摻加萘系減水劑的SCC配合比設(shè)計(jì)方法研究

陳成芹，余意恒

（1.西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124；2.甘肅省新型建材與建筑節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州　730030）

摻加萘系減水劑的SCC配合比設(shè)計(jì)方法研究

陳成芹1，2，余意恒1

（1.西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124；2.甘肅省新型建材與建筑節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730030）

自密實(shí)混凝土（簡稱SCC）配合比設(shè)計(jì)方法在國內(nèi)沒有統(tǒng)一的方法。在設(shè)計(jì)過程中，新拌混凝土的工作性非常敏感，受原材料質(zhì)量、配料準(zhǔn)確性等因素波動(dòng)的影響而大幅度變化，從而造成自密實(shí)混凝土的技術(shù)發(fā)展受到了一定的限制。通過介紹國內(nèi)較先進(jìn)的固定砂石體積法、全計(jì)算法、改進(jìn)全計(jì)算法、參數(shù)設(shè)計(jì)法、骨料比表面積法、簡易配合比設(shè)計(jì)方法6種方法各自特點(diǎn)，選擇比較成熟的固定砂石體積法、改進(jìn)全計(jì)算法、參數(shù)設(shè)計(jì)法對C60自密實(shí)混凝土進(jìn)行了工作性能以及力學(xué)性能對比試驗(yàn)。通過試驗(yàn)表明：固定砂石體積法參數(shù)選取明確，設(shè)計(jì)過程較簡單，工作性能較穩(wěn)定，具有一定的適用性。

自密實(shí)混凝土；配合比設(shè)計(jì)；工作性能；力學(xué)性能

1概述

混凝土材料從早期材料簡單、質(zhì)量粗糙、強(qiáng)度等級(jí)低的普通混凝土，到目前多組分、級(jí)配優(yōu)良、強(qiáng)度高的高性能混凝土，無論是在材料性能上，還是在施工工藝上都有了很大的飛躍［1-2］。自密實(shí)混凝土依靠其自重填充空隙、成型，具有降低施工噪聲、改善施工環(huán)境和周圍居民的居住壞境、提高施工速度、縮短工程工期等優(yōu)點(diǎn)，隸屬于一種高性能混凝土，在高層、大跨度項(xiàng)目中廣泛應(yīng)用。目前在自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)中，不同配合比設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)理論不同，配制出的混凝土性能差異較大。況且自密實(shí)混凝土地域性強(qiáng)，即使采用了相同的配合比，由于原材料的地域差異、種類差異，配制的混凝土性能也有差別［3］。自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法有多種，并且沒有固定的設(shè)計(jì)方法［4-7］。自密實(shí)混凝土突出的矛盾就是流動(dòng)性與穩(wěn)定性的矛盾，解決這一矛盾的關(guān)鍵是：減小集料的粒徑；增大砂漿黏度來實(shí)現(xiàn)混凝土的穩(wěn)定性，而增大砂漿量可以改善流動(dòng)性。這是自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)的基本指導(dǎo)思想。在配制過程中，不僅要注重配合比設(shè)計(jì)方法之間的差異，更要嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量、拌合物生產(chǎn)制備和整個(gè)施工過程。本論文通過探討國內(nèi)常用的固定砂石體積法、全計(jì)算法、改進(jìn)全計(jì)算法、參數(shù)法、骨料比表面積法和簡易配合比設(shè)計(jì)方法6種設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)，從中選擇較成熟的固定砂石體積法、改進(jìn)全計(jì)算法和參數(shù)法進(jìn)行自密實(shí)混凝土配制，分別用不同品種礦物摻合料取代水泥，研究礦物摻合料對自密實(shí)混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響。通過對比試驗(yàn)得出各個(gè)設(shè)計(jì)方法的適用特點(diǎn)及范圍，應(yīng)根據(jù)不同的要求和環(huán)境選擇合適的配合比設(shè)計(jì)方法。

2　原材料性能

（1）水泥。自密實(shí)混凝土適宜采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，且應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）的相關(guān)規(guī)定。在水泥品種的選擇上，應(yīng)選用水化放熱量較小的水泥［8］，避免溫升問題，不利于自密實(shí)混凝土的施工。本實(shí)驗(yàn)采用P.O 42.5的水泥，其各項(xiàng)性能見表1。

表1　水泥技術(shù)性能指標(biāo)

