國(guó)內(nèi)外自密實(shí)高性能混凝土研究及應(yīng)用現(xiàn)狀_廉慧珍

1、1999年5月第28卷第5期施工技術(shù)CONST RUCTION TECHNOLOGY廉慧珍,女,清華大學(xué)土木工程系,教授,北京100084,電話:(01062770347收稿日期:1999-02-05國(guó)內(nèi)外自密實(shí)高性能混凝土研究及應(yīng)用現(xiàn)狀廉慧珍張青張耀凱摘要自密實(shí)混凝土即拌合物具有很高的流動(dòng)性而不離析、不泌水,能不經(jīng)振搗或少振搗而自動(dòng)流平并充滿模型和包裹鋼筋的混凝土。不僅可大大降低施工噪聲,而且可加快施工速度、保證和提高施工質(zhì)量?？赏ㄟ^(guò)配合比調(diào)整其物理、力學(xué)性能。對(duì)原材料、配合比敏感,對(duì)施工要求嚴(yán)格。由于歷史短,尚有若干問(wèn)題需進(jìn)一步研究。關(guān)鍵詞混凝土自密實(shí)混凝土高性能混凝土配合比展望Sta t

2、e-of-the-art on Re se arch and Application ofSelf-compacting Concrete a t Home a nd AbroadLian H uizhenZha ng QingZha ng Yaoka iAbstr actSelf-compacting concrete possesses very high fluidity but no segregation and no bleeding.Without vibration,the fr esh self-compacting concrete can flow to be aut-l

3、evelling, fill up the moulding board and hold the reinfor ced bar.With self-compacting concrete,the noise pollution can be reduced greatly,progr ess rate of construction can be quickened,and quality of concrete can be ensured.Physical and chemical properties of self-compacting con-crete can be r egu

4、lated by design of mix proportion.Self-compacting concrete is sensitive to r aw mater ials and mix pr oportion,and strict operation process is required.Some problems need to be studied fur ther because of the shorter history of self-compacting concrete. Keywor dsConcrete;Self-compacting concrete;Hig

5、h per for mance concr ete;Carbonation; Prospect80年代后半期,日本東京大學(xué)教授村甫開(kāi)發(fā)了“不振搗的高耐久性混凝土”,稱之為高性能混凝土(High Per for-mance Concr ete。1996年在美國(guó)泰克薩斯大學(xué)講學(xué)中,村稱該混凝土為自密實(shí)高性能混凝土(以下簡(jiǎn)稱自密實(shí)混凝土self compacting concr ete。之所以稱為高性能,是因?yàn)榫哂泻芨叩氖┕ば阅?能保證混凝土在不利的澆筑條件下也能密實(shí)成型,同時(shí)因使用大量礦物細(xì)摻料而降低混凝土的溫升,并提高其抗劣化的能力,而可提高混凝土的耐久性。自密實(shí)混凝土即拌合物具有很高的流動(dòng)性而

6、不離析、不泌水,能不經(jīng)振搗或少振搗而自動(dòng)流平并充滿模型和包裹鋼筋的混凝土。自密實(shí)混凝土綜合效益顯著,特別是用于難以澆筑甚至無(wú)法澆筑的部位,可避免出現(xiàn)因振搗不足而造成的空洞、蜂窩、麻面等質(zhì)量缺陷。強(qiáng)度等級(jí)越高,比常態(tài)混凝土費(fèi)用越低。自密實(shí)混凝土配制的關(guān)鍵是滿足良好的流變性能要求。自密實(shí)混凝土屬于高流動(dòng)性混凝土的一部分。1國(guó)內(nèi)外自密實(shí)混凝土的應(yīng)用概況至1994年底,日本已有28個(gè)建筑公司掌握了自密實(shí)混凝土的技術(shù)。從日本19921993年各學(xué)會(huì)、技術(shù)刊物等發(fā)表的自密實(shí)的高性能混凝土在土木工程中應(yīng)用實(shí)例來(lái)看,自密實(shí)高性能混凝土特別適合于澆筑量大、澆筑高度大、鋼筋密集、有特殊形狀等的工程。在西方也有不振

