（土木工程专业论文）自密实高性能混凝土研究应用.pdf

青岛理工大学工程硕士学位论文 摘要 随着工程技术的发展，新型高性能混凝土日益显现出其优越的性能，自密实 混凝土以其优良性能成为了混凝土技术的新发展方向。但自密实混凝土的研究和 应用也存在一定问题，需进一步研究。 本文对自密实混凝土工作性的评价方法、控制技术进行了探讨，采用掺加粉 煤灰技术来配制经济适用的中低强度的自密实混凝土，并且研究了掺加粉煤灰对 自密实混凝土的强度和工作性的影响，系统地研究掺加粉煤灰对自密实混凝土的 工作性、密实性、力学性能和耐久性的影响。 本实验通过掺加级粉煤灰可以配制性能良好的中、低强度( c 3 0 、c a o 、c 5 0 ) 的自密实混凝土；自密实混凝土中粉煤灰的掺量控制在3 0 4 0 ，不仅可有效的 降低工程造价而且不影响自密实混凝土的耐久性能。研究表明，掺加粉煤灰的自 密实混凝土的抗氯离子渗透性能可以满足工程使用年限的要求；掺加粉煤灰的自 密实混凝土的抗渗性能、收缩性能、抗碳化性能与同强度等级的普通混凝土的性 能相当；试验还给出了控制自密实混凝土拌合物的工作性的坍落度( s l ) 、坍落扩 展度( s f ) 、流动时间( ) 、l 型仪、v 型漏斗( t 、，) 等参数的控制范围。 实验研究后，在评价中心工程的劲钢混凝土柱、梁施工中进行自密实混凝土 的实际应用。实践表明应用掺加级粉煤灰的自密实混凝土施工噪音小、能耗低， 缩短了工期，经济效益良好。 关键词自密实混凝土，粉煤灰，高性能混凝土，耐久性 i v 苎璺罂三銮主三：璧圭兰堡笙耋 a b s t r a c t 晰t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y , n e wt y p eo fh i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t e ，s e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t e ，b e g i nt os h o wi t ss u p e r i o r i t ya n d b e c o m en e wd i r e c t i o nw i t hg r e a tp o t e n t i a l i t i e si nt h ef i e l do fc o n c r e t et e c h n o l o g y h o w e v e r t h e r ei ss t i l ls o m ea s p e c t sn e e dt os t u d yi nad e e pg o i n gw a y t l i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h ea s s e s s m e n tm e t h o da n dc o n t r o lt e c h n o l o g yo ft h e s e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t e sw o r k a b i l i t y f l y a s h s e f f e c = to ns t r e n g t h d e n s e n e s sa n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f s e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e m 、v i t l ln y a s ha r ea l s or e v e a l e d t r o u g ht h ee x p e r i m e n t , g o o dp e r f o r m a n c es