（2）粉煤灰。粉煤灰采用Ⅱ級(jí)F類，密度為2 000 kg/m3，其性能見表2。

表2　粉煤灰性能指標(biāo)

（3）細(xì)骨料。自密實(shí)混凝土中砂漿量大、砂率大。細(xì)度模數(shù)的計(jì)算見表3。

表3　分計(jì)篩余和累計(jì)篩余的計(jì)算結(jié)果

故可以判斷實(shí)驗(yàn)所用細(xì)骨料為二區(qū)中砂，其物理性能見表4。

表4　細(xì)集料物理性能

（4）粗骨料。自密實(shí)混凝土比較普通混凝土的顯著特征是屈服剪應(yīng)力較小，影響屈服剪應(yīng)力最大的因素是集料的粒徑尺寸。集料粒徑混凝土的屈服剪應(yīng)力成正比例關(guān)系。反之，如果集料的粒徑越小，沉降速度也越慢，有利于保持混凝土的穩(wěn)定性。因此，在配制自密實(shí)混凝土?xí)r應(yīng)重視對集料的最大粒徑的控制。最大粒徑應(yīng)為20～25 m m比較合適。粒徑不宜過大，影響拌合物的間隙通過性，針、片狀顆粒對該性能也有影響，《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（CECS 203—2006）規(guī)定粗骨料中針、片狀含量不宜超過8%。

（5）H NS減水劑。實(shí)驗(yàn)中采用的H SN萘系高效減水劑，是經(jīng)化工合成的非引氣型高效減水劑。化學(xué)名稱萘磺酸鹽甲醛縮合物，它對于水泥粒子有很強(qiáng)的分散作用。對配制大流態(tài)混凝土，有早強(qiáng)、高強(qiáng)要求的現(xiàn)澆混凝土和預(yù)制構(gòu)件，有很好的使用效果，可全面提高和改善混凝土的各種性能，對各種水泥適應(yīng)性好，與其他各類型的混凝土外加劑配伍良好。其主要技術(shù)指標(biāo)有：

a.含固量：粉劑≥92%。

b.pH值（5%水溶液）：7～9。

c.硫酸鈉含量：粉劑16%～19%。

d.水泥凈漿流動(dòng)度：≥200 m m。

e.在相同水灰比情況下，可增大混凝土坍落度10 cm以上。

f.在保持坍落度不變時(shí)，減水率可達(dá)12%～20%。

g.對混凝土有顯著的早強(qiáng)、增強(qiáng)效果，其強(qiáng)度提高幅度為15%～40%，能全面改善和提高混凝土的物理力學(xué)性能，在保持強(qiáng)度相同時(shí)可節(jié)約水泥10%～20%，對鋼筋無銹蝕作用。

3　自密實(shí)混凝土各配合比設(shè)計(jì)方法的對比及適用性研究

3.1配合比設(shè)計(jì)方法特點(diǎn)

SCC配合比設(shè)計(jì)特點(diǎn)是采用較低水膠比、較高砂率和高膠凝材料用量；對原材料的依賴性大。研究者們有不同的設(shè)計(jì)方法，每種方法的理論意義和原理都存在著差異，配制的自密實(shí)混凝土性能上存在著較明顯差異，且不同的設(shè)計(jì)方法對于各參數(shù)的選取都有嚴(yán)格的要求，選取范圍有變化。目前國內(nèi)主要的自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)方法有固定砂石體積法、全計(jì)算法、改進(jìn)的全計(jì)算法、參數(shù)法、簡易配合比設(shè)計(jì)方法和骨料比表面積法。每種方法都有各自的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，有些方法相互關(guān)聯(lián)，也存在有不同之處［9］。各個(gè)配合比設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)如下：

（1）固定砂石體積法：該設(shè)計(jì)方法由日本崗村甫教授提出，他的靈感來源于高流態(tài)自密實(shí)混凝土流動(dòng)性及抗離析性和配合比因素之間的平衡關(guān)系，通過試驗(yàn)、調(diào)整，滿足于設(shè)計(jì)的基本性能要求。其設(shè)計(jì)步驟為：

a.最重要的參數(shù)是粗骨料松散體積和砂漿中砂的體積分?jǐn)?shù)。

b.根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定配制強(qiáng)度和水膠比。

c.設(shè)定單位混凝土中粗骨料的松散體積范圍在0.5～0.6 m3，根據(jù)相關(guān)的密度計(jì)算出1 m3混凝土粗骨料用量（m g）。

d.設(shè)定砂占砂漿體積含量為0.42～0.45 m3，根據(jù)砂漿密實(shí)體積Va和砂的體積、密度等關(guān)系，計(jì)算出單位混凝土砂子用量。

