低胶材自密实混凝土的配合比设计试验研究

蔡振哲

（厦门市常青树建材开发有限公司，福建 厦门 361004）

低胶材自密实混凝土的配合比设计试验研究

蔡振哲

（厦门市常青树建材开发有限公司，福建 厦门 361004）

本文研究了在低胶凝材料的情况下，粉煤灰与矿粉比例、石粉量、不同增稠剂和黏度改性剂比例对自密实混凝土各项性能的影响。结果表明：在外掺 12% 石粉范围之内，石粉对自密实混凝土的强度和抗碳化性能有改善作用，但随着石粉掺量的增大，混凝土 7d 和 28d 强度均呈现降低的趋势。当粉煤灰与矿粉总掺量为 40%，外掺 12% 的石粉，可以制备出性能优良的低胶凝材料自密实混凝土。

低胶材自密实混凝土；石粉；粘度改性剂；抗碳化性能

0 引言

随着土木工程不断向大规模化、复杂化、高层化方向发展，自密实混凝土在世界已引起广泛重视，其推广应用量迅速增长。然而，自密实混凝土的推广应用受到多方面的限制。一方面，普通混凝土的强度等级大部分集中在 C25 至C30，而自密实混凝土的 28d 抗压强度常高于 50MPa[1-3]。；另一方面，现有的自密实混凝土技术中的胶凝材料用量一般在 500kg/m3以上，造成混凝土水化热高，使自密实混凝土收缩比普通混凝土大得多，容易引起自密实混凝土开裂，对混凝土的强度和耐久性造成不利[4-5]。

本试验通过废石粉代替砂的方法，降低了水泥用量，可以控制混凝土水化热对混凝土裂缝和耐久性造成的不利影响，制备出工作性良好、强度等级低的自密实混凝土，为自密实混凝土的推广应用开辟了新的思路。

1 原材料

水泥：采用润丰 P·O42.5 普通硅酸盐水泥，水泥各项物理化学指标见表 1。

表 1 水泥各项物理化学指标

粉煤灰：采用华阳电业漳州后石电厂生产的 F 类 II 级粉煤灰。其各项性能指标见表 2。

表 2 粉煤灰各项性能指标

矿粉：采用三钢 S95 级矿粉，其性能指标件表 3。

表 3 矿粉各项性能指标

石粉：石粉采用福建某石材厂石板切割废石粉，以下简称石粉其各项性能指标见表 4。

表 4 石粉主要成份 %

砂：细度模数为 2.6、级配范围为 II 区的河砂，含泥量为0.8%。

石：采用粒形较好的 5～20mm 的反击破石子。

外加剂：采用福建科之杰新材料有限公司生产的聚羧酸低浓型缓凝减水剂（Point—400S）。

增稠剂 A：醚类，化学型增稠，效果好、掺量低。

增稠剂 B：纤维类，物理型增稠，效果好、掺量高。

黏度改性剂：BASF Rheo MATRIX 型黏度改性剂。

2 试验与研究

2.1 基准配合比参数设计

本文采用改变胶凝材料比例的方法确定基准混凝土配合比，在此基础上利用石粉外掺法确定石粉的最佳掺量，优化配合比，并研究石粉对自密实混凝土工作性能、力学性能和抗碳化性能的影响。

2.1.1 基准配合比参数设计

胶凝材料总量为 400kg/m3，比重为 2350kg/m3，水胶比为 0.44，砂率为 46%，粉煤灰和矿粉掺量的比例如图 1 所示。基准配合比如表 5 所示，测定混凝土的拌合物性能，分析得出较优基准配合比参数。

图 1 粉煤灰和矿粉设计比例

表 5 基准混凝土配合比 kg/m3

2.1.2 低胶材石粉自密实混凝土配合比参数设计

依据第一步得出的较优基准配合比参数，设计掺石粉的混凝土配合比参数，通过石粉取代砂法，分别占砂重量的10%、12%、14%、16%，测定混凝土的拌合物性能、力学性能和抗碳化性能，分析得出最佳低胶凝材料自密实配合比参数。

2.2 增稠剂与黏度改性剂复配比例设计

增稠剂能显著提高新拌混凝土的黏度，从而改善低胶凝材料自密实混凝土的流动性。本试验中选用了 2 种增稠剂和BASF 的黏度改性剂 Rheo MATRI (R) 来改善自密实混凝土的粘聚性。

