自密實高性能混凝土的研究與應用現狀

【摘 要】對自密實混凝土配制技術、拌合物工作性檢測方法與評價指標、硬化自密實混凝土性能、自密實混凝土結構受力性能研究以及自密實混凝土的工程應用進行了論述，并對自密實混凝土研究中存在的問題和研究情況進行了展望。

【關鍵詞】自密實混凝土；工作性能；力學性能；工程應用

1. 引言

自密實混凝土(Slef-Compacting Concrete，SCC)是一種新型高性能混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎上采用現代混凝土技術制作的混凝土。自密實混凝土拌合物具有良好的工作性、優異的抗離析性和即使在密集配筋條件下澆注時僅依靠混凝土自重作用無需振搗作業便能均勻密實填充模型。同時，在自密實混凝土配制技術中采用低水膠比和較大摻量礦物摻合料取代水泥，混凝土絕熱溫升低，混凝土界面過渡區強化，混凝土微觀結構致密。因此，自密實混凝土在滿足結構設計所要求的力學性能前提下，具有優異的施工性能、優良的耐久性合較低的綜合成本［1］。

自密實混凝土的主要優點有：(1) 可用于難以澆注甚至無法澆注的結構。 (2) 增加了結構設計的自由度。不需要振搗，可以澆注成形狀復雜、薄壁和密集配筋的結構。(3) 大幅降低工人勞動強度，節省人工數量。(4) 有效地提高了混凝土的品質，具有良好的密實性、力學性能和耐久性。(5) 降低環境噪聲，改善工作環境。(6) 能大量利用工業廢料做礦物摻合料，有利于環境保護。 (7) 施工自動化程度高，能促進工業化的施工與管理。(8) 節省電力能源。

因此，自密實混凝土技術在一些特殊工程、特殊條件下可發揮普通混凝土不可替代的作用。如：密集配筋條件下的混凝土施工、結構加固與維修工程中的混凝土施工、 鋼管混凝土施工和大體積混凝土施工等。

近二十年來，自密實混凝土在美國、日本、歐洲等發達國家和地區都得到了廣泛的應用。在將自密實混凝土投入到實際應用的同時，工程技術人員還對自密實混凝土的物理化學性能及力學性能作了大量的研究，研究成果被納入到了相應的設計施工指南和手冊中。我國不少高校、科研及施工單位對自密實混凝土也進行了大量的研究與應用工作，2005年由中南大學、福州大學牽頭在中國土木工程學會高強與高性能混凝土委員會指導下編制出版了中國土木工程學會標準《自密實混凝土設計與施工指南》（CCES02-2004）。同時為了研討當前推廣應用自密實混凝土所面臨的主要問題，國際間也開展了廣泛的學術交流。筆者對當前自密實混凝土的研究現狀與應用情況進行簡單論述。

2. 自密實混凝土配制技術、拌合物工作性檢測方法與評價指標

2.1 自密實混凝土配制技術。自密實混凝土配合比設計應根據原材料性能和混凝土技術要求，并考慮結構的構造尺寸和形式、鋼筋的大小及密集程度，進行初始配合比的計算，經過試驗室試配、調整后確定。自密實混凝土發展至今，形成了所謂粉體系、增粘劑系及并用系等三大系列配合比設計方法，國內外對自密實混凝土配合比計算方法也進行了大量的研究。

目前，用于自密實混凝土的外加劑還有研制和發展的空間，自密實混凝土用外加劑一般要滿足下面三個條件：在低水膠比的情況下，具有較高的分散效應；在自密實混凝土拌制完畢，這種分散效應至少保持2小時以上；對溫度變化的敏感性低。

2.2 自密實混凝土拌合物工作性能檢測方法與評價指標。自密實混凝土拌合物工作性包括填充性、間隙通過性、抗離析性。填充性即自密實混凝土拌合物在無需振搗的情況下，能均勻密實成型的性能。間隙通過性即自密實混凝土拌合物均勻通過狹窄間隙的性能。抗離析性即自密實混凝土拌合物中各種組分保持均勻分散的性能。

