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自密實混凝土研究進
摘 要:評述了自密實混凝土在其設(shè)計方法與制備技術(shù)領(lǐng)域的研究進展。深入調(diào)查了自密實混凝土拌合物工作性的測試與評價方法及其應(yīng)用技術(shù)等方面的最新動態(tài)。綜合分析了自密實混凝土拌合物的流變特性、硬化后的性能及其微觀結(jié)構(gòu)特征。對自密實混凝土的設(shè)計原理、工作性測試評價方法及其工程應(yīng)用的發(fā)展前景進行了展望,指出了加強自密實混凝土施工質(zhì)量控制措施及其質(zhì)量保證體系研究的重要性。 關(guān)鍵詞:自密實混凝土;自密實性;設(shè)計方法;性能;應(yīng)用 中圖分類號:TU528 文獻標識碼:A 文章編號:0454–5648(2007)05–0671–08 自密實混凝土這一概念最早由日本學者Okamura 于1986 年提出[1]。隨后,東京大學的Ozawa等[2]開展了自密實混凝土的研究。1988 年,自密實混凝土第一次使用市售原材料研制成功,獲得了滿意的性能,包括適當?shù)乃艧?、良好的密實性以及其他性能。與普通混凝土相比,自密實混凝土具有以下性能特點[2]:(1)在新拌階段,不需人工額外振搗密實,依靠自重充模、密實。(2)早齡期階段,避免了原始缺陷的產(chǎn)生。(3)硬化后,具有足夠的抗外部環(huán)境侵蝕的能力。 近20 年來,由于自密實混凝土的優(yōu)越性,自密實混凝土的研究與應(yīng)用實踐在世界范圍內(nèi)廣泛展開[3–9]。中南大學等單位于2005 年5 月26~28 日在湖南長沙主辦了我國第一次自密實混凝土技術(shù)方面的國際研討會(1st International Symposium on Design,Performance and Use of Self-Consolidating Concrete,SCC′2005–China)。 為促進我國自密實混凝土技術(shù)的發(fā)展,綜合評述了自密實混凝土的設(shè)計方法與配制技術(shù)、拌合物性能與硬化性能及其工程應(yīng)用等方面的研究進展,并對其未來的發(fā)展與應(yīng)用前景進行了展望。 1 自密實混凝土的設(shè)計方法與制備技術(shù) 1.1 設(shè)計方法及原理 混凝土設(shè)計是指確定其合適的原材料組成及其比例,使其達到預定目標性能的設(shè)計方法。與普通混凝土相比,自密實混凝土的關(guān)鍵是在新拌階段能夠依靠自重作用充模、密實,而不需額外的人工振搗,也就是所謂的“自密實性(self-compactability)”,它包括流動性或填充性、間隙通過性以及抗離析性等3 個方面的內(nèi)容[2]。自密實混凝土拌合物的自密實過程可由圖1 表示,粗骨料懸浮在具有足夠粘度和變形能力的砂漿中,在自重的作用下,砂漿包裹粗骨料一起沿模板向前流動,通過鋼筋間隙、進而形成均勻密實的結(jié)構(gòu)。
自密實混凝土拌合物的自密實性,為硬化混凝土的性能提供了重要保證,因而,也是進行自密實混凝土設(shè)計的重要基礎(chǔ),已有的自密實混凝土設(shè)計方法大部分是根據(jù)這一原理發(fā)展的。日本東京大學最早進行了自密實混凝土的設(shè)計研究,提出了所謂自密實混凝土原型模型方法(prototype method)[1],后來日本、泰國、荷蘭、法國、加拿大、中國等國的學者進一步進行了自密實混凝土的設(shè)計方法研究[10–20],歸納起來可以分為三類: (1) 基于自密實混凝土拌合物的變形性、間隙通過性以及抗離析性的理論分析,結(jié)合實驗室試驗研究結(jié)果,建立拌合物變形性、抗離析性以及間隙通過性與其配合比參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系。