e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t ew i t hf l y - a s h ( c 3 0 、c 4 0 、c 5 0 ) h a sb e e na c h i e v e d ；3 0 4 0p e r c e n tc e m e n ti sr e p l a c e db yf l y - a s hi n t h i st y p eo fc o n c r e t e ，i tn o to n l yr e d u c i n ge n g i n e e r i n gc o s te f f e c t i v e l yb u ta l s oh a v i n g n on e g a t i v ee f f e c to ni t sd u r a b i l i t y t h es t u d yi n d i c a t ep e r f o r m a n c eo f c h l o r i d ed i f f u s i o n o fs e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t ew i t hf l y - a s hc a nm e e tt h ed e m a n do fs t r u c t u r e 。sd e s i g n e d s e r v i c el i f ea n dt h ei m p e r m e a b i l i t y , s h r i n k a g ep r o p e r t y , c a r b o n a t i o n p r o p e r t ya r e w e l l - m a t c h e da sc o n c r e t ew h o s es t r e n g t ha tt h es a m ed e g r e e ；s t u d ya l s og i v es o m ek e y p a r a m c t e r sr a n g es u c ha ss l u m p ，s l u m pf l o w , f l o wt i m e ，l - t y p e 妣e n t , v - t y p e f u n n e la n ds oo n t h es t u d yr e g u l t sh a sb e e na p p l i e di ns o m es m l c a w a le l e m e n ts u c ha sc o n c r c t e b e a m & c o l u m na n dt h ep r a c t i c ei n d i c a t es e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t ew i t hf l y a s hh a v e g o o dp e r f o r m a n c e i nl o wc o n s t r u c t i o nn o i s e 、l i t t l ee n e r g yc o n s u m p t i o n 、w e l l e c o n o m i cb e n e f i t k e y w o r d 。：s e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t e ；f l y - a s h ；h p c ；d u r a b i l i t y v 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 1 1 1 普通混凝土存在的问题 随着建设的日益发展，对现代工程结构的主要材料混凝土提出了更高的要求， 概括起来有以下几个方面： 混凝土的耐久性问题。