為了對自密實混凝土的工作性能進行評價，人們提出了很多種測試方法。目前國際上采用的測試方法有坍落擴展度試驗、V型漏斗試驗、L型儀試驗、U型或箱型試驗、GTM 篩穩定性試驗、Orimet流速儀法及貫入試驗，中南大學提出了拌合物穩定性跳桌試驗方法［1］。

到目前為止還沒有一種單一的方法或者是將兩種以上的方法結合使用得到大家的一致認同。因為還沒有任何一種單一的方法能全面反映自密實混凝土的工作性能，因此對于配合比設計時每一批混凝土的工作參數，都要用兩種以上的方法進行測試得到。

3. 硬化自密實混凝土性能

3.1 勻質性。

對足尺梁和柱的現場取芯、預埋件拔出試驗及回彈法試驗結果表明：對于梁而言，沿梁長無論是自密實混凝土還是普通振搗混凝土都表現出較好的勻質性；對于柱而言，沿柱高無論是自密實混凝土還是普通振搗混凝土，實測結果離散性都較大，相對而言，自密實混凝土離散性要小一些，越靠近柱底，混凝土強度越高，而且混凝土強度等級越高，上、下端實測結果的離散性越大。

3.2 力學性能。自密實混凝土的棱柱體軸心抗壓強度和立方體抗壓強度的關系與普通混凝土相似［1］，另外，自密實混凝土無需振搗而不離析地填充模板的性能對混凝土勻質性有著積極的影響。采用摻超細粉煤灰配制的C60~C80自密實混凝土的劈裂抗拉強度和抗折強度與振搗混凝土相比，其值在-8%～+1%之間變化。自密實混凝土的拉壓比為1/10～1/13，較普通高強混凝土的拉壓比1/15～1/18有明顯提高。

一般認為由于粉體材料用量較大，砂率較高，自密實混凝土的彈性模量較普通混凝土有所降低，試驗研究表明，新拌階段表觀密度正常（大于2300Kg/m3）的自密實混凝土與普通混凝土的彈性模量相差不大，當自密實混凝土粉體材料用量較低（550Kg/m3以下），并且用大摻量粉煤灰來代替水泥時（25％～45％），其彈性模量并不比普通混凝土低。

另外，與普通混凝土相比，自密實混凝土包裹在粗骨料外的界面過渡區更加密實而且分布更均勻，自密實混凝土與鋼筋的粘結性能比普通混凝土好。

3.3 耐久性能。隨著混凝土結構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注的焦點。研究表明：相同條件下，無論是引氣或非引氣自密實混凝土均具有更高的抗凍融性能。通過模擬實際條件（即采用干濕循環、毛細管吸附以及擴散試驗）發現混凝土的水灰比、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。

自密實混凝土由于漿體含量相對較多，因而其體積穩定性成為關注的重點之一。有學者研究了密封與非密封條件下，不同自密實混凝土的收縮與徐變性能，結果表明：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。

3.4 抗火性能。混凝土組成是影響其微觀結構的主要因素，而混凝土微觀結構與其宏觀性能存在直接的相關性。通過對受高溫以后自密實混凝土各組分微觀結構的研究發現：(1)與高性能混凝土相比，受高溫以后，自密實混凝土的破壞程度更大。(2)在自密實混凝土中加入聚丙烯纖維能大大減小自密實混凝土受火后微觀結構的破壞程度。(3)自密實混凝土在700℃以下能保持較好的穩定性，但是超過700℃以后，重量急劇下降，說明自密實混凝土一旦受火破壞性比普通混凝土要大。

如上所述，由于在配制過程中采用低水膠比、超塑化劑并摻用了大量礦物摻合料，自密實混凝土不僅工作性能好而且具有良好的力學性能和耐久性能。

4. 自密實混凝土結構受力性能研究

近年來國內對自密實混凝土結構受力性能進行了系統的研究，為自密實混凝土結構設計、生產與理論分析提供了科學依據。研究內容包括自密實混凝土梁受彎、受剪、受扭性能、疲勞性能，自密實混凝土柱受壓性能以及自密實混凝土框架的抗震性能［1］，這些試驗研究結果表明自密實混凝土結構的力學性能要略優于普通混凝土結構的力學性能。