如:日本學者Edanatsu 等[11]提出的基于砂漿變形及其與粗骨料之間相互作用的設(shè)計方法; 泰國學者Kasemsamrarm 等[12]基于自密實混凝土拌合物變形性、離析以及間隙通過性提出的設(shè)計方法等。 Edanatsu 等認為:砂漿的變形性能對自密實混凝土拌合物性能起關(guān)鍵作用,自密實混凝土拌合物中砂子與砂漿的體積比(VS/Vm)相對固定,然后基于普通混凝土配合比設(shè)計方法即可進行自密實混凝土設(shè)計,并研究提出了一種測定砂漿變形性能和粘度的V 形漏斗測定方法。這一模型比較簡單,操作簡便。 然而,這一設(shè)計方法理論依據(jù)不充分,實驗依賴性較強,而且對于粗骨料含量、性質(zhì)等參數(shù)對自密實混凝土拌合物性能的影響不明確。Kasemsamrarm 等[12]認為:自密實混凝土拌合物的自密實性取決其變形性、離析以及間隙通過性,其關(guān)鍵影響因素是拌合物的自由水含量、粉體與骨料的保水性以及固體顆粒的有效表面積,由此建立了這些參數(shù)與變形能力、變形速度、離析等之間的經(jīng)驗模型。由于混凝土拌合物體系組成非常復雜,很難用數(shù)學公式對其自由水含量、固體顆粒的有效表面積等參數(shù)進行精確量化,而且僅以泌水量反映拌合物的離析性能似乎缺乏足夠的說服力。 (2) 基于各組分對自密實混凝土拌合物工作性貢獻的理論分析提出的自密實混凝土設(shè)計方法。如:Sedran 等 [13]開發(fā)了可壓縮密實模型(compressiblepacking model, CPM);Oh 等[14]基于過剩漿體理論提出了過剩漿體層厚度與粘度系數(shù)、屈服剪切應(yīng)力經(jīng)驗關(guān)系的流變模型;Bui 等 [15]基于經(jīng)濟性、耐久性提出了最小漿體體積的自密實混凝土設(shè)計方法等。 Sedran 等提出的CPM 模型主要根據(jù)自密實混凝土拌合物流變性能與混合物體系密實度、超塑化劑等參數(shù)之間的理論分析,并考慮計算的精確性和快速化,開發(fā)了一套配合比設(shè)計軟件,其建立的模型如下兩式所示:
其中:μ ,τ 分別為粘度、屈服剪切應(yīng)力;a0,a,b,m 分別為與超塑化劑有關(guān)的常數(shù);Sp,Sp*分別為超塑化劑摻量及其飽和點摻量,下標p 表示超塑化劑;Ki 為與顆?;旌衔矬w系有關(guān)的密實指數(shù),di 為顆粒粒徑,下標i 表示第i 級尺寸的顆粒。 該模型采用計算機處理,大大減少了工作量。然而,該模型需要進一步建立混凝土拌合物的流變性能與實際工程應(yīng)用中工作性參數(shù)之間的聯(lián)系,以利于現(xiàn)場施工控制與應(yīng)用;而且,由于原材料參數(shù)的復雜性,需要建立適用于由更廣泛性質(zhì)原材料組成的混合物流變模型并考慮其變異性。 (3) 由于混凝土混合物組成的復雜性及其對混凝土拌合物性能的高要求,導致理論計算分析與模擬的不確定性和困難,因此,有關(guān)學者提出了基于大量試驗統(tǒng)計關(guān)系的自密實混凝土配合比設(shè)計方法[18],即:通過積累大量的實驗數(shù)據(jù),建立原材料配比參數(shù)與混凝土性能之間的經(jīng)驗關(guān)系。然而,此方法工作量非常巨大,需要進行大范圍的相關(guān)數(shù)據(jù)的收集累積,建立相關(guān)的數(shù)據(jù)庫,以提高模型的普適性。 