肖良麗，劉鴻明，駱　恒

(武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，武漢 430065)

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不同內(nèi)摻材料自密實(shí)混凝土的研究現(xiàn)狀

肖良麗，劉鴻明，駱恒

(武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，武漢 430065)

摘要：自密實(shí)混凝土內(nèi)摻材料不同不僅影響新拌混凝土的工作性，而且影響硬化混凝土的力學(xué)性和耐久性。簡(jiǎn)要介紹了自密實(shí)混凝土的定義及特點(diǎn)，討論了近年來(lái)自密實(shí)混凝土內(nèi)摻材料的發(fā)展概況。較詳細(xì)綜述了不同內(nèi)摻材料自密實(shí)混凝土性能研究的最新成果。在此基礎(chǔ)上，對(duì)內(nèi)摻材料在自密實(shí)混凝土中的研究前景進(jìn)行了展望。 美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局2015年1月礦產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，2014年全球生產(chǎn)水泥41.8億t，較2013年增長(zhǎng)1億t，較2012年增長(zhǎng)4.8億t，我國(guó)2014年生產(chǎn)的水泥量超過(guò)全球總量的一半，達(dá)到25億t，較2013年增長(zhǎng)0.8億t，較2012年增長(zhǎng)3.5億t。Michael H等[1]在研究中發(fā)現(xiàn)水泥在生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中排放的CO2大約是人工排放CO2總量的10%，逐年增加的水泥產(chǎn)量及其巨大的CO2排放量給嚴(yán)峻的環(huán)境添上了更加沉重的負(fù)擔(dān)。水泥還是一種高能耗材料，Mehta P K[2]研究表明生產(chǎn)一噸水泥需要消耗4～5 GJ的能量，不利于資源的循環(huán)利用和可持續(xù)發(fā)展。自密實(shí)混凝土屬于高性能混凝土的一種，與傳統(tǒng)振搗型混凝土相比，自密實(shí)混凝土需要更大體積的膠凝材料，若單一使用水泥，不僅增加了混凝土的造價(jià)，而且增加了環(huán)境的負(fù)擔(dān)。研究環(huán)境友好型水泥基材料是現(xiàn)在的一項(xiàng)熱點(diǎn)問(wèn)題，水泥取代材料在現(xiàn)代建筑工業(yè)中考慮經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和生態(tài)方面扮演了重要角色。為了降低生產(chǎn)水泥的能耗和其對(duì)環(huán)境的影響，開(kāi)始研究粉煤灰、礦粉等部分取代水泥的內(nèi)摻材料并將其應(yīng)用于自密實(shí)混凝土中。

關(guān)鍵詞：自密實(shí)混凝土;內(nèi)摻材料;最新成果;研究前景

1自密實(shí)混凝土的定義及特點(diǎn)

自密實(shí)混凝土是具有高流動(dòng)性、自密實(shí)性和穩(wěn)定性，澆筑時(shí)無(wú)需人工或機(jī)械振搗，能夠在自重作用下流動(dòng)并填滿模板各個(gè)角落的混凝土[3]。自密實(shí)混凝土拌合物除應(yīng)滿足普通混凝土拌合物對(duì)凝結(jié)時(shí)間、保水性和黏聚性等的要求外，還要滿足自密實(shí)性能的要求[3]：高流動(dòng)性﹐即混凝土具有在模板內(nèi)克服阻力有流動(dòng)的能力，能夠流動(dòng)并填滿模板內(nèi)每個(gè)角落；間隙通過(guò)性，即混凝土在自重下流過(guò)狹窄間隙的能力；穩(wěn)定性好，自密實(shí)混凝土在流動(dòng)過(guò)程中必須保證不離析，減少泌水；抗離析能力，即在滿足以上三點(diǎn)的同時(shí)，混凝土在運(yùn)輸和澆筑過(guò)程中各組分要保持均勻。自密實(shí)混凝土技術(shù)最早由日本在20世紀(jì)80年代提出，隨后很快傳入其他國(guó)家并獲得迅速發(fā)展。我國(guó)主要是在90年代初期開(kāi)始引進(jìn)研究和應(yīng)用自密實(shí)混凝土的，經(jīng)過(guò)多年的研究與工程應(yīng)用實(shí)踐，已經(jīng)在自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)、評(píng)估方法及工程應(yīng)用方面取得了較好的成果[4-7]。由于自密實(shí)混凝土不僅有良好的工作性、施工性、較完美的力學(xué)性和耐久性，在講究環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的今天，自密實(shí)混凝土必將成為混凝土界的寵兒。