7、搗的混凝土的應(yīng)用,如美國(guó)西雅圖65層的雙聯(lián)廣場(chǎng)鋼管混凝土柱,28d抗壓強(qiáng)度115MP a?；炷翉牡讓又饘颖盟?無(wú)振搗。在美國(guó)為了保證混凝土的澆筑質(zhì)量以保證鋼筋和混凝土的整體性,在密筋的鋼筋混凝土和幾何形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中,也使用高坍落度而能自流平的混凝土,但強(qiáng)調(diào)仍需要適當(dāng)?shù)恼駬v以確?；炷恋淖銐蛎軐?shí)。近年來(lái)由于在日本不斷有采用自密實(shí)混凝土成功的工程實(shí)例,美國(guó)也開(kāi)始注意該項(xiàng)技術(shù)。在我國(guó)北京、深圳、濟(jì)南等城市也開(kāi)始使用自密實(shí)混凝土,從1995年開(kāi)始,澆筑量已超過(guò)4萬(wàn)m3。主要用于地下暗挖、密筋、形狀復(fù)雜等無(wú)法澆筑或澆筑困難的部位、解決擾民問(wèn)題、縮短工期等。2自密實(shí)混凝土的性能2.1自密實(shí)混凝土拌合物

8、的性質(zhì)1自密實(shí)混凝土的拌合物除高流動(dòng)性外,還必須具有良好的抗材料分離性(抗離析性、間隙通過(guò)性(通過(guò)較密鋼筋間隙和狹窄通道的能力和抗堵塞性(填充能力。國(guó)外大多用拌合物的坍落流動(dòng)度,即坍落后拌合物鋪展的直徑,作為高流動(dòng)性混凝土流變性能的量度。日本報(bào)道,坍落流動(dòng)度一般為5070mm。超過(guò)70mm時(shí),拌合物易產(chǎn)生離析;不到50mm時(shí),則可能發(fā)生充填障礙。拌合物抗離析性可用坍落流動(dòng)速率來(lái)評(píng)定。坍落流動(dòng)速率用拌合物坍落后鋪展到直徑為50cm的時(shí)間除以流動(dòng)距離15cm的值表示。坍落流動(dòng)速率快時(shí),流動(dòng)性好,但過(guò)快時(shí)容易產(chǎn)生離析。也有人在一種L 形流動(dòng)性測(cè)定裝置的轉(zhuǎn)角處裝置傳感器測(cè)定拌合物流動(dòng)初始的速率,來(lái)判斷

9、拌合物的抗離析性。對(duì)于泌水量,按日本標(biāo)準(zhǔn)JASS A1123的方法檢測(cè)時(shí),JASS5規(guī)定對(duì)普通混凝土要求0.5cm3/cm2,而對(duì)高耐久性的混凝土則要求0.3cm3/ cm2?？闺x析性直接影響混凝土拌合物澆筑后的均勻性。必要時(shí)可檢測(cè)水平流動(dòng)至不同部位或垂直澆筑到不同高度的拌合物中粗骨料的含量,作為拌合物均質(zhì)性的評(píng)定。國(guó)內(nèi)不同單位或部門參考國(guó)外已有檢測(cè)方法,結(jié)合自己的實(shí)驗(yàn),創(chuàng)造了各具特色的評(píng)價(jià)方法,有待于規(guī)范化。一般,自密實(shí)混凝土的凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng),可達(dá)10h左右,尤其是在冷天施工時(shí)。但初、終凝時(shí)間間隔短,一旦凝結(jié),強(qiáng)度很快就會(huì)增長(zhǎng);如果使用低濃度的高效減水劑,由于NaSO4含量較高,會(huì)使混凝土凝結(jié)

10、時(shí)間縮短,甚至在夏季還需添加適量緩凝劑。2.2硬化混凝土的性質(zhì)(1強(qiáng)度自密實(shí)混凝土屬于高性能混凝土,可有很寬的強(qiáng)度范圍,即從C25到C60以上。我國(guó)目前大量使用的是C30C40。為了保證及時(shí)拆模,成型后在標(biāo)準(zhǔn)條件下24h抗壓強(qiáng)度應(yīng)5MP a。在施工計(jì)劃允許、著重長(zhǎng)期強(qiáng)度、使用低熱水泥等情況下,可放寬上述要求。(2彈性模量由于粗骨料用量較少,自密實(shí)混凝土比使用同一品種骨料的普通混凝土彈性模量稍低些,根據(jù)JIS 的方法試驗(yàn),標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d時(shí),降低值小于10%。根據(jù)北京二建的測(cè)試,因采用低水膠比,盡管有所降低,仍能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。適當(dāng)提高配制強(qiáng)度、增加粉煤灰摻量、添加適量合成短纖維等措施均可

