耿飛 ，林輝 ，桂敬能 ，周利睿 ，李進 ，4，朱玉翔 ，高培偉

（1.南京航空航天大學 航空宇航學院，江蘇 南京 210016；2.東南大學 土木工程學院，江蘇 南京 210096；3.無錫市墻材革新和散裝水泥辦公室，江蘇 無錫 214001；4.連云港石化產業(yè)園有限公司，江蘇 連云港 222065）

0 引言

建筑產業(yè)化已經成為當下建筑業(yè)發(fā)展的趨勢和必然[1－2]，其中較理想的住宅體系有裝配式（Precast Concrete，PC結構）住宅體系和SI住宅體系（SI體系，即結構部分Skeleton和配套裝修部分Infill分離的建造體系）。2010年住房和城鄉(xiāng)建設部住宅產業(yè)化促進中心發(fā)布了《關于印發(fā)＜CSI住宅建設技術導則＞（試行）的通知》，首次在國家層面明確提出了將支撐體部分和填充體部分相分離的住宅建筑體系，這是國家推進建筑產業(yè)化的重大變革和導向。2013年江蘇省政府辦公廳印發(fā)的《江蘇省綠色建筑行動實施方案》（蘇政辦發(fā)[2013]103號），要求深入推進節(jié)約型城鄉(xiāng)建設，推行新型建筑工業(yè)化。2017年由江蘇省住建廳、發(fā)改委、經信委、環(huán)保廳和質監(jiān)局聯(lián)合印發(fā)的《關于在新建建筑中加快推廣應用預制內外墻板預制樓梯板預制樓板的通知》（蘇建科[2017]43號）中，對鼓勵采用預制外墻板提出了具體要求，勢必極大地推動預制外墻板的生產和工程應用。

預制混凝土外墻板可用于承重或非承重結構，通過夾芯或填充低密度保溫材料亦可實現(xiàn)結構自保溫，在裝配式建筑外圍護結構部品中占有較大的比重[3－4]。預制外墻板常采用流動性混凝土，通過模筑振動成型。在生產過程中容易因過振而產生泌水和離析，影響混凝土的表觀質量，增大板面開裂的風險，且模板及附屬設施會產生較大的松動和變形。同時，振動噪聲對周邊環(huán)境不友好，影響操作人員的身心健康。自密實混凝土是在自身重力作用下流動并密實，無需振搗即可獲得良好的均質性，在諸多復雜結構中應用較為廣泛[5－6]。然而，自密實混凝土配制時往往膠凝材料用量多、砂率大，并摻用超塑化劑，收縮開裂的風險相對較大，很少用于壁薄面大的預制外墻板。

本研究基于微膨脹和界面強化技術，摻用復合外加劑（減水劑、消泡劑和膨脹劑）和活性無機礦物，進行建筑外墻板用自密實混凝土的配制，測試混凝土的物理力學性能及微觀結構特征，為其工業(yè)化生產應用奠定技術基礎。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：海螺牌P·Ⅱ42.5R，3 d和28 d抗壓強度分別為24.0 MPa和 45.3 MPa，3 d和 28 d抗折強度分別為 4.4、7.0 MPa，比表面積為380 m2/kg，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》技術要求；粉煤灰：南京熱電廠產Ⅰ級粉煤灰，7 d和28 d活性指數(shù)分別為86.0%和109.1%；礦粉：S95級，流動度比為102%，7 d和28 d活性指數(shù)分別為87.0%和105.0%；石子：5～20 mm連續(xù)級配玄武巖碎石；砂：河砂，細度模數(shù)為3.0，含泥量小于1.0%；減水劑：浙江某公司生產的保坍緩釋型聚羧酸減水劑，減水率大于25%，固含量約14.6%；消泡劑：上海巴斯夫公司生產的421型消泡劑；膨脹劑：武漢某建材有限公司生產的硫鋁酸鹽－氧化鈣類膨脹劑，比表面積為295 m2/kg，內摻長度12 mm的聚丙烯纖維，在水中7 d和空氣中28 d的限制膨脹率分別為0.085%和0.014%；鋼纖維：微細短切鋼纖維，長度 12 mm，直徑 200 μm，彈性模量＞210 GPa。

1.2 試驗配合比

參照JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規(guī)程》和全計算法[7]進行建筑外墻板用C50自密實混凝土配合比的初步計算，并根據(jù)試配結果對計算配合比進行了微調，確定了基礎配合比。其總膠凝材料用量為480 kg/m3，水膠比為0.29，砂率為42.2%，集灰比為3.6，摻合料占總膠凝材料用量的25%，礦粉與粉煤灰的質量比為1∶1（見表1中的SCB25組）；膨脹劑以內摻的方式等量取代摻合料（見表1中的SCB25EA組）；為保持自密實混凝土的流動性和填充性，微細短切鋼纖維的摻量定為30 kg/m3。為控制好自密實混凝土的表觀質量，減少氣孔，在減水劑中復摻0.07%（質量比）左右的消泡劑。

表1 自密實混凝土的試驗配合比 kg/m3

1.3 試驗方法

自密實混凝土工作性能試驗按照JGJ/T 283—2012進行，采用坍落度法測試自密實混凝土拌合物坍落擴展度與T500，測試時一次性使混凝土拌合物均勻填滿坍落度筒，且不得振搗?；炷量箟簭姸仍囼瀰⒄誈B/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行。干縮試驗參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行，將新拌混凝土澆入高度400 mm的無蓋鋼筒中，24 h后開始測試其不同齡期的高度變化。微觀結構分析（SEM）采用日本電子光學公司JSM－5600LV型掃描電鏡，將混凝土樣品烘干至恒重后用酒精浸泡，中止水化48 h后烘干并密封保存以進行微觀測試分析。