綜上所述,由于已有的設(shè)計方法在全面反映自密實混凝土拌合物性能的真正內(nèi)涵及其在體現(xiàn)混凝土工作性、強度等級與耐久性之間的相互協(xié)調(diào)關(guān)系或是實用性等方面存在差距,目前還缺乏被廣泛認同接受的自密實混凝土設(shè)計方法。 1.2 配制技術(shù) 自密實混凝土原材料包括:粗細骨料、膠凝材料、超塑化劑等。為了獲得滿意的性能,必須采取相應(yīng)的技術(shù)途徑,對自密實混凝土進行精心設(shè)計,確定各特定性質(zhì)組成材料的合理比例。實踐表明:混凝土拌合物的性能取決于漿體和骨料的性質(zhì)與含量。當骨料性質(zhì)與含量一定時,優(yōu)化漿體的粘度、屈服剪切應(yīng)力,即可獲得滿意的拌合物工作性。 Okamura 等[1]認為:通過限制骨料的含量、選用低水膠比以及添加超塑化劑等措施,可使混凝土拌合物達到自密實性要求。Okamura 等為預拌混凝土工廠制定了如下配制自密實混凝土的技術(shù)原則:(1)混凝土中粗骨料占總骨料體積的50%;(2)細骨料占砂漿體積的40%左右;(3)水與膠凝材料體積比根據(jù)膠凝材料性質(zhì)調(diào)整,在0.9~1.0 之間;(4)依據(jù)拌合物的自密實性,確定超塑化劑的摻量和最終的水膠比。 隨著礦物摻合料、高分子聚合物合成技術(shù)及其在混凝土中的應(yīng)用技術(shù)進步,自密實混凝土已形成了三大配制技術(shù)途徑,即所謂的礦物摻合料(填料)體系、增稠劑體系以及兩者并用體系[21–23]?;瘜W外加劑對促進混凝土技術(shù)的發(fā)展起到了非常大的作用,其應(yīng)用潛力巨大,包括自密實混凝土在內(nèi)的混凝土外加劑的研制與應(yīng)用技術(shù)還有很大的發(fā)展空間。相信在不久的將來,自密實混凝土技術(shù)會取得更大的突破,配制技術(shù)、經(jīng)濟性不再成為其廣泛應(yīng)用的障礙,自密實混凝土將成為真正普遍應(yīng)用的“普通混凝土”。 2 自密實混凝土拌合物性能及其測試方法 2.1 自密實混凝土拌合物的流變性能 研究混凝土這類材料的流變性一般采用Bingham 模型,這個模型包括粘度系數(shù)μ 和屈服剪切應(yīng)力τ 兩個參數(shù)。對于特定骨料體系的自密實混凝土,其流變參數(shù)主要取決于漿體的流變性能。因而,礦物摻合料、化學外加劑等對混凝土流變性能影響較大,目前改善混凝土的流變性質(zhì)的主要技術(shù)途徑是摻加礦物粉體材料、超塑化劑以及增稠劑等[24–28]。為了測定混凝土的流變性能參數(shù),開發(fā)了不同的混凝土流變儀,然而,不同流變儀測得的參數(shù)并沒有可比性[29]。因而,必須開發(fā)具有普遍意義上的混凝土流變儀,以深入認識自密實混凝土的流變性能。 混凝土拌合物相對砂漿、水泥漿體體系更為復雜,而且與普通混凝土相比,自密實混凝土拌合物的流變性能要求更高,必須合理平衡其粘度和屈服剪切應(yīng)力值,才能使其達到所要求的“自密實”。因而,大部分學者從組成自密實混凝土的砂漿、水泥漿體的流變性能來研究自密實混凝土拌合物的流變特性[11,30–32]。Ouchi[32]研究認為:混凝土拌合物的自密實性主要與粗骨料占固體體積的比例、粗骨料級配、砂漿的變形性與粘度以及砂漿的壓力傳遞性能等5 個因素有關(guān)。 目前,有關(guān)自密實混凝土拌合物流變參數(shù)與其宏觀工作性參數(shù)之間相互關(guān)系等方面的成果還很少;而且,對于滿足“自密實性”的混凝土拌合物的粘度與屈服應(yīng)力值的取值范圍也不甚清楚,僅在Sedran 等[13]的論文中有一些介紹,認為μ,τ 分別小于等于200 Pa·s,400 Pa 時,混凝土拌合物具有良好的流動性和可泵性??