蔡振哲

（廈門市常青樹建材開發(fā)有限公司，福建 廈門 361004）

低膠材自密實混凝土的配合比設計試驗研究

蔡振哲

（廈門市常青樹建材開發(fā)有限公司，福建 廈門 361004）

本文研究了在低膠凝材料的情況下，粉煤灰與礦粉比例、石粉量、不同增稠劑和黏度改性劑比例對自密實混凝土各項性能的影響。結果表明：在外摻 12% 石粉范圍之內，石粉對自密實混凝土的強度和抗碳化性能有改善作用，但隨著石粉摻量的增大，混凝土 7d 和 28d 強度均呈現(xiàn)降低的趨勢。當粉煤灰與礦粉總摻量為 40%，外摻 12% 的石粉，可以制備出性能優(yōu)良的低膠凝材料自密實混凝土。

低膠材自密實混凝土；石粉；粘度改性劑；抗碳化性能

0 引言

隨著土木工程不斷向大規(guī)模化、復雜化、高層化方向發(fā)展，自密實混凝土在世界已引起廣泛重視，其推廣應用量迅速增長。然而，自密實混凝土的推廣應用受到多方面的限制。一方面，普通混凝土的強度等級大部分集中在 C25 至C30，而自密實混凝土的 28d 抗壓強度常高于 50MPa[1-3]。；另一方面，現(xiàn)有的自密實混凝土技術中的膠凝材料用量一般在 500kg/m3以上，造成混凝土水化熱高，使自密實混凝土收縮比普通混凝土大得多，容易引起自密實混凝土開裂，對混凝土的強度和耐久性造成不利[4-5]。

本試驗通過廢石粉代替砂的方法，降低了水泥用量，可以控制混凝土水化熱對混凝土裂縫和耐久性造成的不利影響，制備出工作性良好、強度等級低的自密實混凝土，為自密實混凝土的推廣應用開辟了新的思路。

1 原材料

水泥：采用潤豐 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，水泥各項物理化學指標見表 1。

表 1 水泥各項物理化學指標

粉煤灰：采用華陽電業(yè)漳州后石電廠生產的 F 類 II 級粉煤灰。其各項性能指標見表 2。

表 2 粉煤灰各項性能指標

礦粉：采用三鋼 S95 級礦粉，其性能指標件表 3。

表 3 礦粉各項性能指標

石粉：石粉采用福建某石材廠石板切割廢石粉，以下簡稱石粉其各項性能指標見表 4。

表 4 石粉主要成份 %

砂：細度模數(shù)為 2.6、級配范圍為 II 區(qū)的河砂，含泥量為0.8%。

石：采用粒形較好的 5～20mm 的反擊破石子。

外加劑：采用福建科之杰新材料有限公司生產的聚羧酸低濃型緩凝減水劑（Point—400S）。

增稠劑 A：醚類，化學型增稠，效果好、摻量低。

增稠劑 B：纖維類，物理型增稠，效果好、摻量高。

黏度改性劑：BASF Rheo MATRIX 型黏度改性劑。

2 試驗與研究

2.1 基準配合比參數(shù)設計

本文采用改變膠凝材料比例的方法確定基準混凝土配合比，在此基礎上利用石粉外摻法確定石粉的最佳摻量，優(yōu)化配合比，并研究石粉對自密實混凝土工作性能、力學性能和抗碳化性能的影響。

2.1.1 基準配合比參數(shù)設計

膠凝材料總量為 400kg/m3，比重為 2350kg/m3，水膠比為 0.44，砂率為 46%，粉煤灰和礦粉摻量的比例如圖 1 所示。基準配合比如表 5 所示，測定混凝土的拌合物性能，分析得出較優(yōu)基準配合比參數(shù)。

圖 1 粉煤灰和礦粉設計比例

表 5 基準混凝土配合比 kg/m3

2.1.2 低膠材石粉自密實混凝土配合比參數(shù)設計

依據(jù)第一步得出的較優(yōu)基準配合比參數(shù)，設計摻石粉的混凝土配合比參數(shù)，通過石粉取代砂法，分別占砂重量的10%、12%、14%、16%，測定混凝土的拌合物性能、力學性能和抗碳化性能，分析得出最佳低膠凝材料自密實配合比參數(shù)。

2.2 增稠劑與黏度改性劑復配比例設計

增稠劑能顯著提高新拌混凝土的黏度，從而改善低膠凝材料自密實混凝土的流動性。本試驗中選用了 2 種增稠劑和BASF 的黏度改性劑 Rheo MATRI (R) 來改善自密實混凝土的粘聚性。