2自密實(shí)混凝土內(nèi)摻材料的發(fā)展概況

20世紀(jì)五六十年代，生產(chǎn)水泥的技術(shù)相對(duì)落后，人們?cè)谂渲没炷恋倪^(guò)程中會(huì)加入一定量的水泥基材料代替水泥來(lái)增加混凝土的量；七十年代出現(xiàn)了高效緩凝劑，八十年代開(kāi)始發(fā)展高性能混凝土，人們把內(nèi)摻材料作為一種改善高性能混凝土性能的摻合料；九十年代，人們對(duì)內(nèi)摻材料更加重視，認(rèn)識(shí)到內(nèi)摻材料不再是一種混凝土“輔料”，而是混凝土的必要組分，開(kāi)始在自密實(shí)混凝土中對(duì)一些工業(yè)廢渣進(jìn)行環(huán)保利用，直到今天，混凝土內(nèi)摻材料的發(fā)展一直未停歇[8]。目前常用的自密實(shí)混凝土內(nèi)摻材料主要有粉煤灰、礦渣粉、硅灰、稻殼灰、石灰石粉等工業(yè)廢料，有效利用工業(yè)廢棄物，既解決了其對(duì)環(huán)境的二次污染，又降低了混凝土的成本。近兩年，天然火山灰質(zhì)材料開(kāi)始被研究并應(yīng)用于自密實(shí)混凝土中，較常見(jiàn)的有浮石粉、沸石粉等。在國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家，納米材料開(kāi)始被研究并應(yīng)用于自密實(shí)混凝土中，比如納米SiO2和納米TiO2。我國(guó)已經(jīng)在礦物內(nèi)摻材料和天然火山灰質(zhì)材料用于混凝土方面制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596—2005、《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》GB/T 18046—2008、《水泥砂漿和混凝土用天然火山灰質(zhì)材料》JG/T 315—2011等。

3內(nèi)摻材料在自密實(shí)混凝土中的最新研究成果

我國(guó)對(duì)常用內(nèi)摻材料自密實(shí)混凝土的研究還處于上升階段，研究的過(guò)程中不斷發(fā)現(xiàn)新的問(wèn)題，亟需研究人員解決，而對(duì)于新型內(nèi)摻材料自密實(shí)混凝土的研究我國(guó)剛剛起步，新型內(nèi)摻料料自密實(shí)混凝土已經(jīng)成為國(guó)外現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)之一。下面總結(jié)了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外不同內(nèi)摻材料自密實(shí)混凝土研究的最新成果:

曹鵬飛等[9]研究了摻石灰石粉對(duì)自密實(shí)混凝土的工作性、力學(xué)性和抗氯離子滲透性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：石灰石粉提高了自密實(shí)混凝土的工作性能和早期抗壓強(qiáng)度，比起粉煤灰或礦渣，石灰石粉更有效地降低了混凝土的自收縮性，石灰石粉單摻或與粉煤灰復(fù)摻能取得不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

魯文斌[10]研究了復(fù)摻粉煤灰和硅灰在自密實(shí)混凝土中的應(yīng)用，研究了粉煤灰的最佳摻量，以及幾種礦物質(zhì)摻合料復(fù)摻的復(fù)合效應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：粉煤灰和硅灰應(yīng)用到自密實(shí)混凝土中，可以增大新拌混凝土的流動(dòng)性，改善泌水離析，增加硬化后混凝土的強(qiáng)度，提高其耐久性能，在其試驗(yàn)條件下，粉煤灰的最佳摻量為30%，兩種內(nèi)摻材料復(fù)合使用比單獨(dú)使用效果更好。