偟膩碚f,采用混凝土拌合物的流變參數(shù)來指導其工程實踐還存在差距,其實用性需進一步研究。但無論如何,采用粘度、屈服剪切應(yīng)力兩個流變參數(shù)能真正全面表征自密實混凝土拌合物的流變特性,具有較強的理論意義。 2.2 自密實混凝土拌合物的工作性及其檢測評價 混凝土拌合物的工作性能與其工程應(yīng)用實踐存在直接聯(lián)系。因而,由于工業(yè)、工程應(yīng)用實踐等方面的相關(guān)需求,促使不少學者對自密實混凝土拌合物的工作性能開展了較為廣泛的研究,包括:工作性的影響因素、測試方法及其評價指標等。隨著自密實混凝土應(yīng)用領(lǐng)域的拓展,自密實混凝土工作性的檢測方法及其評價指標成為研究的焦點[3]。目前,國際上開發(fā)的相關(guān)測試方法[3,33–34]包括:坍落度與坍落擴展度試驗,Orimet 流速試驗,V 型漏斗試驗,J 環(huán)試驗,L 型儀試驗,U 型儀試驗,濕篩離析試驗(wet-sieving segregation test)和滲入試驗(penetrationtest)等。Bartos 等[3]對現(xiàn)有的各種測試方法進行了整體評價。然而,這些測試方法大部分僅僅來源于實驗室的結(jié)果,并沒有經(jīng)受廣泛的工程實踐的考驗。 因此,這些自密實混凝土拌合物性能測試方法還帶有明顯的局限意義,這也是至今為止開發(fā)這么多測試方法的原因。當前有關(guān)自密實混凝土拌合物性能的各種測試方法及其檢測性能指標如表1 所示。
如上所述,自密實混凝土拌合物工作性包含填充性、間隙通過性以及抗離析性能等3 方面。這3個方面的內(nèi)容是自密實混凝土拌合物流變特性的全面反映,缺一不可。然而,目前已開發(fā)的單一的拌合物性能測試方法僅能部分反映混凝土拌合物的流變性。因此,在全面評價自密實混凝土拌合物工作性時,必需采用2 種或以上測試方法(如表1 所示)。 實踐表明:已有的測試方法中在評價自密實混凝土填充性、間隙通過性方面,取得了較好的效果,獲得了較為一致的認同;而對于自密實混凝土的抗離析性能的測試評價實驗方法,還值得商榷和進一步改進,如這些已有的抗離析性測試方法只能反映靜態(tài)情況或僅反映拌合物在局部空間內(nèi)的豎向運動,不足以模擬實際情況。 因此,開發(fā)更加標準化、科學化以及實用化的自密實混凝土拌合物性能測試方法是這一研究領(lǐng)域追求的目標。 3 硬化自密實混凝土的性能 3.1 力學性能 硬化混凝土的性能取決于新拌混凝土的質(zhì)量、施工過程中振搗密實程度、養(yǎng)護條件及齡期等。自密實混凝土由于具有優(yōu)異的工作性能,在同樣的條件下,其硬化混凝土的力學性能將能得到保證。文獻[35]通過模擬足尺梁、柱構(gòu)件實驗研究表明:自密實混凝土表現(xiàn)出良好的勻質(zhì)性。采用自密實混凝土制作的構(gòu)件,其不同部位混凝土強度的離散性要小于普通振搗混凝土構(gòu)件。 在水膠比相同條件下,自密實混凝土的抗壓強度、抗拉強度與普通混凝土相似,強度等級相同的自密實混凝土的彈性模量與普通混凝土的相當[36]。 Holschemacher 等[37]通過拔出實驗,研究自密實混凝土中不同形狀鋼纖維的拔出行為發(fā)現(xiàn):由于自密實混凝土明顯改善了鋼纖維與基體之間的界面結(jié)構(gòu),使得自密實混凝土中鋼纖維的粘結(jié)行為明顯好于普通混凝土中的情況。另外,與相同強度的高強混凝土相比,雖然自密實混凝土與普通高強混凝土一樣呈現(xiàn)出較大的脆性,但自密實混凝土的峰值應(yīng)變明顯偏大,這表明自密實混凝土具有更高的斷裂韌性[38]。 