11、提高彈性模量。(3收縮通常,由于粗骨料用量小,粉體材料用量大,自密實(shí)混凝土的干燥收縮會(huì)大些,容易產(chǎn)生有害裂縫?？筛鶕?jù)結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件尺寸、施工條件、工程性質(zhì)等的不同,確定不同的目標(biāo)。據(jù)日本的資料,標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)7d的試件在202、相對(duì)濕度605%的條件下6個(gè)月的干縮為810-4以下,比同種骨料的普通混凝土收縮增加量98%。(3外加劑即使設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)不高,也要用高效減水劑。日本杉本貢報(bào)道,對(duì)高流動(dòng)混凝土外加劑性能的要求為:有優(yōu)質(zhì)的流化性能,保持拌合物流動(dòng)性的性能、合適的凝結(jié)時(shí)間與泌水率、良好的泵送性;對(duì)硬化混凝土力學(xué)性質(zhì)、干縮和徐變無(wú)壞影響、耐久性(抗凍、抗?jié)B、抗碳化、抗鹽浸好。為此多采用高性能引

12、氣型(AE 減水劑。同時(shí),由于自密實(shí)混凝土拌合物往往有離析的傾向,在日本多采取摻抗離析劑或增稠劑來(lái)解決。日本的抗離析劑有纖維素水溶性高分子、丙烯酸類水溶性高分子、葡萄糖或蔗糖等生物高聚物等。其中纖維素醚和甲基纖維素用得最多。但是添加抗離析劑時(shí),對(duì)混凝土的強(qiáng)度有些影響。北京建工集團(tuán)二建公司使用兩種不同原料來(lái)源的萘系高效減水劑復(fù)合使用,對(duì)自密實(shí)混凝土的抗離析性有顯著效果。3.2自密實(shí)混凝土的配合比自密實(shí)混凝土的配合比應(yīng)滿足拌合物高施工性能的要求,因此,與相同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土相比,有較大的漿骨比,即較小的骨料用量,膠凝材料總量一般要超過(guò)500kg/m 3;砂率較大,即粗骨料用量較小,砂率最大可達(dá)

13、50%左右;使用高效減水劑,由于膠凝材料用量大,必須摻用大量礦物細(xì)摻料,細(xì)摻料總摻量一般大于膠凝材料總量的30%。為了保證耐久性,水膠比一般不宜大于0.4。自密實(shí)混凝土配合比的確定是以上各參數(shù)和混凝土強(qiáng)度、耐久性、施工性、體積穩(wěn)定性(硬化前的抗離析性,硬化后的彈性模量、收縮徐變等諸性質(zhì)間矛盾的統(tǒng)一。例如流動(dòng)性和抗離析性要求粗骨料用量小,但粗骨料用量小時(shí)硬化混凝土的彈性模量低,收縮、徐變大;砂率大,有利于施工性和強(qiáng)度而不利于彈性模量;水膠比大,有利于流動(dòng)性,而不利于強(qiáng)度和耐久性等等。因此與普通混凝土配合比設(shè)計(jì)不同的是,根據(jù)上述矛盾的統(tǒng)一確定粗骨料的最合適用量、砂子在砂漿圖1北京建工集團(tuán)二建公司建

14、議的自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)體系中的含量。小和村建議作為砂漿和混凝土兩個(gè)層次的體系考慮自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)。石子最大粒徑為20mm ,使用中熱水泥和增稠劑。北京建工集團(tuán)二建公司建議按混凝土、砂漿、水泥凈漿、膠凝材料四層次體系設(shè)計(jì),如圖1所示。以上步驟均采用絕對(duì)體積方法計(jì)算。由此可見(jiàn),自密實(shí)混凝土的漿骨比變化的范圍是很小的?；炷恋男再|(zhì)主要受水泥漿濃度和性質(zhì)的支配。自密實(shí)混凝土配合比的實(shí)例如表1所示。表1自密實(shí)混凝土配合比實(shí)例工程名稱現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際強(qiáng)度(MPa混凝土中原材料用量(kg /m 3水水泥細(xì)摻料砂石外加劑日本明石大橋A1基礎(chǔ)91d 62.3142中熱172礦渣172粉煤灰86771965高效