在混凝土浇筑旌工中，由于缺乏熟练工人及其它客观 条件所限，不能保证混凝土完全密实，导致混凝土耐久性不良，因此混凝土要求 具有较好易操作性。 商品混凝土的可泵性要求。商品混凝土的发展，对新拌混凝土的大流动性及 在运输、浇筑过程中较长时间的保塑性提出了新的要求。 振捣密实困难。许多工程结构配筋稠密且复杂，不易振捣；有的则是特种薄 壁结构、高细结构、浅埋暗挖工程、隧道和地下结构，根本没有振捣操作空间， 施工非常困难。 生产效率和安全性要求。传统的混凝土振捣施工不但产生噪声污染，而且费 时费工，工人劳动强度大，工作环境恶劣。 环保节能问题。充分利用粉煤灰、磨细矿渣等工业废料取代适量水泥，开发 新型环保节能混凝土，是可持续发展战略的具体要求。 工程造价。从提高旆工速度、消除噪声污染、减少人工、机械、电能消耗、 减小振捣对模板产生的损耗、利用工业废料、保证混凝土质量、提高耐久性、减 少加固修复费用等诸多方面综合考虑，降低项目全寿命周期造价。 1 1 2 工程建设对混凝土材料的要求 对混凝土材料的要求具有良好的使用性、耐久性、以及满足低能耗和不破坏、 不恶化环境。 对混凝土材料的使用性能的要求是多样的，如自密实混凝土、高变形性能混 凝土、抗腐蚀混凝土，因此根据要求，研究生产合适的混凝土，使其产生最大的 效用。 青岛理工大学工学硕士学位论文 耐久性要求混凝土材料具有抵抗不利环境破坏的作用，而保持长期完好的能 力。如具有抗冻融性能、具有抗各种侵蚀性盐份的腐蚀能力的混凝土，具有抗磨 蚀和抗冲蚀的能力的混凝土。 不同建筑物对混凝土施工技术要求不同。超高层建筑物，大跨度桥梁等要求 混凝土具有良好的可泵性，以便使用混凝土泵送到浇注仓位。碾压混凝土则要求 混凝土具有很好的工作性，适宜于汽车运输，推土机摊铺和振动碾压。深水桥墩 要求混凝土具良好的自密实性能，长距离运输，则要求混凝土具有较长时间的缓 凝性能。 硅酸盐水泥生产过程中排出大量c 0 2 ，是环境代价最高的。温室气体”，硅 酸盐水泥同时也是高能耗产品。每生产l t 水泥，排放约l t 的c 0 2 。2 0 0 5 年全国水 泥产量达到l o 6 4 亿吨，接近世界总产量的1 2 ，水泥生产每年为大气层增加2 l 亿 吨以上的c 0 2 ，对环境影响巨大。寻求利用低能耗材料、降低混凝土单方水泥用 量，是混凝土可持续利用和发展的关键。 自密实混凝土以其优良的工作性能、力学性能和耐久性能极好地满足了对混 凝土的各项要求，被称为。近几十年中混凝土建筑技术最具革命性的发展”【。甚 至有学者认为：自密实混凝土适用于所有种类的混凝土结构和施工条件，包括纤 维增强结构闭。 1 1 3 自密实混凝土的特点 自密实混凝土( s e r f - c o m p a c t i n gc o n c r 咖) ，也有人称为高流态混凝+ _ ( h i g h l y f l u i d i z c dc o n c r e t e ) ，就是指具有高流动性、高抗离析性、高填充性和良好的钢筋 间隙通过性能，在自重作用下无需振捣，可自行填充空间，形成密实的混凝土结 构的混凝土。 自密实混凝土是一种特殊的高性能混凝土，其拌合物表现出优良的工作性能， 浇灌过程中不用振捣而完全依靠自重作用自由流淌充分填充模型内的空间形成均 匀密实的结构，硬化后具有良好的力学性能和耐久性能。 对于混凝土拌合物的工作性，众多学者曾给出自己不同的定义。t p t a s s i o n s 1 9 7 3 年从工程应用角度将工作性分解为流动性、可泵性、稳定性、均匀性、易密 实性和终饰抹面性等几个方面 3 1 。同一般大流动性混凝土相比，自密实混凝土的工 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 作性内涵有所扩大。 1 ) 高流动性：保证混凝土能够绕过障碍物，充分填充模型内每个角落。 2 ) 高稳定性：保证混凝土质量均匀一致，即不泌水，骨料不离析。 