所選增稠劑 A、增稠劑 B 與黏度改性劑 R 的性能，設計了 9 組配方，減水劑的量固定不變，增稠劑 A 的摻量為萬分之 2、4、6，對應的序號分別為 A1、A2、A3；增稠劑 B 的摻量分別為萬分之 10、14、18，對應的序號分別為 B1、B2、B3；黏度改性劑R的摻量為百分之 5、10、15，對應的序號分別為 R1，R2，R3，然后根據(jù) 2.1 得出的較優(yōu)低膠凝材料自密實配合比試配，得出合適的摻量。

3 試驗結果與分析

3.1 自密實混凝土性能及要求

參考 JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規(guī)程》，本試驗通過坍落擴展度試驗、J環(huán)擴展度試驗和擴展時間T500試驗來評價自密實混凝土的填充性和間隙通過性，采用的方法為坍落擴展度試驗、J 環(huán)擴展度試驗和擴展時間 T500 試驗。

3.2 基準混凝土配合比工作性能

在不同的粉煤灰與礦粉比例下，各組混凝土工作性數(shù)據(jù)如表 6 所示，坍落擴展度與 J 環(huán)擴展度差值如圖 2 所示。由表 6 可知，在膠凝材料總量相同條件下，隨著礦物摻合料的逐漸增大，混凝土坍落度和擴展度呈增大趨勢，礦物摻合料提高 10%，坍落度和擴展度分別提高約 10mm、25mm。由圖2 可知，隨著礦物摻合料的增大，混凝土擴展度差值整體呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢?？偭可?40% 時，擴展度差值逐漸降至 50mm 以內，基本滿足間隙通過性 PA1 級自密實混凝土的要求。混凝土和易性趨勢與擴展度差值趨勢一致，是先由一般變?yōu)榱己煤筠D為泌水的過程。因此，礦物摻合料雖然有利于混凝土流動性的提高，但是應維持在合適的摻量范圍，不然會對和易性造成不利影響。

圖 2 基準混凝土坍落擴展度與 J 環(huán)擴展度差值

表 6 基準混凝土工作性能

綜上所述，當?shù)V物摻合料摻量為 40%，混凝土具有良好的流動性及在大流動性下的和易性，基本滿足一般自密實混凝土的性能要求。因此，礦物摻合料的最佳摻量為 40%。

3.3 石粉自密實混凝土配合比參數(shù)設計

在基準配合比的基礎上，筆者設計了 POW1～POW4 四組配合比，如表 7 所示。采用石粉取代砂的方法，研究石粉對自密實混凝土工作性能和力學性能的影響，保持砂率不變，石粉摻量分別為 10%、12%、14%、16%。測定混凝土的拌合物性能、力學性能和抗碳化性能，分析得出最佳低膠凝材料自密實混凝土配合比參數(shù)。

表 7 石粉自密實混凝土配合比設計 kg/m3

3.3.1 摻石粉自密實混凝土的工作性能

不同的石粉取代量的自密實混凝土初始和 1h 后工作性能如表 8 所示。由表 8 中數(shù)據(jù)可知，石粉摻量對混凝土的坍落度影響不大，但是隨著摻量的增加，混凝土擴展度有所提高，石粉摻量為 10%、12%、14% 和 16 % 時，混凝土的擴展度分別增加了 20mm、40mm、55mm、70mm?；炷琉ぞ坌砸搽S著石粉外摻量的增加有較明顯改善。

表 8 石粉自密實混凝土工作性能

不同石粉摻量下，混凝土的坍落擴展度與 J 環(huán)擴展度差值如圖 3 所示。由圖 3 可知，相比基準混凝土，摻入石粉后，混凝土擴展度差值整體呈現(xiàn)顯著降低的趨勢，基準配合比擴展度差值為 55mm，而摻入石粉混凝土分別為 10mm、15mm、20mm、10mm?？芍?，采用石粉取代砂的混凝土間隙通過性較好，能滿足 PA2 級自密實混凝土的要求。這主要是因為石粉摻量增大，提高了混凝土拌合物的總粉量，同時由于石粉比表面積較大，從而改善了低膠材狀況下混凝土自由水偏多、漿體黏聚性偏低的問題，適當黏聚性的漿體能夠推動石子的運動，提高混凝土擴展度[6]。

