朱慧娟 何春保

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院）

0 引言

自密實(shí)混凝土（Self-Compacting Concrete，簡稱S），始于1988 年日本東京大學(xué)岡村甫教授研制成功的一種高性能混凝土，其新拌混凝土具有高流動(dòng)性，均勻性和穩(wěn)定性，能在無振搗或少量振搗的情況下依靠自重作用勻質(zhì)流動(dòng)并充滿模板的空間，硬化后混凝土能滿足工程的力學(xué)性和耐久性的要求[1]。自密實(shí)混凝土拌合物的特點(diǎn)是高流動(dòng)性而無離析，而流動(dòng)性和抗離析性是相互矛盾的，因此自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是使原材料參數(shù)和工程需求的強(qiáng)度、耐久性等性質(zhì)間的矛盾得到統(tǒng)一，如達(dá)到用水量、外加劑用量和流動(dòng)性、抗離析性的平衡[2]。自密實(shí)混凝土成型原理是通過外加劑(包括減水劑、超塑劑、穩(wěn)定劑等)、膠結(jié)材料和粗細(xì)骨料的選擇與搭配，以及配合比的精心設(shè)計(jì)，使混凝土拌合物在屈服剪應(yīng)力減小到適宜范圍內(nèi)的同時(shí)，又具有足夠的塑性粘度，使骨料懸浮于水泥漿中，不出現(xiàn)離析和泌水的現(xiàn)象[3]。

現(xiàn)有研究[4，5]表明，影響混凝土抗壓強(qiáng)度的主要參數(shù)為：水泥強(qiáng)度等級(jí)、水膠比、膠凝材料用量、粉煤灰摻量、骨料體積含量、粗骨料品種。周朋[6]等通過研究發(fā)現(xiàn)，水膠比的增大會(huì)增多混凝土內(nèi)部孔隙數(shù)量，顯著降低混凝土的抗壓強(qiáng)度，但較大的水膠比又能夠增強(qiáng)局部的水泥水化反應(yīng)。陳守開[7]等研究發(fā)現(xiàn)再生骨料透水混凝土水膠比與孔隙率呈指數(shù)變化關(guān)系，與抗壓強(qiáng)度呈線性反相關(guān)關(guān)系；在確定水膠比下，摻入粉煤灰會(huì)降低再生骨料透水混凝土強(qiáng)度。戴雄[8]研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰摻入會(huì)不同程度的降低混凝土早期強(qiáng)度，但后期強(qiáng)度不會(huì)降低而略有上升。孫家國[9]等研究表明，隨著粉煤灰取代率（混凝土中粉煤灰摻加量取代水泥的百分率）的增加，混凝土的流動(dòng)性逐漸提高，而抗壓強(qiáng)度呈逐漸降低的趨勢(shì)，而粉煤灰取代率高于一定范圍時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度會(huì)呈明顯下降趨勢(shì)。對(duì)于自密實(shí)混凝土，崔俊[10]等研究發(fā)現(xiàn)隨著齡期增加，粉煤灰的火山灰活性作用逐漸明顯，水化反應(yīng)生成的水化硅酸凝膠會(huì)逐漸填充孔隙，有效提高了自密實(shí)混凝土的界面黏結(jié)力，從而促進(jìn)自密實(shí)混凝土后期強(qiáng)度的增長。綜上所述，水膠比和粉煤灰摻量對(duì)自密實(shí)混凝土強(qiáng)度是有顯著影響的，是其配合比的關(guān)鍵參數(shù)。

目前，國內(nèi)研究水膠比和粉煤灰摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響主要集中在混凝土強(qiáng)度隨各種參數(shù)的變化規(guī)律上，鮮少有報(bào)道水膠比和粉煤灰對(duì)自密實(shí)混凝土強(qiáng)度的具體變化數(shù)據(jù)。結(jié)合研究生教學(xué)和科技創(chuàng)新項(xiàng)目開展，本文設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度為35～45MPa，選取水膠比和粉煤灰摻量為變量，分別配制自密實(shí)混凝土與普通混凝土，并對(duì)其工作性和強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)豐富自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)，研究自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度與其水膠比、粉煤灰摻量的相互關(guān)系等，具有重要的意義。