3 ) 通过钢筋间隙能力：保证混凝土穿越钢筋间隙时不发生阻塞。 4 ) 自充填性：是流动性、稳定性和间隙通过性的最终结果。 自密实混凝土与普通混凝土相比具有下述优点： 1 ) 形成的混凝土结构具有良好的力学性能，避免漏振、过振等施工中的人为 因素对混凝土结构质量的影响，提高混凝土的密实性和耐久性，从而保证其工程 质量。 2 ) 可实现施工自动化，提高生产效率，缩短工期，节省电力能源；大幅降低 工人劳动强度，节省人工数量；消除混凝土振捣产生的噪声污染。 3 ) 不需要振捣，可以浇筑成型形状复杂、薄壁和密集配筋等难以浇筑甚至无 法浇筑的结构，增加了结构设计的自由度；能够逼真呈现模板表面的纹理或造型， 为建筑外观设计提供一种新的选择； 4 ) 能大量利用工业废料做掺合料，有利于环境保护，能降低混凝土水化热； 1 1 - 4 自密实混凝土的工作机理 按流变学理论，新拌混凝土属于宾汉姆流体，其流变方程为： f = 7 一秽 ( 1 - 1 ) 式中：f 为剪应力； f o 为屈服剪应力； 1 7 为塑性粘度； ，为剪切速度。 f o 是阻碍塑性变形的最大应力，由材料之间的附着力和摩擦力引起，它支配 了拌和物的变形能力：当f 7 0 时，混凝土产生流动。即是反映流体各平流层之间 产生的与流动方向反向的阻止其流动的粘滞阻力，它支配了拌和物的流动能力，7 越小，在相同外力作用下流动越快。 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 4 1 自密实混凝土的流动机理 新拌自密实混凝土的流动是自重力大于fo 而产生剪切变形的结果。采用高效 复合减水剂增塑和超细粉掺合料改善胶凝材料级配都可以降低7o 值，使混凝土拌 合物达到自密实所需要的流动性。 作为界面活性剂的外加剂分子吸附在水泥粒子表面形成双电位层。由于双电 位层产生的斥力使得水泥颗粒问相互排斥，防止产生凝聚。外加剂分子同时吸附 一定的极性化水分子形成溶剂化膜层，增加了水泥微粒的滑动能力，因而易于分 散。此外，外加剂还能降低表面张力，使水泥颗粒容易被水润湿，这样在达到相 同坍落度情况下，所需拌合水量减少而具有良好的流动能力【4 】。 混凝土可以看作由骨料和浆体组成的固、液两相物质，液相通常具有较大的 变形能力。自密实混凝土中超细掺合料的颗粒粒径与水泥颗粒在微观上形成级配 体系，可以降低浆体的fo 值。球形颗粒的粉煤灰和硅灰等超细掺合料包裹在粗糙 的水泥颗粒和骨料表面，具有“滚珠”润滑和物理减水作用，并与水泥浆一起作 为液相，携带固相发生流动及滚动达到自密实。 1 1 4 2 自密实混凝土的自密实机理 1 ) 浆体的粘聚作用 混凝土的流动性与抗离析性是相互矛盾的。自密实混凝土密实关键在于其胶 结料浆体具有一定的塑性粘度，7 ，它能减少骨料间的接触应力，削弱骨料的固体特 性，抑制骨料起拱堆集从而有效抑制离析。 2 ) 气泡自动聚合上浮作用 在拌和浇筑混凝土时裹入的气泡，由于混凝土自重对其产生浮力作用，具有 自动聚合形成更大气泡的趋势。一旦气泡发生聚合，则所受浮力将进一步增大， 最终会浮出表面使混凝土密实。自密实混凝土由于掺加高效减水剂降低了混凝土 的表面张力，使气泡更容易聚合上浮，增加混凝土的密实性。 3 ) 掺合料的徽粉作用 自密实混凝土中的掺合料不仅具有物理填充效应，而且因为巨大的表面积产 生较大的内表面力而提高混凝土的粘聚性。而且还具有火山灰活性效应，结合掺 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 用高效减水剂和采用低水胶比改善集料界面结构和水泥石的孔结构，使混凝土越 来越密实。 4 ) 最大堆积密度 自密实混凝土中各组分粒径力求满足“最大堆积密度理论”，颗粒从小到大依 次为：硅粉、粉煤灰、水泥、砂、石。细颗粒填充粗颗粒之间的空隙，更细颗粒 填充细颗粒之间的空隙，达到最大密度或最小空隙率，从而有效提高自密实混凝 土的密实度嘲。 1 1 5 本文研究意义 本文重点研究自密实混凝土的配合比优化问题。