15、引氣型減水劑+超塑化劑+引氣劑北京恒基中心地下通道方廳墻、頂板、柱28d 37.5200P.O.525號(hào)280粉煤灰175U EA33830830DFS0.75%北京凱旋大廈梁、板、柱28d 53.3200.8P.S.425號(hào)381粉煤灰148U EA20796760SN1.8%4自密實(shí)混凝土施工的特點(diǎn)自密實(shí)混凝土的質(zhì)量對(duì)原材料的變動(dòng)很敏感,制作和施工中各環(huán)節(jié)的控制要求嚴(yán)格,因此對(duì)操作工人的要求低了,而對(duì)技術(shù)和管理人員的要求高了。由于組成材料多,必須注意攪拌均勻,目前多采用雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī),攪拌時(shí)間比普通混凝土的長(zhǎng)12倍,60180min 甚至更長(zhǎng)是必要的。攪拌不足的拌合物不僅因不均勻而影響

16、硬化后的性質(zhì),而且在泵送出管后流動(dòng)性進(jìn)一步增大,會(huì)產(chǎn)生離析現(xiàn)象。投料順序最好是先攪拌砂漿,最后投入粗骨料。一般來(lái)說(shuō),自密實(shí)混凝土適合于泵送澆筑。墻或柱的澆筑高度可在4m 左右。澆筑順序可參考和泉意登志在文獻(xiàn)中給出的泵管移動(dòng)順序,如圖2 所示。圖2自密實(shí)混凝土澆筑順序示意用吊斗澆筑時(shí)產(chǎn)生離析的可能性大,對(duì)配合比要求更嚴(yán)格,難度較大。在必須用吊斗澆筑時(shí),應(yīng)使出料口和模板入口的距離盡量小,必要時(shí)可加串筒。柱子和墻澆筑前要嚴(yán)格檢查鋼筋間距及鋼筋與模板間的距離,最好準(zhǔn)備一根長(zhǎng)釬,以便必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟鍝v,排除可能截留的空氣。自密實(shí)混凝土的質(zhì)量對(duì)原材料和配合比的變動(dòng)以及施工工藝都很敏感,因此對(duì)施工管理水平

17、要求較高。每項(xiàng)工程實(shí)施前要有嚴(yán)格的施工規(guī)程和班前交底,尤其在交接班時(shí),要有具體的措施以免差錯(cuò)。5自密實(shí)混凝土應(yīng)用展望及需進(jìn)一步研究的問(wèn)題(1自密實(shí)混凝土由于優(yōu)異的施工性能,可大大加快施工速率,減小勞動(dòng)強(qiáng)度,并可避免由于可能振搗不足而引起混凝土的嚴(yán)重質(zhì)量事故;低水膠比、低溫升和大量礦物細(xì)摻料,可保證混凝土的耐久性。但與相同強(qiáng)度的普通混凝土相(下轉(zhuǎn)第16頁(yè)31999No.5廉慧珍等:國(guó)內(nèi)外自密實(shí)高性能混凝土研究及應(yīng)用現(xiàn)狀表1構(gòu)件摻NSF 劑高性能混凝土配比及安放位置構(gòu)件編號(hào)水泥用量(kg/m 3硅粉劑(NSF 劑(%水膠比澆筑日期安放位置抗壓強(qiáng)度(MPaA 348摻高效減水劑(UNF -50.50

18、.46019880318門機(jī)梁:4344號(hào)、4445號(hào)、4546號(hào)、4647號(hào)排架45.7B 34812.50.40919880319門機(jī)梁:4344號(hào)、4647號(hào)排架57.0C 26813.80.55219880319門機(jī)梁:4445號(hào)、4546號(hào)排架41.7WQBL 23150.54019880915前邊梁:3233號(hào)、3334號(hào)排架34.6LQBL 226513.80.55619880915前邊梁:2930號(hào)排架43.3HBL 131912.50.45219880610后邊梁:3839號(hào)排架53.4月與3年5個(gè)月計(jì)算結(jié)果有很大不同,這到底是由取樣誤差造成或是如挪威奧斯德公司M.Meage