圖1 深圳市核龍線塘徑大橋梁體加固

圖2 佛山市明富線混凝土路面更換

5. 自密實混凝土的工程應用

自1994年以來，自密實混凝土在新建建筑物、新建橋梁，建筑物及橋梁加固與維修工程，機場道面，地下水池等工程中都得到了廣泛的應用［1］。

自密實混凝土用于既有結構的加固，一般用于結構中的梁和柱的增大截面法加固，由于混凝土無需振搗，具有良好的施工性能；由于無需中斷交通或重建，具有顯著的經濟效益和社會效益。與碳纖維布或碳纖維板加固方法(造價650元/m2)相比，自密實混凝土加固方法(造價550元/m2)具有造價較低，加固后承載力提高較明顯，且耐火性能、耐久性能較好的優點；與粘鋼加固方法(造價800元/m2)相比較，自密實混凝土加固方法具有造價較低，耐火性能、耐久性能較好的優點。典型的自密實混凝土加固工程見圖1～2。圖1為深圳市核龍線塘徑大橋等5座橋梁，混凝土開裂導致鋼筋銹蝕嚴重，綜合考慮該橋交通狀況、周圍人居環境以及技術經濟性等因素，采用了自密實混凝土

技術進行加固處理，工期提前1個月，綜合經濟效益顯著，共節約直接投資456萬元。

圖2為佛山市高明區公路局管轄的明富線，由于該路重車多，超載嚴重，造成水泥混凝土路面大量破損，嚴重影響了行車速度與行車安全，考慮到要快速開放交通和不能中斷交通，采用自密實混凝土技術對破損混凝土板進行了更換，共節約資金540萬元，施工過程中沒有中斷交通，取得了巨大經濟效益，效果良好，得到了社會各界的好評。

由于自密實混凝土具有良好的工作性，國外已有很多生產企業將之用于預制混凝土建筑構件的生產。采用自密實混凝土生產預制制品，在材料成本上比普通混凝土固然有所增加，但對其技術經濟效果作綜合分析還是可行的。目前我國在這方面發展還比較緩慢。隨著自密實混凝土技術的不斷改進，我國自密實混凝土預制制品的產量也將逐年提高。

目前，國外已研發成功的自密實混凝土種類有：建筑自密實混凝土，高強自密實混凝土，大體積自密實混凝土，預制輕質自密實混凝土，補償收縮自密實混凝土， 自密實鋼纖維混凝土，“三明治”自密實混凝土，再生骨料自密實混凝土。

6. 結論與展望

從自密實混凝土在國內外的研究和應用可以看出：

（1）由于自密實混凝土具有優異的施工性能，可大大加快施工速率，減少勞動強度，并可避免由于可能振搗不足而引起的嚴重事故；低水膠比、低溫升和大量礦物細摻料的使用可保證混凝土的耐久性。在歐洲、北美及亞洲的發達國家和地區，自密實混凝土在新建建筑物、加固工程中都得到了廣泛的應用。

（2）試驗研究表明，與普通混凝土相比，自密實混凝土的力學性能和普通混凝土類似。

（3）建筑自密實混凝土，高強自密實混凝土，大體積自密實混凝土，輕質自密實混凝土，補償收縮自密實混凝土、自密實鋼纖維混凝土、“三明治”自密實混凝土結構施工體系已成功用于工程實踐。

（4）目前對自密實混凝土的研究主要集中在自密實混凝土組成材料、新拌混凝土工作性能及其測試方法和評價標準上，為了減小自密實混凝土的收縮，對自密實硬化混凝土的微觀結構包括水化物結構、界面過渡區及孔結構還需要進行深入的研究。

（5）對水泥漿、砂漿及新拌混凝土的流變性能還需要進行進一步的研究，并且能對自密實混凝土在施工過程中的流動性進行計算機模擬，從而對模板澆注口設計以及自密實混凝土施工過程中的澆注順序進行優化。

（6）自密實混凝土結構的長期性能及抗火性能研究較少。

參考文獻

［1］中國土木工程學會標準: CCES02-2004.自密實混凝土設計與施工指南［S］.北京: 中國建筑工業出版社.