3.2 長期耐久性能 隨著混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題的日益突出,自密實混凝土的長期耐久性能也成為關(guān)注的焦點。文獻[39–40]報道的結(jié)果表明:相同條件下,不管是引氣或非引氣自密實混凝土均具有更高的抗凍融性能。 文獻[41]報道的結(jié)果表明:通過模擬實際條件,采用干濕循環(huán)、毛細管吸附以及擴散試驗,混凝土的水灰比、水膠(水泥+填料)比是影響混凝土氯離子滲透深度的關(guān)鍵因素,自密實混凝土中氯離子的滲透深度要比普通混凝土的小。自密實混凝土由于含有更多的膠凝材料,導致其水化放熱增大,且最大放熱峰出現(xiàn)更早,填料(礦物摻合料)摻入后可以避免過大的水化放熱,但由于填料起到晶核作用而明顯影響自密實混凝土的水化過程[42]。 自密實混凝土由于漿體含量相對較多,因而其體積穩(wěn)定性成為關(guān)注的重點之一。Poppe 等[43]研究了密封與非密封條件下,不同自密實混凝土的徐變與收縮性能。結(jié)果表明:自密實混凝土的水灰比、水膠比是影響其收縮、徐變的主要影響因素,填料的細度對其收縮與徐變無顯著影響;水泥強度等級雖對其收縮無影響,但不可忽視其對自密實混凝土基本徐變和干燥徐變的影響作用。此外,環(huán)境條件對自密實混凝土的徐變變形影響顯著[44]。一般而言,自密實混凝土采用低水膠比以及較大摻量的礦物摻合料等合理的配合比設(shè)計,其體積穩(wěn)定性可以得到較好地控制。有關(guān)自密實混凝土的碳化、護筋性能等研究報道較少。 3.3 微觀結(jié)構(gòu) 混凝土組成是影響其微觀結(jié)構(gòu)的主要因素,而混凝土微觀結(jié)構(gòu)與其宏觀性能存在直接的相關(guān)性。Ye 等[45]比較了自密實混凝土、高性能混凝土以及普通混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明:自密實混凝土的總孔隙率、孔徑分布、臨界孔徑與高性能混凝土相似;而自密實混凝土中的氫氧化鈣含量明顯不同于高性能混凝土、普通混凝土。在高溫條件下,自密實混凝土的耐火性能比高性能混凝土更差,特別是溫度高于700 ℃以后,自密實混凝土的性能急劇下降。摻入聚丙烯纖維后,能夠提高自密實混凝土的抗火性能,改善其受火后的微觀結(jié)構(gòu)[46]。 Zhu 等[47]的研究表明:自密實混凝土中骨料與基體界面過渡區(qū)的寬度大約為30~40 μm,與普通混凝土基本相同。同時發(fā)現(xiàn),自密實混凝土中骨料上方界面過渡區(qū)與骨料下方界面過渡區(qū)的彈性模量幾乎相當。而普通混凝土中骨料上、下方界面過渡區(qū)的彈性模量則差別明顯。總之,自密實混凝土的具有更為密實、均一的微觀結(jié)構(gòu),這對于自密實混凝土的耐久性能具有重要意義。 4 自密實混凝土的應(yīng)用 自密實混凝土由于其優(yōu)異的性能特點,給其工程應(yīng)用帶來了極大的便利及廣闊的前景,特別是在一些截面尺寸小的薄壁結(jié)構(gòu)、密集配筋結(jié)構(gòu)等工程施工中顯示出明顯的優(yōu)越性?! omone[48]對1993~2003 年11 年間自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)特點進行了總結(jié)。目前,自密實混凝土已廣泛應(yīng)用于一些新建的大型建筑結(jié)構(gòu)、橋梁以及既有結(jié)構(gòu)的修復加固工程中。根據(jù)不同的實際工程需要,已成功開發(fā)了不同類型的自密實混凝土[6,9,49–51],如大體積自密實混凝土、補償收縮自密實混凝土、自密實鋼纖維混凝土、自密實輕集料混凝土、自密實再生骨料混凝土、自密實廢棄輪胎混凝土等。 