萬(wàn)惠文等[11]利用稻殼灰配制自密實(shí)混凝土進(jìn)行性能研究，結(jié)果表明：摻入稻殼灰的自密實(shí)混凝土硬化后體積穩(wěn)定性好，稻殼灰對(duì)混凝土的后期強(qiáng)度提升效果顯著，還利用稻殼灰試配出了較優(yōu)配合比的C40自密實(shí)混凝土。

楊利雄[12]對(duì)水膠比為0.37，礦粉取代水泥百分率分別為10%，15%，20%，25% 和30% 的自密實(shí)混凝土進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：在自密實(shí)混凝土中加入礦粉取代部分水泥，對(duì)提高混凝土的工作性作用明顯，礦粉取代率15%時(shí)得到的混凝土抗壓強(qiáng)度最高，礦粉取代率大于20%時(shí)混凝土早期強(qiáng)度降低明顯，自收縮也有所增加。Sethy K.P.等[13]通過(guò)試驗(yàn)研究摻入大比例(30%～90%)取代水泥的工業(yè)礦渣粉對(duì)自密實(shí)混凝土的流變性能、自密實(shí)性和強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：隨著工業(yè)礦渣粉水泥取代率的增加，新拌自密實(shí)混凝土的塑性粘度降低，所有新拌自密實(shí)混凝土的屈服應(yīng)力幾乎為零，表明摻入大比例取代水泥的工業(yè)礦渣粉對(duì)新拌自密實(shí)混凝土的工作性能有很大改善。在力學(xué)性能方面，抗壓強(qiáng)度隨工業(yè)礦渣粉的增加而降低，摻入30%取代水泥的工業(yè)礦渣粉能夠得到超過(guò)100 MPa的高強(qiáng)自密實(shí)混凝土。

付亞偉等[14]研究了取代水泥百分率為10%的硅灰對(duì)自密實(shí)混凝土性能的影響。結(jié)果表明：適當(dāng)摻量(10%左右)的硅灰能有效改善自密實(shí)混凝土的工作性、強(qiáng)度、耐久性、穩(wěn)定性和觸變性等。張守祺等[15]對(duì)比研究了分別摻入多孔硅粉和硅灰對(duì)新拌自密實(shí)混凝土各項(xiàng)性能的影響。結(jié)果表明：摻量小于15%時(shí)，多孔硅粉大幅增強(qiáng)自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性，摻量為2%～10%的多孔硅粉提高C60自密實(shí)混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度，尤其大幅提高早期強(qiáng)度，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)多孔硅粉對(duì)新拌自密實(shí)混凝土性能的改善作用略優(yōu)于硅灰。侯茜茜等[16]研究了硅灰摻量對(duì)自密實(shí)混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著硅灰摻量(5%～10%)增大，自密實(shí)混凝土的工作性和抗壓強(qiáng)度都有大幅提高，而碳化速度隨著硅灰摻量增大而減慢。

Jalal M等[17]研究了納米二氧化硅、硅灰、低鈣粉煤灰對(duì)高性能自密實(shí)混凝土不同性能的影響。研究表明：?jiǎn)螕椒勖夯視r(shí)，隨著粉煤灰的摻量增加，高性能自密實(shí)混凝土的流變性能越好。三種摻合料對(duì)混凝土的力學(xué)性能和輸運(yùn)性能都有不同程度的改善，尤其是在復(fù)摻硅灰與納米二氧化硅的情形下，還發(fā)現(xiàn)較大比例的硅灰、粉煤灰等礦物摻合料與小部分納米粉末復(fù)摻能得到高強(qiáng)自密實(shí)混凝土。Rao S等[18]將少量納米二氧化硅(0.75%～3%)和二氧化鈦(0.5%～1%)摻入到已有30%粉煤灰取代水泥的自密實(shí)混凝土中進(jìn)行研究。研究表明：摻入納米材料對(duì)新拌自密實(shí)混凝土的工作性能影響不大，但都不同程度降低了硬化后混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度，建議納米材料在修復(fù)自密實(shí)混凝土上有很大的潛能，但需要優(yōu)化使用。