圖 3 自密實混凝土的坍落擴展度與 J 環(huán)擴展度差值

3.3.2 摻石粉自密實混凝土的力學性能

不同石粉摻量下，石粉自密實混凝土強度對比如圖 4 所示。由圖 4 可知，隨著石粉摻量的增大，混凝土 7d 和 28d 強度均呈現(xiàn)降低的趨勢，但是在 12% 范圍之內，石粉對強度有提高作用。POW1、POW2 均比 REF5 的各齡期強度有較為顯著的增大，其中 POW1 的 28d 強度超過對比組 REF5，特別是7d 強度增大程度更為明顯。這是因為一方面石粉的微小粒子具有很好的微集料填充作用，可增加混凝土的密實度[7]，提高混凝土抗壓強度；另一方面，石粉可以發(fā)揮“晶核效應”，促進 C3S 和 C3A 水化，能夠提高有效結晶產物含量和強度[8]。因此，在適當摻量下，混凝土后期強度顯著提高。但是當石粉摻量達到一個臨界點時，這種正面效應就不足以彌補惰性材料不能發(fā)生水化反應的不足。

圖 4 自密實混凝土不同齡期的強度

3.3.3 摻石粉自密實混凝土的抗碳化性能

不同石粉摻量下，石粉自密實混凝土碳化深度對比如圖 5 所示。在相同齡期下，隨著石粉摻量的增大，各配合比的碳化深度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，但是這種趨勢的變化的快慢與石粉摻量有關。由 10%（POW1）增加到 12%（POW2），碳化深度增加較平緩，而由 14%（POW3）增加到 16%（POW4），碳化深度增加較快速。可見，石粉的摻量越大，碳化深度的增加越快速，說明其越容易被碳化。當石粉的摻量低于 12% 時，碳化深度低于對比組 REF5，這說明驗證了 3.3 節(jié)的結論，在 12% 范圍之內，石粉對自密實混凝土的性能是有利的。

圖 5 石粉自密實混凝土抗碳化性能對比

3.4 增稠劑與黏度改性劑

根據(jù) 2.2 中設計的增稠劑與黏度改性劑比例復配外加劑，選擇 3.3 得出的較優(yōu)配合比 POW2 進行試驗，試驗結果如圖 6 所示。由圖 6 可知，不同增稠劑與黏度改性劑比例下，自密實混凝土的J環(huán)擴展度值不同。隨著摻量的增大所呈現(xiàn)的規(guī)律也不盡相同。當摻增稠劑 A 時，隨著摻量的增加，混凝土的 J 環(huán)擴展度逐漸減??；當摻增稠劑 B 時，隨著摻量的增加，混凝土的擴展度逐漸增大。這是因為醚類增稠劑通過疏水主鏈與周圍水分子氫鍵締合，雖然漿體黏度得到了提高，但是減少了顆粒自由活動的空間，因此流動性會有所降低；而纖維類增稠劑通過提高總比表面積，增強自由水的吸附而提高混凝土的黏度，這是一個物理過程，對水泥自身的影響較小，因此可以增大混凝土的流動性。

當摻黏度改性劑 R 時，隨著摻量的增加，混凝土的擴展度先增大后減小，這主要是因為黏度改性劑 R 與外加劑兩者對混凝土的作用是一個相互抵消的過程，外加劑可以提高減水率，而黏度改性劑 R 可以降低減水率，因此當黏度改性劑R 提高至一定摻量時，反而不利于混凝土的流動性，因此應控制黏度改性劑 R 的摻量在 10% 以下。

圖 6 增稠劑與黏度改性劑比例對 J 環(huán)擴展度值的影響

4 結論

（1）當膠凝材料 400kg/m3，礦物摻合料摻量為 40%，混凝土具有良好的流動性及和易性。

（2）采用石粉代砂的方法配制自密實混凝土間隙通過性較好，具有良好的流動及和易性，能滿足 PA2 級自密實混凝土的要求。

（3）石粉摻量在 12% 范圍之內，石粉對自密實混凝土的強度和抗碳化性能有促進作用。

（4）增稠劑和黏度改性劑對自密實混凝土的流動性影響不同。纖維類增稠劑對其有促進作用，而黏度改性劑在一定范圍內可以促進混凝土的流動性，其摻量應控制在 10% 以下。

（5）當粉煤灰與礦粉總摻量為 40%，外摻 12% 的石粉，可以制備出性能優(yōu)良的低膠凝材料自密實混凝土。

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［通訊地址］福建省廈門市湖濱南路 62 號（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，碩士，研發(fā)工程師，主要從事新型建筑材料的研究。