所选增稠剂 A、增稠剂 B 与黏度改性剂 R 的性能，设计了 9 组配方，减水剂的量固定不变，增稠剂 A 的掺量为万分之 2、4、6，对应的序号分别为 A1、A2、A3；增稠剂 B 的掺量分别为万分之 10、14、18，对应的序号分别为 B1、B2、B3；黏度改性剂R的掺量为百分之 5、10、15，对应的序号分别为 R1，R2，R3，然后根据 2.1 得出的较优低胶凝材料自密实配合比试配，得出合适的掺量。

3 试验结果与分析

3.1 自密实混凝土性能及要求

参考 JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》，本试验通过坍落扩展度试验、J环扩展度试验和扩展时间T500试验来评价自密实混凝土的填充性和间隙通过性，采用的方法为坍落扩展度试验、J 环扩展度试验和扩展时间 T500 试验。

3.2 基准混凝土配合比工作性能

在不同的粉煤灰与矿粉比例下，各组混凝土工作性数据如表 6 所示，坍落扩展度与 J 环扩展度差值如图 2 所示。由表 6 可知，在胶凝材料总量相同条件下，随着矿物掺合料的逐渐增大，混凝土坍落度和扩展度呈增大趋势，矿物掺合料提高 10%，坍落度和扩展度分别提高约 10mm、25mm。由图2 可知，随着矿物掺合料的增大，混凝土扩展度差值整体呈现先降低后增大的趋势。总量升至 40% 时，扩展度差值逐渐降至 50mm 以内，基本满足间隙通过性 PA1 级自密实混凝土的要求。混凝土和易性趋势与扩展度差值趋势一致，是先由一般变为良好后转为泌水的过程。因此，矿物掺合料虽然有利于混凝土流动性的提高，但是应维持在合适的掺量范围，不然会对和易性造成不利影响。

图 2 基准混凝土坍落扩展度与 J 环扩展度差值

表 6 基准混凝土工作性能

综上所述，当矿物掺合料掺量为 40%，混凝土具有良好的流动性及在大流动性下的和易性，基本满足一般自密实混凝土的性能要求。因此，矿物掺合料的最佳掺量为 40%。

3.3 石粉自密实混凝土配合比参数设计

在基准配合比的基础上，笔者设计了 POW1～POW4 四组配合比，如表 7 所示。采用石粉取代砂的方法，研究石粉对自密实混凝土工作性能和力学性能的影响，保持砂率不变，石粉掺量分别为 10%、12%、14%、16%。测定混凝土的拌合物性能、力学性能和抗碳化性能，分析得出最佳低胶凝材料自密实混凝土配合比参数。

表 7 石粉自密实混凝土配合比设计 kg/m3

3.3.1 掺石粉自密实混凝土的工作性能

不同的石粉取代量的自密实混凝土初始和 1h 后工作性能如表 8 所示。由表 8 中数据可知，石粉掺量对混凝土的坍落度影响不大，但是随着掺量的增加，混凝土扩展度有所提高，石粉掺量为 10%、12%、14% 和 16 % 时，混凝土的扩展度分别增加了 20mm、40mm、55mm、70mm。混凝土黏聚性也随着石粉外掺量的增加有较明显改善。

表 8 石粉自密实混凝土工作性能

不同石粉掺量下，混凝土的坍落扩展度与 J 环扩展度差值如图 3 所示。由图 3 可知，相比基准混凝土，掺入石粉后，混凝土扩展度差值整体呈现显著降低的趋势，基准配合比扩展度差值为 55mm，而掺入石粉混凝土分别为 10mm、15mm、20mm、10mm。可知，采用石粉取代砂的混凝土间隙通过性较好，能满足 PA2 级自密实混凝土的要求。这主要是因为石粉掺量增大，提高了混凝土拌合物的总粉量，同时由于石粉比表面积较大，从而改善了低胶材状况下混凝土自由水偏多、浆体黏聚性偏低的问题，适当黏聚性的浆体能够推动石子的运动，提高混凝土扩展度[6]。

图 3 自密实混凝土的坍落扩展度与 J 环扩展度差值

3.3.2 掺石粉自密实混凝土的力学性能

不同石粉掺量下，石粉自密实混凝土强度对比如图 4 所示。由图 4 可知，随着石粉掺量的增大，混凝土 7d 和 28d 强度均呈现降低的趋势，但是在 12% 范围之内，石粉对强度有提高作用。POW1、POW2 均比 REF5 的各龄期强度有较为显著的增大，其中 POW1 的 28d 强度超过对比组 REF5，特别是7d 强度增大程度更为明显。这是因为一方面石粉的微小粒子具有很好的微集料填充作用，可增加混凝土的密实度[7]，提高混凝土抗压强度；另一方面，石粉可以发挥“晶核效应”，促进 C3S 和 C3A 水化，能够提高有效结晶产物含量和强度[8]。因此，在适当掺量下，混凝土后期强度显著提高。但是当石粉掺量达到一个临界点时，这种正面效应就不足以弥补惰性材料不能发生水化反应的不足。