1 設(shè)計(jì)要求

為保證其良好的流動(dòng)性和粘聚性，自密實(shí)混凝土配合比中粉體含量往往較高。而隨著粉體材料比例增大，混凝土收縮量增加。在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料約束混凝土柱中一般使用抗壓強(qiáng)度為30～40MPa 流動(dòng)性較好的普通混凝土（不摻粉煤灰）與自密實(shí)混凝土（高摻量粉煤灰）。為研究自密實(shí)混凝土自收縮產(chǎn)生的力學(xué)影響，根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2002），本文試配出立方體抗壓強(qiáng)度為35～45MPa 的普通混凝土和自密實(shí)混凝土，并研究水膠比對(duì)自密實(shí)混凝土強(qiáng)度和粉煤灰摻量對(duì)自密實(shí)混凝土早期強(qiáng)度影響。其中普通混凝土的坍落度為75mm～90mm，自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度性能等級(jí)為SF1 即550mm～650mm 范圍，以滿足應(yīng)用于構(gòu)件截面較小或鋼筋較密的混凝土結(jié)構(gòu)物的工程中。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)材料

⑴水泥：試驗(yàn)采用普通硅酸鹽水泥（P·O42.5）其各項(xiàng)性能符合《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）；

⑵粗骨料：試驗(yàn)采用的瓜米石，最大粒徑不大于10mm，含水率為0.002；

⑶細(xì)骨料：試驗(yàn)采用中粗砂，粒徑級(jí)配為2mm～5mm，含水率為0.004；

⑷減水劑：試驗(yàn)采用MasterGlenium SKY 8860 高性能減水劑；

⑸粉煤灰：試驗(yàn)采用Ⅱ級(jí)粉煤灰。

原材料表觀密度如表1 所示。

2.2 試驗(yàn)配合比

表1 混凝土原材料的表觀密度

依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55—2011）和《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 283—2012）。本文設(shè)計(jì)了2 組普通混凝土配合比（不摻粉煤灰）和4 組自密實(shí)混凝土配合比（粉煤灰摻量為0.3～0.46），各組配合比的水膠比均不同，調(diào)整砂率以滿足流變性能，最后的抗壓強(qiáng)度需要達(dá)到設(shè)計(jì)要求，即標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度為35～45MPa。具體混凝土配合比設(shè)計(jì)方案見表2，其中C 表示普通混凝土，S 表示自密實(shí)混凝土，字母后面的數(shù)字1～4 表示混凝土的組次。

2.3 試驗(yàn)過程

試件尺寸統(tǒng)一采用150mm×150mm×150mm 的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，每組6 個(gè)強(qiáng)度試件，根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080—2002），用坍落度和坍落擴(kuò)展度來分別測(cè)定普通混凝土和自密實(shí)混凝土拌合物的流動(dòng)性，如圖1 和圖2 所示。試件24h 脫模后，淋水養(yǎng)護(hù)，直至7 天和28 天齡期后分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)立方體混凝土試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以每組三個(gè)試件的7 天和28 天的平均抗壓強(qiáng)度為強(qiáng)度性能指標(biāo)，如圖3 所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 強(qiáng)度預(yù)測(cè)

本次試驗(yàn)中，分別在7 天和28 天齡期檢測(cè)到6 種不同配合比混凝土試件的標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度值，其中S-3 組試件在28 天齡期間受到損壞，利用在砂率和膠凝材料不變或極為相似的情況下，混凝土強(qiáng)度與水膠比、膠凝材料實(shí)際強(qiáng)度等因素之間的線性經(jīng)驗(yàn)公式[11]，參考S-1 和S-2 的配合比參數(shù)，對(duì)S-3 組的28 天抗壓強(qiáng)度值進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)：

表2 混凝土配合比設(shè)計(jì) (kg/m3)

圖1 普通混凝土坍落度測(cè)量

圖2 自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度測(cè)量

圖3 標(biāo)準(zhǔn)立方體混凝土試塊抗壓試驗(yàn)

利用公式（1）對(duì)S-1 和S-2 組混凝土試件28 天強(qiáng)度進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果表明28 天強(qiáng)度預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差控制在1%以下，混凝土強(qiáng)度與水膠比呈明顯正線性關(guān)系。將S-3 組的水膠比代入公式（1）中，預(yù)測(cè)S-3 組混凝土試件28 天的抗壓強(qiáng)度為37.04MPa。

