自密實混凝土填充性能及細觀結構的優化研究

陳 輝,胡志超,林 艷

(溫州宏源水電建設有限公司，浙江 溫州 325000)

1 自密實混凝土的填充性能及阻塞機制

1.1 自密實混凝土在堆石體中的填充特點和問題

在目前的堆石混凝土工程中，自密實混凝土的填充對象基本屬于尺寸較大的塊石，這些塊石的形狀和大小不統一，所以在堆積過程中會形成空隙。且這些空隙的結構非常復雜，在重力的作用下還會發生剪切形變，這種形變會受到邊壁的摩擦，從而產生流動的阻力[1]。因此，在自密實混凝土進行堆積的過程中必須要保證充足的穩定性和流動性，否則在自密實混凝土在填充過程中，可能會出現局部阻塞、填充不密實及骨料分布不均勻等情況。表1為自密實混凝土在堆石體的填充過程中需要滿足的各項條件。

表1 堆石體的自密實混凝土的填充性能要求、檢測方法以及可能的后果

從表1中可知，在實施堆石混凝土工程中，其對自密實混凝土的填充性能要求非常高，除了要求自密實混凝土需要具有傳統的高流動性、穩定性以及通過性之外，還需要其具有流動保持能力和充隙能力。目前國內外對這方面的檢測方法主要為坍落擴展度、V漏斗以及T50等基本的檢測手段。對自密實混凝土的充隙能力和流動保持能力的檢測方法目前還不完善，另外擴展度雖然可以測試自密實混凝土的流變特性但不能預測出其在堆石工程中填充的范圍及流動速率，對其填充特性的檢測程度還不夠[2-3]。

1.2 自密實混凝土的通過性和阻塞機理試驗

為探究自密實混凝土的屈服應力和填充特性，本次研究對其組成材料——砂漿和石子進行了試驗設計。考慮到自密實混凝土的填充性能主要是受到流體阻塞和顆粒阻塞這兩大因素的影響，所以根據Roussel的混凝土試驗提出的顆粒阻塞概率模型對自密實混凝土進行通過性試驗，以此研究自密實混凝土的通過性和阻塞機理，并對實驗得出的數據進行全面分析討論。

1.2.1 試驗設計

根據Roussel提出的阻塞模型對混凝土的通過性和阻塞現象進行驗證和拓展，為研究不同參數對自密實混凝土通過性的影響，主要選取自密實混凝土的石子尺寸、石子形狀以及澆注速度等作為研究對象，試驗的配合比和參數信息見表2和表3。

表2 自密實混凝土配合比及工作性

表3 改變試驗參數

1.2.2 試驗過程

按照設計好的各種原材料配合比將所有原材料依次加入混凝土攪拌機內進行攪拌，攪拌時間為3 min。將攪拌好的自密實混凝土平均分為兩個部分分別進行V漏斗試驗、坍落擴展度試驗以及通過性試驗。進行通過性試驗之前需要做好相關準備工作，首先用濕潤的毛巾將斜坡浸潤，然后將自密實混凝土倒在斜坡上，記錄自密實混凝土傾倒的時間以及傾倒的重量，以此計算出其澆注的速率。測量完畢后在斜坡的出口處采用稱量桶將通過鋼筋的自密實混凝土接住，觀察混凝土的通過情況，直到其無法通過鋼筋，等待120 s后方可結束試驗，將鋼筋中殘留的混凝土一并放入稱量桶進行稱量。最后記錄所稱量的自密實混凝土的重量，將其中的漿體和砂沖洗掉只留下石子[4]。將所有石子放入烘干箱中進行烘干，烘干完畢后對不同粒徑的石子進行分別稱量，記錄其質量。

1.2.3 試驗結果與討論

由通過性試驗，得到的結果如表4所示。

表4 改變鋼筋間距——通過性試驗結果

當鋼筋間距發生改變后自密實混凝土的通過率也隨之改變，且兩者之間呈正相關。通過表4還可以發現，當鋼筋的間距<30 mm之后，自密實混凝土的通過率已經低于30%，此時自密實混凝土的通過率已經非常低，且出現了嚴重的阻塞現象，基本無法滿足正常的填充需求[5]。同時當鋼筋間距不斷減小后，SCC中石子的含量也會有所降低，這也反映出自密實混凝土中石子發生阻塞的概率在不斷地增加，且鋼筋對其的過濾作用非常明顯。

2 自密實混凝土細觀結構優化與配制2.1 不同級別自密實混凝土的優化和配制

由于受到經濟和科技環境等多方面因素的影響，目前我國多數工程在實際施工過程中并沒有大力推廣自密實混凝土，自密實混凝土的生產成本較低，因此對其性能的優化及后續的應用具有非常重要的意義[6]。

本研究采用不同凝膠材料和粉煤灰對自密實混凝土進行配合比，發現當選用的凝膠材料用量達到448 kg/m3、470 kg/m3、490 kg/m3，且選用的水灰比為0.34、砂率為51%時，可以減少自密實混凝土中較細和較大粒徑的骨料含量[7]。各級自密實混凝土配合比見表5。

表5 各級別自密實混凝土配合比 kg·m-3

為探究進行優化配比后自密實混凝土的綜合抗滲透性能和填充性能，本文分別對優化配比后的混凝土在室內環境和室外環境下進行應變檢測，發現經過優化配比后在室外環境下變化波動較大，主要是受到室外環境的溫度和濕度影響，同時在進行試驗的過程中受到雨水的侵蝕，產生了一定的拉應變，造成其膨脹力減小，但總體對自密實混凝土造成的損傷并不明顯[8]。

測試新拌混凝土工作性能及其28 d的抗壓強度，具體測試結果見表6。

表6 混凝土的測試結果

通過驗證發現當T50在8 s以內且U型在300 mm 以上，自密實混凝土所有的配合比工作性能均可以符合要求，且28 d的抗壓強度等級在C40～C50之間。

2.2 低膠材自密實混凝土的優化和配制

與不同級別自密實混凝土的檢驗方式一樣，為了驗證優化配比新拌自密實混凝土的工作性能，本文對其進行了為期28 d的抗壓強度檢測，結果發現當T50在8 s之內、U型達到300 mm以上、V型處于30 s之內時，新拌自密實混凝土并無離析的現象發生，優化配合比的工作性能均符合相關規定要求[9-10]。另外從設計上來看，膠材用量達到430 kg/m3時，若要其滿足工作要求就必須加大減水劑的摻入量，具體結果見表7。

表7 膠材用量為430 kg/m3的混凝土測試結果

通過增加10～16 mm粒徑的骨料含量，將膠凝材料的用量調至460 kg/m3，此時新拌的混凝土在室內干燥環境下或在室外環境下其應力應變量都小于沒有經過優化配比的混凝土。經過優化后的新拌混凝土降低了膠材的使用含量，且自密實混凝土的大孔也沒有增加，所以經過優化配比的混凝土具有較好的孔隙結構。

3 結 語

以上主要對影響自密實混凝土填充性能的因素進行了分析討論，并根據其特點對混凝土的配比進行了優化，從而實現對自密實混凝土細觀結構的優化目的。自密實混凝土和堆石混凝土屬于新型的工程施工工藝，目前國內對其的研究較少，且堆石體內結構非常復雜，不僅會受到外界環境干擾，且自身的堆放方式也會隨之改變。本次研究具有一定的局限性，很多問題還需要進一步進行試驗和研究。