19、 和西班牙C .Andr ade 等提出按費(fèi)克定律計(jì)算太保守或有些錯(cuò)誤有關(guān),因?yàn)槁然镞M(jìn)入混凝土不單純只有擴(kuò)散過(guò)程,還有毛細(xì)管吸附和滲透。故這方面問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究。3高性能混凝土的工程應(yīng)用3.1施工情況為驗(yàn)證室內(nèi)研究結(jié)果,1988年3月、9月,我院與連云港建港指揮部共同在連云港木材碼頭上選兩個(gè)排架上部構(gòu)件進(jìn)行了摻硅粉劑高性能混凝土現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,其中一部分構(gòu)件水泥用量與普通混凝土相同,摻入硅粉劑,另一部分有摻硅粉劑但每m 3混凝土節(jié)約水泥用量5080kg ,預(yù)制了預(yù)應(yīng)力門機(jī)縱梁4根,前邊梁2根,后邊梁2根,現(xiàn)澆碼頭橫梁2根,混凝土共計(jì)275m 3。高性能混凝土構(gòu)件安放位置及配合比如表1所示。構(gòu)件

20、編號(hào)A 、WQBL 2為普通混凝土,B 、HBL 1為不減水泥摻NSF 劑混凝土(與相應(yīng)的普通混凝土比,C 、LQBL 2為減水泥摻NSF 劑混凝土(與相應(yīng)的普通混凝土比。高性能混凝土預(yù)制梁板在三航五公司預(yù)制廠制作,在攪拌樓拌合,加料順序同普通混凝土,人工加入硅粉劑,在水泥加入前后摻入,拌合3min 出料,由行車運(yùn)送到澆筑地點(diǎn)下料,按常規(guī)振搗。上、下橫梁均為現(xiàn)澆混凝土,下橫梁施工考慮模板承受側(cè)壓力,分2d 澆筑,混凝土由6號(hào)攪拌船拌合,自動(dòng)稱量水泥、砂和石,硅粉人工加入,拌和1min 即由螺旋輸送機(jī)送至皮帶機(jī)后運(yùn)到倉(cāng)位,上橫梁采用0.5m 3自落式攪拌機(jī)拌合,人工上料,運(yùn)輸、施工程序同上。不論

21、采用預(yù)制和現(xiàn)澆,不論施工條件和使用設(shè)備不同,施工季節(jié)不同,硅粉混凝土施工基本與普通混凝土相似,施工和易性好,泌水少。3.2高性能混凝土工程使用8年后情況檢查1996年12月中旬,作者會(huì)同連云港港務(wù)局對(duì)已使用多年的木材碼頭高性能混凝土構(gòu)件進(jìn)行了檢查。檢查中發(fā)現(xiàn),面板及上橫梁由于位于大氣區(qū),至今都未破壞;下橫梁由于現(xiàn)澆過(guò)程跑模,主筋保護(hù)層非常薄甚至裸露,所以不論是普通混凝土及高性能皆已銹蝕;另有后邊梁減水泥組未找到(可能是由于木材碼頭使用5年即開(kāi)始出現(xiàn)銹斑,1993年全部用環(huán)氧瀝青涂料涂刷防腐,其它構(gòu)件檢查結(jié)果如表2所示。表21996年木材碼頭試驗(yàn)梁檢查結(jié)果類別構(gòu)件名稱編號(hào)表面狀況普通混凝土梁門機(jī)

22、梁A 有裂縫、銹斑前邊梁WQBL 1有裂縫、銹斑摻NSF 劑不減水泥門機(jī)梁B 完好混凝土梁后邊梁HBL 1完好減水泥前邊梁LQBL 2完好門機(jī)梁C有裂縫檢查發(fā)現(xiàn),普通混凝土梁構(gòu)件均存在銹斑,有的還有肉眼可見(jiàn)裂縫,減水泥摻NSF 劑混凝土梁有的也出現(xiàn)了裂縫,而不減水泥摻NSF 劑混凝土梁均完好無(wú)損。4結(jié)語(yǔ)(1滿足我國(guó)浪濺區(qū)鋼筋混凝土耐久性要求的高性能混凝土,必須具有相當(dāng)?shù)目節(jié)B透性,從本項(xiàng)研究結(jié)果看,在單純摻用硅粉不摻其它細(xì)摻料情況下,純硅粉摻量必須達(dá)到10%左右,并必須同時(shí)摻用足夠量的高效減水劑,使水膠比降至0.4左右、相對(duì)滲透系數(shù)達(dá)到1.010-8510-8cm/h 。(2本研究使用的混凝土抗氯離子滲透能力的試驗(yàn)方法所得的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)及工程應(yīng)用結(jié)果沒(méi)有較好的相關(guān)