針對自密實混凝土特殊性,文獻[52–53]對自密實混凝土施工過程中的模板壓力及其施工質(zhì)量保證措施進行了研究,從混凝土拌合過程、現(xiàn)場檢測項目、方法與頻度以及澆注等方面進行自密實混凝土施工過程控制。由于泵送壓力的作用,混凝土拌合物離析傾向加大,泵送施工過程中自密實混凝土的粘度必須合理控制,且應(yīng)隨泵送高度而變化。實踐表明[52]:當自密實混凝土泵送高度在40 m 以下,拌合物的V 形漏斗流出時間應(yīng)控制在10~20 s 之間,泵送高度大于40 m 時,V 形漏斗流出時間為20~30 s。然而,混凝土的實際施工過程是個復雜的系統(tǒng)工程,其性能不僅與自身的性質(zhì)相關(guān),而且與現(xiàn)場環(huán)境溫度、濕度條件密切聯(lián)系,必須根據(jù)實際工程綜合考慮。同時,現(xiàn)場施工技術(shù)人員在自密實混凝土施工方面的經(jīng)驗還相對缺乏。因此,必須加強施工過程中自密實混凝土性能的波動性及其質(zhì)量控制方面的探討,特別是自密實混凝土結(jié)構(gòu)實體性能與同條件混凝土試件性能之間關(guān)系等問題的研究。 此外,國外已有不少企業(yè)將自密實混凝土應(yīng)用于預制混凝土構(gòu)件的生產(chǎn)[5]。自1999 年以來,荷蘭已有20 多家企業(yè)采用自密實混凝土生產(chǎn)預制混凝土構(gòu)件,至2004 年其產(chǎn)量達8×105 m3。采用自密實混凝土生產(chǎn)預制混凝土制品,在構(gòu)件性能與外觀質(zhì)量以及綜合經(jīng)濟效益上具有較大的競爭力。 實踐表明,自密實混凝土的力學性能與普通混凝土相似,而其勻質(zhì)性、耐久性能則明顯優(yōu)于普通混凝土,這為自密實混凝土應(yīng)用的進一步拓展奠定了堅實基礎(chǔ)。顯然,自密實混凝土的應(yīng)用潛力非常巨大。 5 展 望 (1) 工作性是自密實混凝土的關(guān)鍵性能,如何量化和保證自密實混凝土拌合物性能一直是而且還將會是自密實混凝土研究的重點;開發(fā)更加標準化、科學化以及實用化的自密實混凝土拌合物性能測試方法是這一研究領(lǐng)域的目標。 (2) 進一步加強具有技術(shù)、實用及經(jīng)濟綜合效益的自密實混凝土的設(shè)計方法與配制技術(shù)研究,特別是針對工程中常用強度等級的混凝土,進一步研究普通(中等)強度等級的自密實混凝土的設(shè)計方法與配制技術(shù),開發(fā)中等強度等級的自密實混凝土,將有利于拓展自密實混凝土的工程應(yīng)用領(lǐng)域。 (3) 由于自密實混凝土在原材料組成等方面明顯不同于普通混凝土,進一步加強自密實混凝土(結(jié)構(gòu))的環(huán)境服役行為,如自密實混凝土的收縮開裂性能、自密實混凝土的抗碳化性能、護筋性能等耐久性方面的研究,將有利于確保自密實混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命。 (4) 加強施工過程中自密實混凝土性能的波動性及其施工質(zhì)量保證體系等方面的研究,調(diào)查自密實混凝土結(jié)構(gòu)實體性能與同條件混凝土試件性能之間關(guān)系等,將為自密實混凝土的施工質(zhì)量控制、促進自密實混凝土的工程應(yīng)用提供有力保證。 參考文獻: [1] OKAMURA Hajime, OUCHI Masahiro. 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原作者: 劉運華 謝友均 龍廣成 |
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