e.根據(jù)礦物摻合料的摻入比例，膠凝材料密度與體積關(guān)系，計(jì)算出各膠凝材料用量和單位用水量。

f.根據(jù)混凝土的工作性能要求，合理選擇外加劑，并確定其摻入量占膠凝材料總質(zhì)量的百分含量，確定用量。

（2）全計(jì)算法：由武漢工業(yè)大學(xué)陳建奎教授提出［10］。主要原理及理論為：

a.混凝土中各組成材料固體、氣、液具有體積加和性。

b.石子的孔隙由干砂漿填充。

c.干砂漿的孔隙由水填充。

d.干砂漿由水泥、細(xì)摻料、砂和孔隙組成。

使得自密實(shí)混凝土有了定量的計(jì)算方法。通過對高性能混凝土的配合比計(jì)算，推導(dǎo)出了砂率和單位用水量公式。美國M eht a和Ai t ci n［11-12］教授認(rèn)為水泥漿和骨料的體積比為35∶65時(shí)，高性能混凝土的性能最佳，則Ve=350 L。

式中：ves為干砂漿體積；vw為單位用水量；ve為漿體體積；ρs為砂的表觀密度；ρg為石子的表觀密度；ρ'g為石子的堆積密度。

（3）改進(jìn)的全計(jì)算法：中南大學(xué)對全計(jì)算法進(jìn)行改進(jìn)，得到更容易滿足性能要求的設(shè)計(jì)方法。該方法中砂石用量的計(jì)算采用了固定砂石體積法的設(shè)計(jì)步驟，算出砂石用量，將全計(jì)算法用水量計(jì)算運(yùn)用到該設(shè)計(jì)方法中，可根據(jù)各參數(shù)計(jì)算出單位用水量；結(jié)合水膠比計(jì)算出膠凝材料用量。該計(jì)算方法公式明確，步驟簡單，是一種較好的定量設(shè)計(jì)方法。

（4）參數(shù)法：天津大學(xué)在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的一種配合比設(shè)計(jì)方法。具體為四個(gè)重要參數(shù)：用于計(jì)算石子用量的粗骨料系數(shù)α；摻合料系數(shù)γ；計(jì)算砂用量的砂撥開系數(shù)β以及水膠比W/B。在該設(shè)計(jì)方法中，參數(shù)α、β由原材料性能決定，當(dāng)原材料發(fā)生變化時(shí)，α、β的參數(shù)選取范圍也會(huì)發(fā)生改變。因此該方法對原材料質(zhì)量的控制意義重大。配制的混凝土性能波動(dòng)性也存在著較大差異。當(dāng)選擇該種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)多次試配、調(diào)整、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)以選取更適宜的參數(shù)范圍，滿足工作性能要求和設(shè)計(jì)要求［5，13］。

（5）簡易配合比設(shè)計(jì)方法：由臺(tái)灣國立云林科技大學(xué)Nan Su教授提出。該方法認(rèn)為混凝土骨料間的空隙由膠凝材料砂漿填充，因而砂率增大，混凝土流動(dòng)性和密實(shí)性較好。這種方法的新穎之處在于提出密實(shí)印數(shù)概念來控制混凝土骨料用量，而其他則與體積法相似，進(jìn)而控制拌合物的流動(dòng)性和密實(shí)性。這種方法存在的缺點(diǎn)；一方面是抗壓強(qiáng)度全部由水泥提供而不考慮礦物參合料對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，導(dǎo)致水泥用量增加，成本增加，耐久性也會(huì)受到不同影響。使使用范圍受限，大部分應(yīng)用于中低強(qiáng)度自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)。另一方面，用水量的確定存在著技術(shù)問題。總用水量是由水泥所用水維持水泥水化和流動(dòng)性的量與各個(gè)摻合料用水保證與水泥漿體相同的流動(dòng)度的量之和。把混凝土從一個(gè)整體拆分開確定用水量是不科學(xué)的，忽略了各材料之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)及相容性問題和疊加效應(yīng)問題。

