粉煤灰改善自密实混凝土流动性和抗离析性研究

林明新 任凤鸣 彭健锋 陈沛棋 王 庆 熊子豪

（1 大建建筑集团有限公司；2 广州大学土木工程学院）

0 引言

自密实混凝土（Self-Compacting Concrete，简称SCC）是一种具有高流态新拌性能的新型建筑材料，其特点是在没有振捣的情况下可以包裹密集钢筋，并在模板中填充成型[1]。自1986 年以来，自密实混凝土凭借其优异的抗变形性能和抗离析性能而被广泛应用于不同建筑工程中[2]。自密实混凝土还可以消除振捣过程产生的噪音，掺加粉煤灰等工业废料后能达到环境友好效果[3]。粉煤灰作为自密实混凝土不可或缺的组分之一[4]，由于火山灰作用，能促进二次水化作用，从而改善水泥基材料的长期耐久性能[5]。粉煤灰还可以在混凝土中起到填充作用以降低混凝土中的孔隙率[6]，提高混凝土抗渗透能力，降低新拌混凝土发生泌水和离析现象的风险。为探究粉煤灰掺量对自密实混凝土工作性能的影响作用，本研究通过采用10%到40%粉煤灰等体积替代水泥，系统地测试粉煤灰掺量对自密实混凝土各项工作性能的影响。

1 原材料及配合比

水泥为42.5R 型普通硅酸盐水泥，表观密度为3.10g/㎝3，比表面积为1295.9m2/㎏。粉煤灰为I 级粉煤灰，表观密度2.42g/㎝3，比表面积为1534.0m2/㎏，主要晶相为石英（SiO2）和莫来石（Al6Si2O13）。水泥与粉煤灰的氧化物分析结果见表1，粒径分布曲线见图1。粗骨料为破碎花岗岩，最大粒径为26.5mm，表观密度为2.73g/cm3。砂为天然河砂，表观密度为2.61g/cm3，细度模数2.2。外加剂采用减水率为28%的聚羧酸系高效减水剂。

图1 水泥与粉煤灰的粒径分布曲线

表1 原材料氧化物分析（质量百分数）

为研究不同粉煤灰掺量对SCC 工作性能的影响，将试验分为五组，粉煤灰体积替代率分别为0，10%，20%，30%和40%，参照JGJ/T 283[7]进行自密实混凝土配合比设计，具体见表2。根据规范EN 12350[8]，开展了坍落度/扩展度试验、筛析法试验及V 型漏斗试验，来评价自密实混凝土的流动性和抗离析性。

表2 试验所用配合比 （㎏/m3）

2 试验方法

2.1 坍落度/ 扩展度试验

试验开始前将底板放置在一个平坦的水平表面上，避免外部振动或冲击。使用水平仪检查底板表面的水平性，清洗并润湿扩展度板和坍落度桶，但不要沾染过多的水分。将坍落度桶放置于扩展度板中央位置并保持位置，按住坍落度桶，在30 秒内填满坍落度桶，不进行任何人工振捣或机械压实，并清除坍落度桶顶部多余部分混凝土。在此期间，清除底板上溢出的混凝土，确保底板全部潮湿，但没有多余的水。在不影响混凝土流动性的情况下，1 至3 秒内一次性垂直提起坍落度桶，待混凝土流动稳定后，测量d1、d2和H。（d1——混凝土流动的最大直径，精确到10mm；d2——混凝土流动的最大直径处的右侧90°位置处混凝土的流动直径，精确到10mm；H——混凝土表面最高点到坍落度桶顶面的高度。）

图2 扩展度试验

图3 坍落度试验

2.2 筛析法试验

将（10±0.5）L 混凝土放入样品容器并覆盖以防止蒸发，放在一个水平的位置，在没有干扰的情况下静置（15±0.5）分钟。确保天平平稳后，把筛子底盘放在天平上，记录其质量，以克为单位。然后把干筛子放在底盘上，再次记录质量或清零。在静置时间结束后，从样品容器中取下盖子，观察混凝土表面是否出现泌水。当筛子和底盘仍然处于平衡状态时，稳定而小心地将（4.8±0.2）㎏混凝土(包括任何排出水)以样品容器的顶部高于筛子（500±50）mm 的高度倾倒在筛子的中心，静置两分钟后记录底盘上混凝土的实际质量，试验示意图如图4 所示。

图4 筛析法试验示意图

2.3 V 型漏斗试验

试验开始前应清洁V 型漏斗和底部闸板，然后将所有内表面包括闸板全部湿润。在漏斗下方放置承接器皿，关闭闸门，一次性将混凝土拌合物倒入漏斗内，不要进行任何人工振捣或机械压实，然后刮去漏斗顶部多余混凝土，使混凝土与漏斗顶部平齐。填满后静置（10±2）秒，迅速打开阀门并测量时间tv（tv——从阀门打开到能从顶部垂直看到漏斗下方承接器皿的时间，精确到0.1s）。从漏斗流出的混凝土应该是连续的，如果发生堵塞，应重复试验。

图5 V 型漏斗试验装置示意图

3 结果分析与讨论

3.1 流动性

图6 展示了不同组别自密实混凝土的扩展度，随着粉煤灰掺量的增大，混凝土拌合物的扩展度呈增大的趋势。这是因为在保证混凝土拌合物不发生离析和泌水的前提下，混凝土拌合物的坍落度越大，拌合物的流动性就越好，扩展度越大[9]。当粉煤灰掺量为10%时，混凝土的扩展度有轻微的减少，当粉煤灰掺量分别在20%以上时，扩展度增加，但最高稳定在740mm 左右。其中，在粉煤灰掺量为20%时，混凝土的流动性最好。综上所述，掺入粉煤灰可以改善自密实混凝土的流动性。这主要是因为粉煤灰为圆球状颗粒，在新拌混凝土拌合物中起滚珠效应，改善流动性，最终使得扩展度增加[10,11]。

图6 扩展度试验结果

3.2 抗离析性

从图7 可以看出，不管坍落度变大还是变小，掺有粉煤灰混凝土拌合物的浮浆百分比都要比对照组CM大。其次，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土拌合物的浮浆百分比先增加后减少，且都高于对照组CM。从图8 可知，掺有粉煤灰混凝土的V 型漏斗试验所用时间也都低于对照组CM，说明掺有粉煤灰混凝土拌合物的黏度略低于对照组CM，这与前面抗离析性能试验结果是相吻合的。这是因为水泥的密度要大于粉煤灰，当使用粉煤灰等体积替代水泥来配制混凝土时，会导致混凝土的浆体体积和浆体塑性有所提高，同时会降低混凝土的浆体黏度[12]。

图7 筛析法试验结果

图8 V 型漏斗通过时间试验结果

4 结论

本研究采用粉煤灰等体积替代自密实混凝土中的水泥，开展了一系列自密实混凝土工作性能的试验，结论如下：

⑴总体来说，粉煤灰作为辅助胶凝材料掺入水泥中，有利于提高自密实混凝土的流动性。在粉煤灰掺量为20%时，自密实混凝土的流动性最好。当粉煤灰掺量逐渐增加时，自密实混凝土流动性基本保持不变。

⑵粉煤灰密度要小于水泥密度，等体积替代水泥后，会增加自密实混凝土的浆体量，提高自密实混凝土的粘聚性，使自密实混凝土具有更好的密实性和均质性。