2 試驗結果與分析

2.1 自密實混凝土的工作性能

自密實性能包括填充性、間隙通過性與抗離析性，不僅與混凝土的施工性能密切相關，也影響著混凝土微觀結構的發(fā)展和勻質性，從而影響到混凝土的耐久性與變形性能。自密實混凝土使用了大量的膠凝材料，若僅用水泥作為膠凝材料，容易導致混凝土早期水化熱多、硬化收縮大以及耐久性差等缺陷。在自密實混凝土中添加礦物摻合料，合理搭配膠凝材料，不僅能夠改善其工作性能，還可以發(fā)揮出礦物摻合料的物理效應、填充效應和火山灰效應，形成密實均勻的結構，并提高自密實混凝土的耐久性能。4組自密實混凝土的工作性能見表2，初始的工作狀態(tài)見圖1。

表2 自密實混凝土的工作性能

圖1 自密實混凝土的工作狀態(tài)

由表2和圖1可見，摻總量為25%的復合摻合料（SCB25組）時，混凝土的坍落擴展度和擴展速率良好，粉煤灰與礦粉的雙摻效應體現(xiàn)[8]。摻膨脹劑后新拌混凝土（SCB25EA）的擴展度有所降低，其主要原因在于：一是膨脹劑的快速水化反應導致漿體內部粘聚力增強，二是膨脹劑中復摻細小聚丙烯纖維增大了內摩擦力；通過適量調整減水劑摻量或保坍組分用量，可以改善摻膨脹劑混凝土的自密實性能[9]。微細鋼纖維會在混凝土拌合物中形成三維的亂向支撐，加劇漿體的流動阻力，在一定程度上降低自密實性能，需要控制適宜的摻量。在本研究條件下，鋼纖維摻量在30 kg/m3時，混凝土的自密實性能良好。

2.2 自密實混凝土的力學性能

4組自密實混凝土的7 d和28 d抗壓強度見圖2。

圖2 自密實混凝土的抗壓強度

從圖2可以看出，在總膠凝材料用量為480 kg/m3時，用30 kg/m3膨脹劑等量取代粉煤灰和礦粉，或者摻入30 kg/m3的微細鋼纖維，對自密實混凝土的抗壓強度影響不大，7 d強度在40.0～46.0 MPa，相對SCB25組的變化幅度小于5%；28 d強度在61.0～68.0 MPa，相對SCB25組的變化幅度小于10%，滿足C50自密實混凝土的強度要求。

2.3 自密實混凝土的干縮性能

4組自密實混凝土的干燥收縮試驗結果見圖3。

圖3 自密實混凝土的干燥收縮

由圖3可見，在幾乎絕濕的密封環(huán)境下，4組自密實混凝土出現(xiàn)不同程度的收縮。摻入鋼纖維和膨脹劑后，自密實混凝土的干縮均明顯減小，單摻鋼纖維、單摻膨脹劑、復摻鋼纖維和膨脹劑試樣的平均減幅分別為41.5%、66.1%、75.4%。膨脹劑在自密實混凝土中遇水生成大量膨脹結晶水化物，使混凝土產生適度膨脹，在邊界條件約束下，可在結構中建立0.2～0.7 MPa預壓應力，從而抵消混凝土在硬化過程中產生的收縮拉應力，并推遲收縮的產生過程，防止或減少混凝土收縮開裂。

2.4 自密實混凝土的微觀結構

為觀測自密實混凝土的微觀結構，將標準養(yǎng)護28 d的試件敲碎，加工成尺寸約為10 mm×10 mm×5 mm的長方體，同時含有集料和漿體，并盡量使骨料界面位于試件的中心。摻25%摻合料、30 kg/m3膨脹劑以及膨脹劑和微細鋼纖維復摻的自密實混凝土的微觀結構如圖4所示。

從圖4可以看出，養(yǎng)護28 d時粉煤灰球狀玻璃體的表面附有水化產物，但產物數(shù)量并不是很多，后期水化將進一步密實混凝土結構，改善自密實混凝土的力學性能和耐久性[10]。膨脹劑摻入后反應生成的針狀AFT填充漿體孔隙，減少混凝土基體的原始缺陷；特別是在復摻鋼纖維以及有模板約束的情況下，混凝土內部會產生膨脹壓應力，使水化產物填充間隙，增加基體密實度，從而改善自密實混凝土的力學性能和耐久性能。

圖4 自密實混凝土的微觀結構

3 自密實混凝土用于外墻板的澆注成型

試驗選用的建筑外墻板截面構造如圖5所示。所澆注的試件長度為1000 mm、寬度為600 mm、厚度為200 mm、肋厚15 mm、最小壁厚25 mm，其中半圓形和矩形為輕質保溫填充材料。

圖5 外墻板的截面構造

選用表1中B25SFEA組的配合比，采用平模澆注方法，并在鋼模表面涂刷有機硅脫模劑。養(yǎng)護24 h后脫模，發(fā)現(xiàn)混凝土在墻板肋和壁處的填充性較好，墻板表面略有微小氣孔，總體表觀質量良好（如圖6所示）。

圖6 外墻板的表觀質量

4 結論

（1）通過對自密實混凝土膠凝材料用量、水膠比、砂率以及外加劑的合理優(yōu)化，在單摻膨脹劑及復摻微細鋼纖維的情況下，自密實混凝土均具有良好的工作性能，可滿足免振搗的施工要求。

（2）膨脹劑和鋼纖維對自密實混凝土抗壓強度的影響不大，但可明顯改善混凝土的干縮性能，顯著降低薄壁結構的開裂風險；同時可減少混凝土的基本缺陷，改善其微觀結構。

（3）配制的自密實混凝土能較好地填充外墻板的模板，施工便捷，可避免因成型時振動所產生的負面效應。