自密實混凝土及其工作性評價
2005-05-28 00:00
摘 要：簡要介紹了自密實混凝土的定義、發(fā)展概況與工作性內(nèi)涵,較詳細論述了自密實混凝土的工作機理、配合比設(shè)計和工作性評價方法，最后提及自密實混凝土在生產(chǎn)過程中的幾個問題和發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：自密實混凝土；工作性;配合比;評價方法
0 引言
隨著城鄉(xiāng)建設(shè)的日益發(fā)展，混凝土早已成為現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)的主要材料，但是在應(yīng)用過程中也出現(xiàn)了一些問題,概括起來有以下幾個方面。
1) 混凝土的耐久性問題。目前,混凝土的耐久性問題已經(jīng)受到全世界范圍的關(guān)注。在混凝土澆筑施工中，由于缺乏熟練工人及其它客觀條件所限,不能保證混凝土完全密實成為導(dǎo)致其耐久性不良的重要原因之一。
2) 商品混凝土的可泵性要求。商品混凝土工業(yè)不斷發(fā)展，對新拌混凝土的大流動性及在運輸澆筑過程中較長時間的保塑性提出了新的要求。
3) 振搗密實困難。許多工程結(jié)構(gòu)配筋稠密且復(fù)雜，不易振搗；有的則是特種薄壁結(jié)構(gòu)、高細結(jié)構(gòu)、淺埋暗挖工程、隧道和地下結(jié)構(gòu),根本沒有振搗可操作空間，施工非常困難。
4) 生產(chǎn)效率和安全性要求。傳統(tǒng)的混凝土振搗施工不但產(chǎn)生噪聲污染，而且費時費工，工人勞動強度大，工作環(huán)境惡劣，且長時間手持振動器有可能導(dǎo)致“手臂振動綜合癥”。
5) 環(huán)保節(jié)能問題。充分利用粉煤灰、磨細礦渣等工業(yè)廢料取代適量水泥，開發(fā)新型環(huán)保節(jié)能混凝土,是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的具體要求。
6) 工程造價。從提高施工速度、環(huán)境對噪聲限制、減少人工、機械、電能費用、減小振搗對模板產(chǎn)生的磨損、利用工業(yè)廢料、保證質(zhì)量提高耐久性、減少加固修復(fù)費用等諸多方面綜合考慮,降低工程整體造價。
2) 商品混凝土的可泵性要求。商品混凝土工業(yè)不斷發(fā)展，對新拌混凝土的大流動性及在運輸澆筑過程中較長時間的保塑性提出了新的要求。
3) 振搗密實困難。許多工程結(jié)構(gòu)配筋稠密且復(fù)雜，不易振搗；有的則是特種薄壁結(jié)構(gòu)、高細結(jié)構(gòu)、淺埋暗挖工程、隧道和地下結(jié)構(gòu),根本沒有振搗可操作空間，施工非常困難。
4) 生產(chǎn)效率和安全性要求。傳統(tǒng)的混凝土振搗施工不但產(chǎn)生噪聲污染，而且費時費工，工人勞動強度大，工作環(huán)境惡劣，且長時間手持振動器有可能導(dǎo)致“手臂振動綜合癥”。
5) 環(huán)保節(jié)能問題。充分利用粉煤灰、磨細礦渣等工業(yè)廢料取代適量水泥，開發(fā)新型環(huán)保節(jié)能混凝土,是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的具體要求。