通过掺加粉煤灰达到有效降 低水泥用量，提高混凝土体积稳定性，并有效降低工程造价。系统地研究掺加粉 煤灰对自密实混凝土的工作性、密实性、力学性能和耐久性的影响，并结合工程 进行试应用。 1 2 国内外自密实混凝土的研究应用现状 1 2 1 国外自密实混凝土的发展状况 日本作为最早提出并研制自密实混凝土的国家，在7 0 年代便开始了自密实混 凝土的研究。1 9 8 6 年2 月，冈村甫教授在日本水泥协会主办的混凝土讲习会上倡 导开发自密实混凝土。1 9 8 8 年，在试验室开发成功了钢筋密集的p r o t o t y p e l1 号( t d 和2 8 d 强度分别为2 7 2 m p a 和4 3 1 m p a ) 。1 9 8 9 年7 月在东京大学由群马县建设业 协会组织举办1 0 0 人参加的演示会，自密实混凝土演示获得成功，引起了日本土 木工程界的震动。此后，日本东京大学和日本的各大建筑公司纷纷开展有关自密 实混凝土的研究工作，并将其应用到工程实践中。 到1 9 9 8 年，日本自密实混凝土总使用量已超过1 2 0 万一，自密实高性能混凝 土在混凝土制品中的应用呈逐年增加之势，但至今自密实混凝土只在预拌混凝土 中占o 1 9 6 ( 预拌混凝土占混凝土总用量的7 0 ) ，世界上跨度最大( 主跨1 9 9 0m ) 的 悬索桥一明石海峡大桥工程是自密实高性能混凝土成功应用的典范明石桥的2 个锚锭分别使用了2 4 万一和1 5 万一强度为2 5 m p a 的自密实高性能混凝土由 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 于采用自密实高性能混凝土施工新技术，使两个锚锭的施工从两年半缩短到两年， 缩短工期2 0 。 欧美各国使用白密实高性能混凝土的工程也日益增多在加拿大s h e r b r o o k e 市w e b s t e r 停车场补强工程中，自密实高性能混凝土在没有任何捣实的状况下，成 功的填入4 7 5 c m 布满纵向筋及剪力筋的的狭小空间中。美国西雅图双联广场是 迄今为止自密实高性能混凝土用于实际结构中强度最高的工程。该工程中6 2 层的 双联广场钢管混凝土柱，为了保证混凝土的密实性，混凝土从底层逐层泵送，无 振捣。施工时坍落度为2 5 0 m m ，实测2 8 d 强度1 1 9 m p a ，9 1 d 强度1 4 5 m p a ，由于 采用了超高强的自密实高性能混凝土降低了结构成本3 0 。欧盟的b r i t e e u r a m 项目“利用自密实高性能混凝土达到施工合理化和提高施工环境”( r a t i o m l v r o d u c t i o na n di m p r o v e dw o r k i n ge n v i r o n m e n tt h r o u g hu s i n gs e r f c o m p a c t i n gc o n c r e t e ) 中，积极推广自密实高性能混凝土应用于住宅建筑，瑞典的n c c a b 工程公司、 水泥和混凝土研究院和法国的g t m 工程公司、国家路桥实验中心，苏格兰p a i s l e y 大学等单位均积极参与。 近年来在工厂预制的混凝土构件或制品的生产上使用自密实高性能混凝土技 术有逐渐增多的趋势，自1 9 9 9 年以来，荷兰已有2 0 多家生产企业将自密实高性 能混凝土应用于混凝土预制构件生产中，至2 0 0 2 年产量达到2 5 万m 3 【卯。 1 9 9 8 年以来，自密实高性能混凝土的研究已经涉及自密实高性能混凝土的材 料选择( 近年来主要集中在新的粉体材料和外加剂的研究) 、配合比设计、新拌自密 实高性能混凝土的流变性、硬化后混凝土的各种物理、力学、变形性能，耐久性、 自密实高性能混凝土结构性能以及白密实高性能混凝土的生产和施工，测试评价 方法，有关标准规范的制订，自密实高性能混凝土的费用( 成本) 优化等等随着自 密实高性能混凝土的发展，日本已提出把自密实高性能混凝土作为标准混凝土， 而不再是特殊( 种) 混凝土【3 1 。 