C-1、C-2、S-1、S-2、S-3 和S-4 共5 組混凝土試件的7 天和28 天齡期抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值及S-3 組混凝土的7 天齡期強(qiáng)度實(shí)測(cè)值和28 天齡期強(qiáng)度預(yù)測(cè)值如表3 所示。其中C-2 組的28 天齡期試件受到輕微破壞，強(qiáng)度值受到影響。

3.2 抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析

根據(jù)表2 和表3 的數(shù)據(jù)繪制圖4 自密實(shí)混凝土的標(biāo)準(zhǔn)立方體強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系曲線、圖5 各齡期的S-1、S-2 和S-3 組試件水膠比與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線和圖6 試件粉煤灰摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度比的影響曲線。強(qiáng)度比是指同種配合比試件中7 天齡期與28 天齡期的抗壓強(qiáng)度之比。

⑴自密實(shí)混凝土在各齡期的抗壓強(qiáng)度隨著水膠比降低而增大。

圖4 中，在28 天抗壓強(qiáng)度時(shí)，水膠比每降低1%，自密實(shí)混凝土試件平均升幅2.6%。原因是在膠凝材料用量相同的條件下，混凝土的強(qiáng)度主要取決于水膠比，低水膠比的混凝土拌合物游離水分少，一方面減小了骨料顆粒間的空隙，另一方面減少了拌合物硬化后留下的氣孔或通道，提高了混凝土的密實(shí)度，從而提高了混凝土抵抗荷載的有效斷面，強(qiáng)度因而顯著提高。

表3 抗壓強(qiáng)度結(jié)果

圖4 自密實(shí)混凝土強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系曲線

⑵隨著水膠比的降低，自密實(shí)混凝土強(qiáng)度的增大幅度在減少。

在圖5 的7 天抗壓強(qiáng)度曲線中，水膠比在0.46～0.42 時(shí)，自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度平均上升8.03%；水膠比在0.43 到0.42，抗壓強(qiáng)度平均上升2.16%。這主要是當(dāng)水膠比過小時(shí)，用水量減少，混凝土拌合物會(huì)干稠，流動(dòng)度大大降低，水泥不易與水充分水化，水化產(chǎn)物生成量增長速率減緩，混凝土強(qiáng)度增加減緩。

圖5 水膠比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

⑶粉煤灰摻量會(huì)不同程度地影響混凝土的早期強(qiáng)度。

由圖6 可知，隨著粉煤灰摻量的增加，試件的強(qiáng)度比先是緩慢上升，然后大幅度下降。粉煤灰摻量在0～0.3 內(nèi)，混凝土強(qiáng)度比在0.8 以上；當(dāng)超過0.3 時(shí)，隨著摻量增加1%，混凝土強(qiáng)度比平均下降幅度為1.19%。粉煤灰摻量過大的混凝土早期強(qiáng)度較低的原因是粉煤灰活性較低，水泥水化反應(yīng)生成的Ca(OH)2與粉煤灰中的SiO2、Al2O3等發(fā)生二次水化生成了水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，水化產(chǎn)物填充顆粒間空隙，但粉煤灰水化反應(yīng)速率很低，研究表明[12]摻粉煤灰的混凝土在180 天時(shí)約有20%粉煤灰參與二次水化反應(yīng)，混凝土強(qiáng)度增長速率極為緩慢，導(dǎo)致粉煤灰摻量較高的試件早期強(qiáng)度均較低的現(xiàn)象。

圖6 粉煤灰摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度比的影響

4 結(jié)語

根據(jù)以上研究生創(chuàng)新試驗(yàn)，得到水膠比對(duì)自密實(shí)混凝土強(qiáng)度和粉煤灰摻量對(duì)自密實(shí)混凝土早期強(qiáng)度影響如下：

⑴根據(jù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度35～45MPa，配合比選用普通混凝土的水膠比為0.49，自密實(shí)混凝土水膠比為0.43，粉煤灰比例為0.46；

⑵隨著水膠比降低，自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度增大，但增大的幅度在減少；

⑶粉煤灰添加會(huì)不同程度地影響混凝土的早期強(qiáng)度，當(dāng)摻量低于30%，對(duì)早期強(qiáng)度影響不明顯。