熊飛

（湖北正平水利水電工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司珠海分公司, 廣東 珠海 519000）

1 自密實(shí)混凝土實(shí)驗(yàn)

自密實(shí)混凝土是指依靠自身重力作用而不需要振搗即可均勻、密實(shí)地填充模板和包裹鋼筋的混凝土。自密實(shí)混凝土材料具有高流動(dòng)性、高耐久性、凝結(jié)時(shí)間短、體積收縮小、長距離泵送過程中不發(fā)生性能損失、易于施工的優(yōu)點(diǎn)，被越來廣泛應(yīng)用于在各類型的結(jié)構(gòu)工程中。

文章研究自密實(shí)混凝土在珠江三角洲水資源配置工程的應(yīng)用，建立的一套系統(tǒng)的、準(zhǔn)確的基于凈漿流變性及材料堆積特性的自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法；此設(shè)計(jì)流程便捷簡(jiǎn)單，在工程材料發(fā)生變化時(shí)仍然可以快速制備出滿足工作性能要求的自密實(shí)混凝土。盾構(gòu)隧洞外襯采用預(yù)制鋼筋混凝土管片，管片內(nèi)側(cè)隧洞上部240°沿隧洞方向鋪設(shè)新型復(fù)合排水板，內(nèi)襯采用鋼管，內(nèi)襯鋼管與排水板之間填充自密實(shí)混凝土，自密實(shí)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。

2 自密實(shí)混凝土（SCC）原材料要求

2.1 水泥

宜使用普通硅酸鹽水泥，其性能指標(biāo)應(yīng)符合規(guī)定。不宜選用早強(qiáng)水泥，水泥的細(xì)度宜控制在400 m2/kg范圍之內(nèi)。

2.2 摻合料

宜使用摻合料，摻合料可單一品種摻加或多品種摻加，摻合料的種類宜為粉煤灰、石灰石粉。

粉煤灰：宜使用2級(jí)或1級(jí)粉煤灰作為摻合料，尤其是選用燒失量低的粉煤灰，其性能指標(biāo)應(yīng)符合規(guī)定。

石灰石粉：石灰石粉可外購或自產(chǎn)，其性能指標(biāo)應(yīng)符合石灰石粉性能要求的有關(guān)規(guī)定。

2.3 骨料

可使用天然砂或機(jī)制砂作為細(xì)骨料，其性能指標(biāo)應(yīng)符合規(guī)定，其中天然砂的含泥量和泥塊含量、有害物質(zhì)限量、堅(jiān)固性和壓碎指標(biāo)均應(yīng)按照不低于2 類砂的標(biāo)準(zhǔn)控制，機(jī)制砂MB 值應(yīng)不大于1.4且其石粉含量和泥塊含量按不低于2類砂的標(biāo)準(zhǔn)控制，且不具有堿活性。

宜使用碎石作為粗骨料，其性能指標(biāo)應(yīng)符合規(guī)定，其中針、片狀顆粒含量宜按1 類碎石控制，含泥量和泥塊含量，堅(jiān)固性指標(biāo)、壓碎指標(biāo)、吸水率等宜按不低于2類碎石的標(biāo)準(zhǔn)控制，用于加工粗骨料的巖的飽和抗壓強(qiáng)度不宜低于60 MPa，且不具有堿活性。

2.4 外加劑

應(yīng)使用聚羧酸鹽為主要原料的高性能減水劑，其性能指標(biāo)應(yīng)符合《混凝土外加劑》的有關(guān)規(guī)定。

3 自密實(shí)混凝土配合比要求

3.1 第一次測(cè)試

3.1.1 原材料性能

粉體材料密度：水泥的密度為3 170 kg/m3，粉煤灰的密度為2 530 kg/m3。細(xì)骨料特性：含水率3.12%，表觀密度2 620 kg/m3，含泥量0.23%。粗骨料特性：含水率0.63%，表觀密度2 740 kg/m3，含泥量1.45%。

3.1.2 配合比

第一次試驗(yàn)室測(cè)試配合為：水泥257 kg，粉煤灰204 kg，砂761 kg，石864 kg，水189 kg，外加劑7 kg。

3.1.3 流變性和強(qiáng)度

流變性和強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表1所示

表1 C30自密實(shí)混凝土第一次測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果表

3.1.4 說明

第一次試驗(yàn)室測(cè)試采用的是自行配制的聚羧酸外加劑；配合比為扣除含水率后的試驗(yàn)結(jié)果，即表中所有固體材料含水率視為0。

3.2 第二次測(cè)試

3.2.1 原材料性能

第二次測(cè)試的水泥、粉煤灰、細(xì)骨料與第一次測(cè)試時(shí)的性能相同，粗骨料特性為：含水率1.20%，表觀密度2 650 kg/m3，含泥量2.50%。