6) 工程造價。從提高施工速度、環(huán)境對噪聲限制、減少人工、機械、電能費用、減小振搗對模板產(chǎn)生的磨損、利用工業(yè)廢料、保證質(zhì)量提高耐久性、減少加固修復(fù)費用等諸多方面綜合考慮,降低工程整體造價。
自密實混凝土以其優(yōu)良的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能極好地滿足了上述要求，被稱為“近幾十年中混凝土建筑技術(shù)最具革命性的發(fā)展”。
1 自密實混凝土簡介
自密實混凝土(以下簡稱SCC) 可以定義為[1] ：混凝土能夠保持不離析和均勻性，不需要外加振動完全依靠重力作用充滿模板每一個角落、達到充分密實和獲得最佳的性能。
SCC是第四代混凝土———高性能混凝土(HPC)的一個重要組成部分和發(fā)展方向。20 世紀80 年代日本東京大學(xué)罔村甫教授研究室率先提出SCC 的概念并研制成功。我國對SCC 的研究與應(yīng)用開始于90 年代初期。實際上,清華大學(xué)馮乃謙教授早在1987 年就提出流態(tài)混凝土概念，奠定了這一研究的基礎(chǔ)。1996 年，北京城建集團構(gòu)件廠研制的免振搗自密實混凝土獲得國家專利[2]。成為SCC 成功運用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的先例。有學(xué)者肯定[1]除超高強(C80 以上) 結(jié)構(gòu)，自密實混凝土適用于所有種類的混凝土結(jié)構(gòu)和施工條件，包括纖維增強結(jié)構(gòu)。SCC 是一種特殊的高性能混凝土，拌合物表現(xiàn)出優(yōu)良的工作性能，澆灌過程中不用振搗而完全依靠自重作用自由流淌充分填充模型內(nèi)的空間形成均勻密實的結(jié)構(gòu)，硬化后具有良好的力學(xué)性能和耐久性能。
對于混凝土拌合物的工作性，眾多學(xué)者曾給出自己不同的定義。T.P.Tassions1973 年從工程應(yīng)用角度將工作性分解為流動性、可泵性、穩(wěn)定性、均勻性、易密實性和終飾抹面性等幾個方面[3] 。同一般大流動性混凝土相比，SCC 的工作性內(nèi)涵有所擴大。
1) 高流動性：保證混凝土能夠繞過障礙物，充分填充模型內(nèi)每個角落。
2) 高穩(wěn)定性：保證混凝土質(zhì)量均勻一致,即不泌水,骨料不離析。
3) 通過鋼筋間隙能力：保證混凝土穿越鋼筋間隙時不發(fā)生阻塞。
4) 自充填性：是流動性、穩(wěn)定性和間隙通過性的最終結(jié)果。
2 自密實混凝土的工作機理
按流變學(xué)理論劃分，新拌混凝土屬于賓漢姆流體，其流變方程為τ=τ0 +ηγ(τ為剪應(yīng)力；τ0為屈服剪應(yīng)力;η為塑性粘度;γ為剪切速度) 。τ0是阻礙塑性變形的最大應(yīng)力, 由材料之間的附著力和摩擦力引起, 它支配了拌和物的變形能力; 當τ>τ0時,混凝土產(chǎn)生流動。η是反映流體各平流層之間產(chǎn)生的與流動方向反向的阻止其流動的粘滯阻力,它支配了拌和物的流動能力,η越小,在相同外力作用下流動越快。
2.1 SCC的流動機理
新拌SCC 的流動是自重力大于τ0而產(chǎn)生剪切變形的結(jié)果。采用高效復(fù)合減水劑增塑和超細粉摻合料改善膠凝材料級配都可以降低τ0值,使混凝土拌合物達到自流平所需要的流動性。