1 2 2 我国自密实混凝土的发展 台湾地区借鉴日本研究和应用的经验对自密实高性能混凝土进行了。本土化” 和中低强度化，取得了一些成果，自密实高性能混凝土技术日趋成熟，先后有自 密实高性能混凝土应用于房屋新建工程和多条道路工程的报道 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 大陆自1 9 9 3 年起已有一些单位研究开发自密实高性能混凝土，从1 9 9 6 年以 来也不断有自密实高性能混凝土在北京、深圳、济南等城市研制与应用的报道， 到1 9 9 9 年已在北京浇筑了约8 万m ? 的自密实高性能混凝土主要用于地下暗挖、 密筋、形状复杂等无法浇筑或浇筑困难的部位，解决扰民问题、缩短工期。比较 典型的工程有：首都机场新航站楼简体墙采用了c 6 0 自密实高强高性能混凝土； 西单北大街东侧商业区热力改建工程底板、边墙( c 3 0 、s 6 ) ；大亚湾核电站废料容 器( f c 5 0 m p a ) ；河南省人民医院新病房楼混凝土底板( c 4 0 ，s 1 2 和c 6 0 ) ；株洲桥 粱厂预制梁( c 5 0 ) ；深圳赛格广场钢管混凝土柱( c 4 0 ) 其中赛格广场钢管柱中的自 密实高性能混凝土采用高抛施工嘲，取得了成功。 与发达国家相比，我国自密实混凝土的研究起步较晚，目前尚未形成大面积 推广应用，刚刚颁布的相关标准还有待进一步完善。自密实混凝土的工作性较普 通混凝土复杂得多，对自密实高性能混凝土工作性检测和评价的方法众多，每种 方法各有侧重，没有找到一种单一的方法能全面反映自密实高性能混凝土的工作 性能。系统研究自密实混凝土的工作性，找出有效的评价方法，对于自密实混凝 土的推广应用具有重要意义。 1 2 3 自密实混凝土试验研究现状 材料方面研究的主要思路是将自密实高性能混凝土分解为混凝土、水泥砂浆、 水泥浆等层次分别进行研究，求得符合自密实高性能混凝土的屈服剪应力fo 和塑 性粘度r 范围，探讨新拌混凝土流变行为。 结构性能方面主要的研究有自密实高性能混凝土与钢筋锚固性能i 刀、自密实高 性能混凝土本构关系【擘1 和基本构件受力性能【m9 1 等。 对自密实高性能混凝土工作性检测和评价先后发展了多种方法，各有侧重， 到目前为止没有找到一种单一的方法能全面反映自密实高性能混凝土的工作性 能，同样也还没有一种单一的方法或者是两种以上方法的结合得到一致认同，一 般都认为对于自密实高性能混凝土的工作参数，都要用两种以上的测试方法进行 测试。 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 2 4 自密实混凝土理论研究现状 关于结构性能的理论研究不多一些自密实高性能混凝土结构性能研究得出 的主要结论是与普通混凝土相似或相n t 9 j 。在材料方面，研究提出的一些理论主要 集中在配合比设计方面。 配比理论中有代表性的是以1 9 3 1 年a n d r e a s s e n 模型为基础的最大堆积密度或 称颗粒包裹理论，但将最大堆积密度理论应用于需要优良工作性能的自密实混凝 土时，仅有填充集料颗粒之间空隙的水泥浆体量是不够的，必须有一定的浆体富 余量对集料起润滑作用才能使混凝土拌和物达到预期的流动性。 应用混凝土流交学理论是自密实高性能混凝土研究的一个重要特点流变学 是研究材料流动和变形的科学，属力学范畴内的一个分支【埘，流变学在混凝土材 料科学中应用发展成了混凝土流变学理论，在理论和实践中都对混凝土的改性起 到了重要的促进作用。通常自密实高性能混凝土工作性的流变学研究也是结合试 验进行的，一般从水泥净浆开始，再到混凝i t l l 2 1 。混凝土流变学研究发展了一 些两点法测试方法和仪器，并应用于配合比设计和工作性评价【1 3 1 。 