3.2.2 配合比

由于骨料含泥量過大，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)適配時(shí)流變性不滿足要求，將石子清洗、烘干后（含泥量為0），按照水泥257 kg，粉煤灰204 kg，砂761 kg，石864 kg，水189 kg，外加劑7.37 kg。

3.2.3 流變性

所得到的流變性結(jié)果如表2所示

表2 C30自密實(shí)混凝土第二次測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果表

3.2.4 說明

第二次試驗(yàn)室測(cè)試采用的是現(xiàn)場(chǎng)提供的聚羧酸外加劑。配合比為扣除含水率后的試驗(yàn)結(jié)果，即表中所有固體材料含水率視為0。施工單位在現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)第一次測(cè)試提供的配合比，應(yīng)對(duì)流變性能和強(qiáng)度進(jìn)行復(fù)核。

4 控制性指標(biāo)要求

4.1 自密實(shí)混凝土性能指標(biāo)

自密實(shí)混凝土的自密實(shí)性能應(yīng)采用坍落度、坍落擴(kuò)展度和V形漏斗通過時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)，試驗(yàn)檢測(cè)方法應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定，其自密實(shí)性能指標(biāo)應(yīng)符合表3的規(guī)定。

表3 自密實(shí)混凝土性能指標(biāo)表

4.2 長距離泵送性能指標(biāo)

針對(duì)長距離泵送自密實(shí)混凝土，當(dāng)自密實(shí)混凝土工作性能滿足如下指標(biāo)時(shí)，其泵送性能即為合格。具體指標(biāo)如表4所示。

表4 自密實(shí)混凝土泵送性能指標(biāo)表

4.3 硬化及耐久性能要求

4.3.1 早期強(qiáng)度要求

自密實(shí)混凝土28 d齡期的強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3.2 耐久性能要求

耐久性能應(yīng)遵循《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》SL191和《水利水電工程合理使用年限及耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》SL654關(guān)于耐久性的要求。

按照《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，不得采用堿活性骨料，不得采用受到海水作用的砂石，不得采用海水拌合，混凝土總堿含量小于3 kg/m3，最大氯離子含量小于0.06%（設(shè)計(jì)年限100年），最小水泥用量不低于300 kg/m3，最大水灰比不大于0.50。

4.4 自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)的要求

自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)應(yīng)采用體積法進(jìn)行，配合比設(shè)計(jì)報(bào)告中除應(yīng)說明原材料性能檢測(cè)情況、配制強(qiáng)度取值、設(shè)計(jì)配合比及其自密實(shí)性能和硬化性能檢測(cè)情況等，還應(yīng)說明原材料性能的正常波動(dòng)可能對(duì)自密實(shí)混凝土性能產(chǎn)生的影響以及相應(yīng)的調(diào)整方法和范圍。

5 自密實(shí)混凝土實(shí)驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

從物理本質(zhì)分析凈漿、砂漿流變性和自密實(shí)混凝土工作性能間的關(guān)聯(lián)，通過建立力學(xué)模型，提出一套基于凈漿流變性的自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。從而實(shí)現(xiàn)從凈漿層面對(duì)自密實(shí)混凝土的工作性能做出預(yù)測(cè)，形成便捷的、簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)流程，大大節(jié)約配制自密實(shí)混凝土的人力及時(shí)間成本；還可解決各標(biāo)段原材料差異性導(dǎo)致SCC工作性能發(fā)生變化的問題，且適用于機(jī)制砂的情況。具體提出的基于凈漿流變性及材料堆積特性的自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)如下。

第一步：設(shè)定粗骨料摻量；根據(jù)工程需求，設(shè)定每立方混凝土中粗骨料的摻量。

第二步：設(shè)定砂率（?）；砂率（?）是砂占砂漿的體積比，?可根據(jù)工程需求，進(jìn)行設(shè)定。

第三步：確定水粉比（VW/VP）、減水劑摻量（SP%），做凈漿試驗(yàn)；凈漿試驗(yàn)中需確定兩個(gè)參數(shù)，體積水粉比（VW/VP）和聚羧酸減水劑溶液相比于粉體質(zhì)量的摻量（SP%）。初始體積水粉比（VW/VP）根據(jù)水泥基本需水率以及工程所需水泥用量確定，初始減水劑摻量（SP%）可根據(jù)工程試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)以及廠家推薦選取。試驗(yàn)按照《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》的規(guī)定，用經(jīng)典的凈漿坍落度筒實(shí)驗(yàn)方法對(duì)水泥凈漿流動(dòng)性進(jìn)行測(cè)量。獲得凈漿擴(kuò)展度（SF）和凈漿擴(kuò)展度筒從開始提起到凈漿的擴(kuò)展度達(dá)到200 mm的時(shí)間（T200）。

根據(jù)凈漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果（SF＆T200）獲得凈漿的流變參數(shù)（τpaste和ηpaste），計(jì)算公式如下：

