扩展度达到最大。

2）L形仪测定

L形仪试验主要用于检测自密实混凝土拌合物的流动性和间隙通过性。

图3 流匀时间

图4 H2/H1值

由图3、4可以得出以下结论

（1）在第一组实验中,固定石粉掺量为35kg/m3不变，随着硅灰掺量增加，流动时间逐渐减小，当掺量大于30kg/m3时，满足T700L<18s的要求，但对H2/H1影响不大，H2/H1均大于0.9，说明硅灰能够提高混凝土的流动性。

（2）在第二组实验中，固定石粉掺量为35kg/m3不变，随着偏高岭土掺量增加，流动时间均较长，当掺量为45～55kg/m3时，流动时间最小，但仍大于18s，而对H2/H1影响不大，均大于0.9，说明适量的偏高岭土同硅灰一样可以提高混凝土的流动性。

（3）在第三组实验中，固定硅灰掺量为24.2kg/m3不变，随着石粉掺量增加，自密实混凝土拌合物的流动时间随之降低趋势，且能满足T700L<18s的要求，H2/H1也逐渐增大，因此，适当掺入一定量的石粉能够提高自密实混凝土的流动性和间隙通过性；当石粉掺量大于35kg/m3,H2/H1>0.9，自密实混凝土拌合物的综合性能达到最佳。

3）J环试验测定

J环试验主要用于检测自密实混凝土拌合物的抗离析性和间隙通过性。

由图5可以看出：

（1）硅灰和偏高岭土的掺量大小对BJ值均不敏感，随着掺量的增加，BJ值基本保持不变。

（2）石粉掺量的大小对BJ值影响很大，随着石粉掺入量的增加BJ值先减小后增大，当掺量为30～40kg/m3时，BJ<15mm，即自密实混凝土拌合物的性能达到相对最佳。

2.4 .2 力学性能情况

图5 BJ值

图6 硅灰单轴抗压强度

图7 偏高岭土单轴抗压强度

图8 石粉单轴抗压强度

由图6、图7、图8可以得出,在用水量一样的情况下：

（1）偏高岭土和石粉均能够提高自密实混凝土的早期强度，硅灰在适量的情况下也能够提高混凝土的早期强度。其中，以偏高岭土的效果最为显著。

（2）硅灰和偏高岭土在掺量适度的前提下均能够提高自密实混凝土的后期强度，而石粉对自密实混凝土的后期强度基本影响不大。基于此石粉可用于中低强度等级的自密实混凝土设计[7]。

2.4 .3 收缩情况

主要测量了100mmx100mmx400mm的试块的收缩率，III型轨道板自密实混凝土收缩率应低于400x10-6。各组的收缩率如表2。其中1～4组为不同的硅灰掺量所对应的收缩率情况；4～5组不同的偏高岭土掺量所对应的收缩率情况；8～11组为不同的石粉掺量所对应的收缩率情况。

从表3中可知，增加硅灰掺量对自密实混凝土的早期收缩的影响不是很大，能够较小地降低后期收缩；偏高岭土对自密实混凝土的早期收缩的影响也不是很大，当偏高岭土掺量为40～50kg/m3时，能够明显降低后期收缩，但是当偏高岭土掺量大于50kg/m3会导致后期收缩增加。增加石粉含量能够增大混凝土的后期收缩，但是对前期影响不是很大。

3 结论

1）适量的硅灰能够提高自密实混凝土拌合物的流动性和抗离析性，使混凝土在浇筑的时候不易出现分层、离析的现象；添加适量的偏高岭土能够提高自密实混凝土的流动性；添加适量的石粉能够提高自密实混凝土的间隙通过性能，避免其在浇筑钢筋混凝土试件的时候出现堵塞的现象。

2）适量的硅灰和偏高岭土均能够提高自密实混凝土的早期强度和后期强度，而石粉只能提高自密实混凝土的早期强度，对后期强度影响不大。

3）硅灰、偏高岭土和石粉对自密实混凝土的早期收缩影响都不大，但三者均能降低混凝土的后期收缩，尤其是当偏高岭土掺量为40～50kg/m3时能明显降低后期收缩，但当其掺量超过50kg/m3时，会导致后期收缩增加。

4）粘性胶凝材料的掺入量应在一个合理的范围内。在单方混凝土中，硅灰的掺入量宜为25kg/m3,偏高岭土的掺入量宜为45～50kg/m3,石粉的掺入量宜为30～40kg/m3。

表2 （1）不同硅灰掺量的混凝土配合比（单位：kg/m3）

表2 （2）不同偏高岭土掺量的混凝土配合比（单位：kg/m3）

表2 （3）不同石粉掺量的混凝土配合比（单位：kg/m3）

表3 断面收缩率(×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]赵均.自密实混凝土的研究和应用[J].混凝土,2003,6：9-17.

[3]廉慧珍，张清，张耀凯.国内外自密实高性能混凝土的研究及应用现状[J].施工技术,1999,28(5)：1-16.

[4]周虎，安雪晖，金峰.低水泥用量自密实混凝土配合比设计试验研究[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]付亚伟,王硕太,崔云长.硅灰对自密实混凝土性能的影响[J].四川建筑科学研究,2009,35(1)：191-193.

[7]杨欣，马雪英，吕兴国.石灰石粉在自密实混凝土中应用的研究[J],CHINA CONCRETE,2011,25：66-68.