1 2 5 当前研究存在的问题 1 ) 5 前工程中大量使用的仍是低于c 5 0 的中低强度混凝土，因此对中低强度 的配比、拌和、运输、浇筑各环节的研究需进一步加强，以期配制出从工程应用 范围最广、成本低廉的中低强度等级混凝土到高强度等级、超高强度等级的全系 列的自密实高性能混凝土。 2 ) 敏感性问题研究。包括对施工中的材料计量误差和对原材料性质波动的敏感 性研究。 3 ) 针对实际工程应用的研究，如：自密实高性能混凝土在路面工程中的应用具 有广阔前景，而路面混凝土最主要的评价指标是抗折强度，但自密实高性能混凝 土抗折性能的专门研究很少：自密实高性能混凝土的关键性能间隙通过性仍 需针对不同工程要求进行专门研究；自密实高性能混凝土配制的技术路线有粉体 系、增粘剂系和并用系，国内研究多属粉体系范畴，对其它技术路线较少涉。近 年来国外己开展了掺加纤维自密实高性能混凝土的研究，国内这方面的报道却较 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 少。 4 ) 自密实高性能混凝土长期性能试验耗费的时间长，对试验仪器、试验环境条 件要求高，目前研究还很不深入，其中徐变性能研究更是对于自密实高性能混凝 土能否很好地应用于预应力结构具有指导意义：混凝土的耐久性主要包括抗渗、 抗冻、耐磨以及抗侵蚀能力，是当前土木工程领域的研究热点，与普通混凝土相 比，耐久性好正是自密实高性能混凝土的重要优势，因此，自密实高性能混凝土 耐久性和长期性能都值得进一步开展研究 5 ) 结构性能方面的研究。自密实高性能混凝土基本构件和结构体系受力性能和 设计方法以及自密实高性能混凝土结构在火灾下和火灾后的性能的研究在国内仍 不多见自密实高性能混凝土应用于组合结构，包括钢一混凝土组合楼盖、组合 梁和钢管混凝土，具有广阔前景。 6 ) 经济性方面的研究。在我国，自密实高性能混凝土成本问题是制约其推广应 用的最大障碍，如果将经济性纳入配比优化的研究当中，综合工作性、力学性能 和经济性研制出符合我国国情的经济合理的自密实高性能混凝土，将对自密实 高性能混凝土的应用推广具有重大意义嘲。 1 3 本文研究的内容 1 3 1 研究的目标 通过选用优质原材料、使用级粉煤灰掺合料以及配合比优化，制备出低水 泥用量的高性能c 3 0 、c 4 0 和c 5 0 自密实混凝土( 高强度等级的自密实混凝土容 易制备) ，以推广自密实混凝土的应用。 1 3 2 研究方法 混凝土的力学性能普通混凝土力学性能试验方法( g b 门? 5 0 0 8 1 2 0 0 2 ) 检测， 并按混凝土强度评定标准( g b j l 0 7 8 7 ) 进行评定； 自密实高性能混凝土的工作性应包含填充性、间隙通过性和抗离析性等几方 面的含义；分别测试坍落度( s l ) 、坍落扩展度( s f ) 、流动时间( t 钟) 、l 型仪( h 2 h 1 ) 试验、v 型漏斗( t v ) 试验。 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 采用氯离子扩散系数快速测定的r c m 法和普通混凝土长期性能试验方法 ( g b j 8 2 8 5 ) 检测评价硬化混凝土的耐久性。 研究粉煤灰自密实混凝土的干缩及其抗碳化性能。 1 3 3 工程应用 结合工程应用研究，研究掺加粉煤灰c 4 0 自密实混凝土劲钢混凝土梁中的应 用问题。 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章原材料 2 1 胶凝材料 胶凝材料除要求温升很低的大体积自密实混凝土需要选用中热或低热水泥 外，硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥都可选用。按目前我国标准 标号应不低于e 0 4 2 5 级，具有较低的需水性，还应考虑与所用高效减水剂的相容 性。 