2.1.1外加劑的潤濕吸附作用[4]作為界面活性劑的外加劑分子吸附在水泥粒子表面形成雙電位層。由于雙電位層產(chǎn)生的斥力使得水泥顆粒間相互排斥,防止產(chǎn)生凝聚。外加劑分子同時吸附一定的極性化水分子形成溶劑化膜層,增加了水泥微粒的滑動能力,因而易于分散。除此之外,外加劑還能降低表面張力,使水泥顆粒容易被水潤濕,這樣在達到相同坍落度情況下,所需拌合水量減少而具有良好的流動能力。
2.1.2 裹挾滾動相互作用混凝土可以看作由骨料和漿體固液兩相組成的物質(zhì),液相通常具有較大的變形能力。SCC 中超細粉摻合料的顆粒粒徑與水泥顆粒在微觀上形成級配體系,可以降低漿體的τ0值。圓形顆粒的粉煤灰和硅灰等超細粉摻合料包裹在粗糙的水泥顆粒和骨料表面,具有“滾珠”潤滑和物理減水作用,并與水泥漿一起作為液相,攜帶固相發(fā)生流動及滾動達到自流平。
2.2 SCC的自密實機理
2.2.1 漿體的粘聚作用混凝土的流動性與抗離析性是相互矛盾的。SCC 之所以能流平密實,關(guān)鍵在于其膠結(jié)料漿體具有一定的塑性粘度η,它能減少骨料間的接觸應(yīng)力,削弱骨料的固體特性,抑制骨料起拱堆集從而有效抑制離析。
2.2.2 氣泡自動聚合上浮作用在拌和澆筑混凝土?xí)r裹入模板內(nèi)的氣泡,由于混凝土自重對其產(chǎn)生浮力作用,具有自動聚合形成更大氣泡的趨勢。一旦氣泡發(fā)生聚合,則所受浮力將進一步增大,最終會浮出表面使混凝土密實。SCC 由于摻加高效減水劑降低了混凝土的表面張力,使氣泡更容易聚合上浮,增加混凝土的密實性。
2.2.3 摻合料的微粉作用SCC 中的摻合料不僅具有物理填充效應(yīng),而且因為巨大的表面積產(chǎn)生較大的內(nèi)表面力而提高混凝土的粘聚性。有的還具有火山灰活性效應(yīng),結(jié)合摻用高效減水劑和采用低水膠比改善集料界面結(jié)構(gòu)和水泥石的孔結(jié)構(gòu),使混凝
土越來越密實。
2.2.4 最大堆積密度[1] SCC 中各組分粒徑力求滿足“最大堆積密度理論”,例如,顆粒從小到大依次為:微硅粉、粉煤灰、水泥、砂、石。這樣細顆粒填充粗顆粒之間的空隙,更細顆粒填充細顆粒之間的空隙,達到最大密度或最小空隙率,從而有效提高SCC的密實度。
3 自密實混凝土工作性評價方法
SCC 工作性的評價是進行配合比設(shè)計和現(xiàn)場質(zhì)量檢驗的基礎(chǔ)。為了方便有效地評價SCC 的高流動性、高穩(wěn)定性和穿越鋼筋間隙能力,發(fā)展了一些新試驗方法,如倒坍落度筒、L 型儀、U 型箱、J 環(huán)、牽引球粘度計、密配筋模型填充試驗等。本文對其中的四種做詳細介紹。
3.1 坍落擴展度試驗
傳統(tǒng)坍落度試驗所測的坍落度主要反映拌合物開始流動所需力(即屈服值τ0) 的大小,而不能反映塑性粘度η的差異。在此基礎(chǔ)上測得的坍落擴展度D 同樣主要由屈服值τ0決定,τ0 越大,D 越小。
試驗表明,當混凝土拌合物的坍落度大于某一臨界值時,它就不能正確地反映屈服值大小,而擴展度試驗不存在這一臨界值。SCC 通常具有較大的坍落度(240 mm～270 mm) ,因此可以用坍落擴展度試驗代替坍落度試驗做混凝土拌合物初步控制用。一般SCC 坍落擴展度為550 mm～750 mm。
3.2 倒坍落度筒試驗
這種方法是我國山東學(xué)者最先采用[5]的。實際上,它類似于Orimet 儀及V 型漏斗試驗[3] 。其測試原理是根據(jù)混凝土從倒置的坍落度筒中流空的時間和落下后的坍落度、擴展度及中邊差(中間與邊部的高度差) 來判斷SCC 的工作性。