图 4 自密实混凝土不同龄期的强度

3.3.3 掺石粉自密实混凝土的抗碳化性能

不同石粉掺量下，石粉自密实混凝土碳化深度对比如图 5 所示。在相同龄期下，随着石粉掺量的增大，各配合比的碳化深度呈现先减小后增大的趋势，但是这种趋势的变化的快慢与石粉掺量有关。由 10%（POW1）增加到 12%（POW2），碳化深度增加较平缓，而由 14%（POW3）增加到 16%（POW4），碳化深度增加较快速。可见，石粉的掺量越大，碳化深度的增加越快速，说明其越容易被碳化。当石粉的掺量低于 12% 时，碳化深度低于对比组 REF5，这说明验证了 3.3 节的结论，在 12% 范围之内，石粉对自密实混凝土的性能是有利的。

图 5 石粉自密实混凝土抗碳化性能对比

3.4 增稠剂与黏度改性剂

根据 2.2 中设计的增稠剂与黏度改性剂比例复配外加剂，选择 3.3 得出的较优配合比 POW2 进行试验，试验结果如图 6 所示。由图 6 可知，不同增稠剂与黏度改性剂比例下，自密实混凝土的J环扩展度值不同。随着掺量的增大所呈现的规律也不尽相同。当掺增稠剂 A 时，随着掺量的增加，混凝土的 J 环扩展度逐渐减小；当掺增稠剂 B 时，随着掺量的增加，混凝土的扩展度逐渐增大。这是因为醚类增稠剂通过疏水主链与周围水分子氢键缔合，虽然浆体黏度得到了提高，但是减少了颗粒自由活动的空间，因此流动性会有所降低；而纤维类增稠剂通过提高总比表面积，增强自由水的吸附而提高混凝土的黏度，这是一个物理过程，对水泥自身的影响较小，因此可以增大混凝土的流动性。

当掺黏度改性剂 R 时，随着掺量的增加，混凝土的扩展度先增大后减小，这主要是因为黏度改性剂 R 与外加剂两者对混凝土的作用是一个相互抵消的过程，外加剂可以提高减水率，而黏度改性剂 R 可以降低减水率，因此当黏度改性剂R 提高至一定掺量时，反而不利于混凝土的流动性，因此应控制黏度改性剂 R 的掺量在 10% 以下。

图 6 增稠剂与黏度改性剂比例对 J 环扩展度值的影响

4 结论

（1）当胶凝材料 400kg/m3，矿物掺合料掺量为 40%，混凝土具有良好的流动性及和易性。

（2）采用石粉代砂的方法配制自密实混凝土间隙通过性较好，具有良好的流动及和易性，能满足 PA2 级自密实混凝土的要求。

（3）石粉掺量在 12% 范围之内，石粉对自密实混凝土的强度和抗碳化性能有促进作用。

（4）增稠剂和黏度改性剂对自密实混凝土的流动性影响不同。纤维类增稠剂对其有促进作用，而黏度改性剂在一定范围内可以促进混凝土的流动性，其掺量应控制在 10% 以下。

（5）当粉煤灰与矿粉总掺量为 40%，外掺 12% 的石粉，可以制备出性能优良的低胶凝材料自密实混凝土。

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［通讯地址］福建省厦门市湖滨南路 62 号（361004）

Study on self-compacting concrete Mix Design with Low Content of Cementitious Material

Cai Zhenzhe
(Xiamen Evergreen Tree Building Material Co., Ltd., Xiamen 361004)

This article discusses the influence of fly ash and slag proportions, the different granite powder content on the work performance and of self-compacting concrete. The results showed that when in the range of 12% granite powder, the granite powder can improve the strength and carbonation resistance of self-compacting concrete. However, with increasing content of the granite powder, the strength of the concrete showed decreased. And when the content of fl y ash and slag is 40%, 12% mixed with granite powder, it can be prepared excellent performance self-compacting concrete with low content of cementitious material.

self-compacting concrete with low content of cementitious material; granite powder; viscosity modifier; carbonation resistance

蔡振哲，硕士，研发工程师，主要从事新型建筑材料的研究。