以上兩式中：τpaste是凈漿的屈服強(qiáng)度；ηpaste是凈漿的黏度；ρpaste是凈漿的密度；g 是重力加速度，取9.80 m/s2；Vcone和hcone分別為凈漿擴(kuò)展度筒的容積和筒的高度；SF 為凈漿的擴(kuò)展度；SFpres為凈漿擴(kuò)展度達(dá)到某一設(shè)定值，根據(jù)前人的研究，設(shè)定為200 mm；T200為凈漿擴(kuò)展度筒從開始提起到凈漿的擴(kuò)展度達(dá)到200 mm 的時(shí)間；slump 為擴(kuò)展度達(dá)200 mm 時(shí)的坍落度，為定值；系數(shù)λ為考慮擴(kuò)展度板表面張力的修正系數(shù)，此研究中，擴(kuò)展度板材料為玻璃板，λ取值0.000 5。

第四步：根據(jù)提出的基于凈漿流變性，及材料堆積特性的自密實(shí)混凝土配合比，設(shè)計(jì)流變模型計(jì)算凈漿對(duì)應(yīng)的閾值。

閾值計(jì)算公式如下：

上式中：τpaste是凈漿的屈服強(qiáng)度；ηpaste是凈漿的黏度；τpaste，threshold是凈漿的屈服強(qiáng)度閾值，ηpaste，threshold是凈漿的黏度閾值；ρmortar是砂漿的密度；g是重力加速度，取9.80 m/s2；δmortar是砂漿膜厚；△ρ是砂漿和石子的密度差；a 和b 分別取2r 和0.90 r，r 為石子的平均半徑；經(jīng)驗(yàn)系數(shù)n取4.20；特征黏度系數(shù)［n］取2.50；?是真實(shí)砂率；?max是理想最大砂率，dmin和dmax分別為砂的最小和最大粒徑。

SCC中的砂漿一部分填充粗骨料空隙，這部分砂漿的體積等于粗骨料空隙體積（Vvoid），另一部分砂漿在石子外部形成等厚的砂漿膜（δmortar），其體積被稱作剩余砂漿體積（Vexc），兩部分砂漿體積之和記作Vmortar。據(jù)此，可以計(jì)算出砂漿膜厚（δmortar）；石子平均半徑r根據(jù)石子篩分粒徑結(jié)果計(jì)算；δmortar和r計(jì)算公式如下：

上式中：Vvoid為疏松堆積石子空隙體積；VG是每立方混凝土中石子的體積；ρG是石子表觀密度；ρ'G是石子堆積密度，Vexc是剩余砂漿體積；Vmortar為每立方混凝土中砂漿的體積；r為石子平均半徑；Di為第i級(jí)石子的篩分粒徑，如5 mm、20 mm等，取相鄰兩個(gè)篩分粒徑的幾何平均數(shù)，ai%為第i級(jí)石子占總石子的質(zhì)量百分比。

第五步：將凈漿的流變參數(shù)（τpaste和ηpaste）與對(duì)應(yīng)的凈漿閾值（τpaste，threshold、ηpaste，threshold）進(jìn)行比較；具體的，基于閾值理論判定準(zhǔn)則，預(yù)測(cè)合格的SCC（SF≥600mm，VF 介于5-25s），其對(duì)應(yīng)的凈漿流變參數(shù)（τpaste和ηpaste）需要同時(shí)滿足：τpaste≤τpaste，threshold；ηpaste≥ηpaste,threshold。如果這兩個(gè)準(zhǔn)則同時(shí)滿足，則基于凈漿流變性預(yù)測(cè)的該組SCC 工作性能合格，可以進(jìn)行SCC 試配及驗(yàn)證，如不滿足，則進(jìn)行第四步。

第六步：基于判定結(jié)果進(jìn)行調(diào)整；若τpaste＞τpaste，threshold，可增大減水劑摻量；如ηpaste＜ηpaste，threshold，可以減小水粉比。根據(jù)調(diào)整后的水粉比和減水劑摻量進(jìn)行凈漿試驗(yàn)，重復(fù)步驟三—六。

配合比設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 配合比設(shè)計(jì)流程圖

6 結(jié) 語

綜上所述，通過珠江三角洲水資源配置工程高強(qiáng)自密實(shí)混凝土實(shí)驗(yàn)可知：自密實(shí)混凝土的實(shí)驗(yàn)試配是自密實(shí)混凝土應(yīng)用前最重要、最基礎(chǔ)的技術(shù)準(zhǔn)備工作，它直接關(guān)系到實(shí)際施工質(zhì)量，是自密實(shí)混凝土工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。自密實(shí)混凝土的配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)需要科學(xué)選配原材料，其中粗細(xì)集料都有明確的規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)，也要選擇合適的減水劑作為外加劑，以確?；炷临|(zhì)量達(dá)到最優(yōu)。