流動時間主要反映拌合物的塑性粘度η, 同時也部分反映了屈服值τ0的大小。擴展度則量化了混凝土在自重作用下克服屈服應(yīng)力、粘度和摩擦后的流動狀態(tài);擴散越接近圓形表明混凝土勻質(zhì),變形能力良好,直徑大則表明間隙通過能力強。中邊差反映了石子在砂漿中的懸浮流動能力和抗離析性,其值越小表明這些性能越好。該方法簡便實用, 可重復(fù)性好。目前廣泛采用倒坍落度筒在鐵板裝料后直接提起測定拌合物擴展度。
3.3 牽引球粘度計
這種方法是日本學(xué)者發(fā)明并采用的。它不同于Kelly 沉球試驗[3]通過測量沉球貫入數(shù)值來反映屈服強度τ0的大小,而是靠測定球體向上牽引受到的粘滯力來確定屈服值并估計混凝土的粘度,從而判斷自流平特性。
此方法問題在于其裝置是采用電機牽引的方法提拉小球的,這使得該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜;同時由于埋入混凝土中的測力物體為球體,故上拉時的拉力,并非完全剪切力,從而可能為測試帶來誤差。
3.4 L儀流動度試驗[3]
L2型流動儀法是先將混凝土裝在L2型筒的豎直筒內(nèi),再將插板提起使其向水平槽內(nèi)繞過鋼筋流動。通過測定最終流動時間及混凝土在水平槽內(nèi)的坡度來判斷混凝土的自流平特性。
在自密實混凝土的研究中,應(yīng)鼓勵多種檢測技術(shù)的發(fā)展,但鑒于目前尚未形成統(tǒng)一、成熟的檢測方法,筆者認為,在施工條件下應(yīng)該力求簡單實用性原則。例如可以同時采用倒坍落筒和L 儀或U 型箱試驗綜合評價實際工程中SCC 的工作性能。瑞士西卡集團天津分公司就是采用該方法向客戶展示其產(chǎn)品性能的。
4 自密實混凝土的配合比設(shè)計
制備自密實混凝土就是在保證所需強度的前提下,通過合理選擇原材料及比例,使τ0減小到適宜范圍,同時又具有足夠的η值, 獲得既具有高流動性,又不出現(xiàn)離析泌水的混凝土拌合物。
4.1 原材料
4.1.1 水泥
理論上各種水泥都可用于配制SCC ,品種的選擇決定于對混凝土強度、耐久性等的要求;但考慮到工作性要求及坍落度經(jīng)時損失小,應(yīng)優(yōu)先選擇C3A 和堿含量小、標準稠度需水量低的水泥。
4.1.2 骨料
SCC 應(yīng)選擇質(zhì)地堅硬、密實、潔凈的骨料。粗骨料針片含量少, 最大粒徑一般在16mm～20mm范圍,且間斷級配往往優(yōu)于連續(xù)級配,因為前者的內(nèi)摩擦低于后者,對改善流動性有利。細骨料宜選用級配良好的中砂或粗砂,砂中所含小于0.125 mm 的細粉對SCC 流變性能非常重要,一般要求不低于10 %。
4.1.3化學(xué)外加劑
宜采用減水率20%以上的高效減水劑,復(fù)合使用高效減水劑和普通減水劑也可獲得較好效果。減水劑的摻量及減水率應(yīng)經(jīng)試驗決定。除此之外,也可摻入增粘劑和引氣劑等外加劑。
4.1.4礦物摻合料
石粉:石灰石、白云石、花崗巖等的磨細粉, 粒徑小于0.125 mm 或比表面積(250～800) m2/ kg , 作為惰性填料,用改善和保持SCC 的工作性。粉煤灰:火山灰質(zhì)摻合料,優(yōu)質(zhì)粉煤灰能夠改善SCC 的流動性,有利于硬化混凝土的耐久性。應(yīng)優(yōu)先選用。磨細礦渣:火山灰質(zhì)摻合料,用于改善和保持SCC 的工作性,有利于硬化混凝土的耐久性。微硅粉:高活性火山灰質(zhì)摻合料,用于改善SCC 的流變性能和抗離析能力,提高硬化混凝土的強度和耐久性。應(yīng)優(yōu)先選用。
4.2 配合比
4.2.1漿骨比