（6）骨料比表面積法：由浙江大學(xué)提出，該方法認(rèn)為骨料的量對混凝土工作性能影響大。包括粗骨料的最大粒徑、砂子的細(xì)度模數(shù)、骨料的密實(shí)度等。通過研究，建立骨料比表面積計(jì)算方法及富余漿量計(jì)算模型，并總結(jié)出了設(shè)計(jì)步驟。在其設(shè)計(jì)步驟中較為不同的是計(jì)算骨料比表面積和骨料的總表面積，從而計(jì)算出石子和砂子的計(jì)算比表面積。設(shè)計(jì)過程相對復(fù)雜和運(yùn)算煩瑣。但是所得配合比較合理，降低了成本，帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

通過6種配合比設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)對比，本研究選擇較成熟的固定砂石體積法、改進(jìn)全計(jì)算法和參數(shù)設(shè)計(jì)法進(jìn)行對比研究，得出適用性較廣泛的設(shè)計(jì)方法。

3.2SCC配合比設(shè)計(jì)方法對比研究

本論文以某辦公樓現(xiàn)澆鋼筋混凝土柱為基礎(chǔ)，柱截面最小尺寸為300 m m，鋼筋間距最小尺寸為60 m m，在露天受雨雪影響。混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C60，采用P.O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，無實(shí)測強(qiáng)度；Ⅱ級(jí)粉煤灰，S95粒化高爐礦渣。石子堆積密度ρ'g=1 560 kg/m3，表觀密度ρg=2 700 kg/m3；砂子表觀密度ρs=2 630 kg/m3，粉煤灰表觀密度ρf=2 000 kg/m3。每種配合比設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)中，都做了相應(yīng)的假設(shè)，具體如下：

（1）在固定砂石體積法設(shè)計(jì)步驟中，設(shè)定每立方混凝土中石子用量的松堆體積α=0.55 m3，其中α范圍為0.5～0.6 m3；設(shè)定砂漿中砂體積含量為44%（42%～45%）；設(shè)水泥和粉煤灰總體積為1 m3，粉煤灰摻量為30%，粉煤灰體積Vf，水泥體積Vc，總重量mz，Vc=0.7 m3，Vf=0.3 m3；減水劑的摻量為1.5%。

（2）在改進(jìn)全計(jì)算法設(shè)計(jì)步驟中，石子用量和砂子用量的計(jì)算方法與固定砂石體積法相同，用量分別為mg=858 kg，ms=789.21 kg（α=0.56），M eht a和Ai t ci n教授認(rèn)為膠凝材料中水泥與礦物摻合料的體積比為75∶25，取=25%，減水劑的用量為2.0%。

（3）在參數(shù)法設(shè)計(jì)步驟中，設(shè)定粗骨料系數(shù)α=0.7，砂撥開系數(shù)β=1.2，減水劑用量1.5%。實(shí)驗(yàn)過程中該配合比設(shè)計(jì)的配比，混凝土容易出現(xiàn)離析泌水現(xiàn)象、骨漿分離。經(jīng)過試配與調(diào)整，推薦α在0.5～0.6選取，β在1.5～1.6選取。本論文選取α=0.58，β=1.6來設(shè)計(jì)配合比，減水劑用量為1.8%。

三種配合比在滿足相應(yīng)的假設(shè)條件下，各個(gè)設(shè)計(jì)方法配合比1 m3原材料用量匯總見表5。

表5　各配合比方法單位混凝土材料用量

3.3礦物摻合料對自密實(shí)混凝土的影響

礦物摻合料的使用，使得自密實(shí)混凝土的性能變得更加優(yōu)越，滿足越來越多的工程領(lǐng)域不同的施工要求。可以取代水泥，減少水泥用量，降低了因生產(chǎn)水泥耗能，改善空氣質(zhì)量。同時(shí)，大量的工業(yè)廢渣能夠回收利用，節(jié)約了更多的礦產(chǎn)資源，節(jié)約生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。本論文所采用粉煤灰、高爐礦渣兩種礦物摻合料。分別采用粉煤灰取代15%水泥，高爐礦渣取代30%水泥，配合比見表6。

表6　礦物摻合料取代水泥配合比　kg/m3

4　自密實(shí)混凝土性能

4.1SCC拌合物工作性能測試及評(píng)價(jià)方法

SCC最突出的是自密實(shí)性，具體包括填充性、抗離析性和間隙通過性，三者相輔相成，相互制約。評(píng)價(jià)方法主要包括：

（1）坍落度及坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)。將混凝土一次性免振搗裝入坍落度筒中，自坍落度筒提起時(shí)開始計(jì)時(shí)直到混凝土擴(kuò)展到500 m m直徑的圓餅狀的時(shí)間止為T5（0s）。自密實(shí)混凝土的坍落擴(kuò)展度一般為550～750 m m，在該范圍內(nèi)，數(shù)值越大，其填充性能越好，流動(dòng)性能越好。