Granata M F[19]研究了浮石粉作為內(nèi)摻材料對(duì)自密實(shí)混凝土的流變性能和力學(xué)性能的影響。研究表明：摻有浮石粉的自密實(shí)混凝土表現(xiàn)出了良好的流動(dòng)性、填充能力和離析能力，但隨著時(shí)間的增長(zhǎng)摻浮石粉的自密實(shí)混凝土比摻硅灰、粉煤灰的自密實(shí)混凝土在工作性能上表現(xiàn)出更明顯的退化。在力學(xué)性能方面，摻有浮石粉的自密實(shí)混凝土將會(huì)獲得更高的28 d抗壓強(qiáng)度，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，后期強(qiáng)度更大。

Nuruddin M F等[20]研究了單摻20%水泥取代率的粉煤灰、硅灰、稻殼灰以及兩兩復(fù)摻10%水泥取代率的粉煤灰、硅灰、稻殼灰對(duì)延性自密實(shí)混凝土工作性和抗壓強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：加入這些摻合料的自密實(shí)混凝土都能滿足自密實(shí)性的要求，復(fù)摻10%粉煤灰和10%稻殼灰的延性自密實(shí)混凝土達(dá)到了最高強(qiáng)度，且沒(méi)有影響其自密實(shí)性。

Le H T等[21]研究了超塑化劑和稻殼灰對(duì)自密實(shí)高性能混凝土的自密實(shí)性和抗壓強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果表明：超塑化劑的量高于飽和超塑化劑的量沒(méi)有影響自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性和塑性粘度，但引起自密實(shí)混凝土的滲出。與粉煤灰或硅灰相比，加入稻殼灰增加了灰漿飽和超塑化劑用量，稍微降低了自密實(shí)混凝土的填充和流動(dòng)能力，很大程度上增加了塑性粘度和抗離析能力，同時(shí)也消除了灰漿的滲出。與粉煤灰相似，稻殼灰對(duì)自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度有較大提高，尤其是用大比例稻殼灰取代水泥和較長(zhǎng)齡期的情況下。復(fù)摻稻殼灰與粉煤灰較大程度改善了自密實(shí)高性能混凝土的自密實(shí)性和抗壓強(qiáng)度。

4總結(jié)與展望

在自密實(shí)混凝土中采用工業(yè)廢料或天然火山灰質(zhì)材料作為內(nèi)摻材料，既可以解決其對(duì)環(huán)境的二次污染、降低混凝土的造價(jià)，同時(shí)還提高自密實(shí)混凝土的各項(xiàng)性能，符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，利用恰當(dāng)會(huì)產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但是傳統(tǒng)摻合料，如粉煤灰，硅灰等，由于需求量越來(lái)越大，其產(chǎn)量已不能滿足工程需要。天然火山灰質(zhì)材料的研究尚未成熟，開(kāi)發(fā)新型摻合料已是一個(gè)迫在眉睫的問(wèn)題。

從國(guó)內(nèi)外近年來(lái)對(duì)不同內(nèi)摻材料自密實(shí)混凝土的研究現(xiàn)狀可以看出，研究人員主要集中于研究?jī)?nèi)摻材料對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響，而對(duì)內(nèi)摻材料自密實(shí)混凝土的抗碳化、微裂縫、抗腐蝕性和自收縮性的研究較少，對(duì)內(nèi)摻材料的復(fù)合效應(yīng)研究也不夠深入，這些都是內(nèi)摻材料在自密實(shí)混凝土發(fā)展中需要解決的問(wèn)題。這些問(wèn)題一旦解決，自密實(shí)混凝土將有更加廣闊的應(yīng)用前景。

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Current Status of the Research on Self-compacting

Concrete with Different Admixtures

XIAOLiang-li,LIUHong-ming,LUOHeng

(School of Urban Construction,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430065,China)

Abstract:The different admixtures of self-compacting concrete influence not only the workability of fresh concrete but also the mechanical properties and durability of hardened concrete. The definition and characteristic of self-compacting concrete are briefly introduced. The development surveys of self-compacting concrete admixtures in recent years are discussed. The latest results of the property research on self-compacting concrete are summarized. On the basis,the research prospects of admixtures in self-compacting concrete are outlined.

Key words:

作者簡(jiǎn)介：肖良麗(1973-)，博士,副教授E-mail:xiaoliangli@wust.edu.cn

收稿日期：2015-10-09.

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.06.007