自密實混凝土可看成由固液兩相組成的3層體系(見圖4) 。漿體的粘性是影響混凝土τ0和η的重要因素。欲獲得對流動中發(fā)生堵塞有較高的抵抗力,一是賦予液相一定的粘度提高兩相間的粘著力,使液相具有足夠的能力攜帶固相顆粒一起變形流動。這就需要一定的膠結(jié)料漿體含量,一般為35～45 %。另一是采用較小的粗骨料體積含量,以減少粗大顆粒在狹窄空間內(nèi)頻繁接觸發(fā)生堆集堵塞的概率(見圖5) 。但對混凝土而言,過小的粗骨料體積含量會使彈性模量下降較多而產(chǎn)生較大的收縮,因此,確定最佳漿骨比是配合比設(shè)計的關(guān)鍵。
4.2.2砂率
減小砂漿與粗骨料之間的相互分離作用,還可通過增加混凝土砂率的辦法加以實現(xiàn),但砂率值過大會影響SCC 的彈性模量和抗壓強度,一般宜控制在40 %～45 %。
4.2.3 摻合料用量
可以按凈漿和砂漿流動度試驗確定不同種類摻合料的具體用量,也可根據(jù)實際情況和經(jīng)驗選取合理值,可大于膠凝材料總量的30 %。
4.2.4水灰比
水灰比按混凝土強度、耐久性選擇確定,一般在014 以下,且用水量不宜超過200 kg/m3 。
日本的罔村甫1996 年將SCC 介紹到美國時提出的配合比特點為[4]: 1) 粗集料體積用量固定為固體體積的50 %; 2) 細集料用量固定為砂漿體積的40 %; 3) 體積水膠比建議為0.9～1.0 ,具體取決于膠凝材料的組成與性質(zhì); 4) 超塑化劑摻量和最終水膠比以保證達到自密實來決定。北京建工集團就是依據(jù)上述原理,采用設(shè)定粗集料用量和砂漿中砂子體積含量的方法進行SCC 配合比設(shè)計的[2] 。
4.3 發(fā)展高性能膠凝材料[4]
高性能膠凝材料主要是從流變性能的需要進行各組分的選擇和配合比優(yōu)化的。產(chǎn)品用于混凝土?xí)r,可在達到相同工作性時選用最低的水膠比,并在得到高流動性的同時不離析、不泌水,有良好的可泵性和填充性。
5 自密實混凝土的攪拌、澆筑與養(yǎng)護
因為SCC 中含有大量超細粉摻合料,因此加料順序很重要;攪拌時間要適當延長;更為重要的是要嚴格控制加水量。SCC 澆筑時應(yīng)注意模板的側(cè)壓力問題。若泵送澆筑SCC ,為減少截留空氣,應(yīng)從模板底部開始進行澆筑。泵送時采用幾個軟管輸出口同時操作,以便減少澆筑時間避免混凝土凝固。普通混凝土澆筑層間的冷接縫可通過振搗消除,SCC則不能,因此,澆筑過程要連續(xù)進行,盡量避免中斷防止冷接縫。SCC 由于粉體系數(shù)大,砂率高,缺乏更多的抵抗收縮的粗集料組分,施工澆注后很容易產(chǎn)生塑性收縮。若得不到及時有效的養(yǎng)護,混凝土固化后還極易產(chǎn)生干燥收縮以致開裂。免振自密實混凝土工程事故之一就是由于養(yǎng)護不當造成的開裂。
6 自密實混凝土發(fā)展前景展望
SCC 具有許多振動密實混凝土所不具備的優(yōu)點,有良好的發(fā)展前景。但目前仍需要進行深入的研究敏感性問題?；炷恋乃苄孕阅軙艿皆牧腺|(zhì)量、配料準確性、攪拌運輸設(shè)備等波動因素的影響而大幅度變化,這是一個重要的課題。
經(jīng)濟性問題。探求更為優(yōu)異的超細粉摻合材料,挖掘SCC 的經(jīng)濟性潛力。工程實用性問題。制訂自密實混凝土配合比設(shè)計規(guī)程和統(tǒng)一的工作性檢測方法。
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