（2）V形漏斗試驗(yàn)。將混凝土試樣裝入漏斗中，直至達(dá)到漏斗頂部邊緣，用刮尺抹平漏斗表面，檢測水平狀況，靜置10 s左右，打開活門并開始計(jì)時(shí)，記錄混凝土拌合物完全流過漏斗所用的時(shí)間T。

（3）U形箱測試。評(píng)價(jià)拌合物間隙通過能力的性能。

4.2SCC力學(xué)性能及評(píng)價(jià)方法

新拌合物工作性能測試完成后，依次成型，將混凝土均勻地免振搗裝入尺寸為150 m m立方體三聯(lián)試模中，直至充滿模具上邊緣為止，用刮刀抹平后，放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，并在24 h后進(jìn)行拆模，養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期后，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）分別測試自密實(shí)混凝土的7 d、28 d立方體抗壓強(qiáng)度。

4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

SCC工作性能規(guī)范值見表7。通過試驗(yàn)所測工作性能及力學(xué)性能指標(biāo)見表8。

表7　SCC工作性能指標(biāo)

表8　SCC工作性能及其硬化強(qiáng)度

三種設(shè)計(jì)方法下的SCC工作性能及力學(xué)性能值見表8。

從表8中可以看出：

（1）除了標(biāo)號(hào)SCC-4，其余混凝土工作性能都能滿足規(guī)范要求，硬化強(qiáng)度除SCC-7偏低，混凝土力學(xué)性能都能滿足規(guī)范要求。

（2）在SCC-1與SCC-3中，在水膠比、礦物摻合料相同的情況下，硬化混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度隨著膠凝材料數(shù)量的增加而增加，但增長幅度不明顯。

（3）粗骨料對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。由SCC-1和SCC-2可得出，粗骨料最大粒徑減小，顆粒整體能夠密實(shí)堆積，獲得最大的密實(shí)度，新拌混凝土具有較小的內(nèi)摩擦力、流動(dòng)性和填充性良好，但是抗壓強(qiáng)度有所降低。

（4）從SCC-6和SCC-7中可得，隨著粉煤灰、礦渣取代了水泥，抗壓強(qiáng)度下降。礦物摻合料活性較低，且實(shí)驗(yàn)過程中對礦渣細(xì)度的處理不夠，導(dǎo)致活性小，在短期時(shí)間不能發(fā)揮其活性。粉煤灰、礦渣取代了部分水泥，減少了水泥用量而造成強(qiáng)度下降。

5　結(jié)語

通過探討國內(nèi)較成熟的6種SCC配合比設(shè)計(jì)方法各自的特點(diǎn)，選取目前國內(nèi)常用、性能優(yōu)越的固定砂石體積法、改進(jìn)全計(jì)算法和參數(shù)法進(jìn)行配比設(shè)計(jì)并進(jìn)行性能研究，得出如下結(jié)論：

（1）在設(shè)計(jì)過程中，固定砂石體積法和改進(jìn)全計(jì)算法設(shè)計(jì)的自密實(shí)混凝土性能能夠達(dá)到基本要求，而參數(shù)法和易性不滿足要求，需要通過試配與調(diào)整。

（2）固定砂石體積法各個(gè)參數(shù)的選取確定，設(shè)計(jì)原理明確，設(shè)計(jì)步驟簡單。該方法配制的自密實(shí)混凝土穩(wěn)定性好，是一種穩(wěn)定、適用性強(qiáng)的配合比設(shè)計(jì)方法。改進(jìn)全計(jì)算方法是一種定量的設(shè)計(jì)方法，其用水量的計(jì)算公式，有利于計(jì)算的準(zhǔn)確性。對自密實(shí)高強(qiáng)高性能混凝土的設(shè)計(jì)發(fā)展有推動(dòng)意義。參數(shù)法具有不穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)對原材料進(jìn)行大量的試驗(yàn)，根據(jù)原材料性能來確定α、β值，該方法不具有適用性。

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TU5

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1009-7716（2016）09-0216-05

2016-05-30

陳成芹（1986-），女，碩士，山東莒縣人，從事路基路面材料教學(xué)及研究工作。