掺用矿物细掺料的目的是调节混凝上的施工性能、提高混凝上的耐久性，降 低混凝土的温升。因此矿物细掺料应具有低需水、高活性。为了保证混凝上的耐 久性，可利用不同细掺料的复合效应。例如，矿渣比粉煤灰活性高，而抗离析性 差；粉煤灰比矿渣抗碳化的性能差，但收缩小。按适当比例同时掺用粉煤灰和矿 渣，则可取长补短。因此，日木的高流动性混凝土普遍采用水泥、矿渣、粉煤灰 三组份胶凝材料，有时加上石粉，成为四组份。日本资料显示，从活性来说，磨 细矿渣最优的比面积为6 0 0 0 8 0 0 0 c m 2 g ，但从减小收缩来说，最好为 4 0 0 0 c m 2 僖1 4 1 。但从我国目前应用水平来看，商品混凝土刚推广使用，混凝土的技 术水平比较低，不宜采用过多的组分。 2 1 1 水泥对自密实混凝土的影响 首先，水泥矿物组成中c 3 a 需水量最大，水化快，放热集中，对外加剂吸附 量最大，适应性差，抗硫酸盐侵蚀能力较弱。尤其是在低温条件下烧成的熟料， 析晶出来的和c 3 a 和c 4 a f 含量高，水泥标准稠度用水量大，与外加剂相容性差。 有研究表明，水泥熟料中c 3 a 含量每增加l ，标准稠度用水量也同步提高1 ； 水泥标准稠度用水量每增加1 ，混凝土用水量相应提高6 8k g m 3 。另外，水泥 净浆流动度随c 3 a + c a a f 总量的减少而提高。水泥碱含量越大，对萘系减水剂相 容性就越差，凝结时问缩短。因此，减少水泥熟料中间相c 3 a 和c 4 a f 总量是高 性能水泥必须具备的主要特征。以c 2 s 矿物含量达5 0 以上的高贝利特低热型硅 酸盐水泥，被认为是适宜配制高性能混凝土的品种【阍。 其次，孰料中的碱含量要求要低。如果熟料中的含碱量提高，会加速c 3 a 的 水化，使水泥的流变性能变差，后期强度降低。 青岛理工大学工学硕土学位论文 最后，水泥的粗细颗粒级配要恰当。水泥中3 3 0 t u n 的颗粒主要起强度增长 的作用，其中小于1 0 9 i n 的颗粒主要起早强的作用。大于6 0 1 _ l m 的颗粒则对强度不 起作用，因此3 3 0 u m 的颗粒应当占9 0 以上；但颗粒小于1 0 9 m 时需水量大， 因此流变性能好的水泥，小于1 0 9 m 的颗粒应当小于1 0 。国外出现球状水泥和 调粒水泥均具有适当的早期强度、水化热低、水化放热速率慢等方面的优良性能， 是国内水泥的发展方向，也将为高性能混凝土大量应用提供更好的胶凝材料【阍。 2 1 2 试验采用的水泥 试验采用青岛地区常用的硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，质量应符合硅酸 盐水泥、普通硅酸盐水泥( g b l 7 5 1 9 9 9 ) 标准要求。 试验中分别使用了山铝e 0 4 2 5 r 普通硅酸盐水泥、山铝e 0 3 2 5 普通硅酸盐 水泥，水泥的物理力学性能见表2 1 。 表2 - 1 试验所用水泥物理力学性能表 凝结时间( m i n ) 抗折强度( 肝a )抗压强度( m p a ) 水泥安定性 终凝初凝 3 d2 8 d3 d 2 8 d 山铝 合格 1 3 01 9 34 68 02 3 94 5 1 p 0 4 2 5 r 山铝 合格 1 5 52 3 03 57 61 5 63 8 1 p 0 3 2 5 2 1 3 掺合料的作用 掺合料是自密实混凝土不可缺少的组成部分之一，一般常用的有粉煤灰、磨 细矿渣、硅粉、矿粉等。在混凝土中加掺合料，特别是高活性的优质细掺料，它 的形态效应、微集料效应和火山灰效应能够调节混凝土拌合物粘度系数、改善混 凝土的工作性：改善混凝土的内部结构；降低水化热的温升；提高混凝土的抗腐 蚀能力和耐久性【4 切。 高性能混凝土采用的水灰比低于0 4 ，水泥很难完全水化，部分水泥颗粒在水 泥石中仅起到填充的作用。这种情况下，不但是种浪费而且不能发挥水泥的早期 强度，掺加适宜的掺合料取代这部分水泥，即能节约能源，又对混凝土的后期强 青岛理工大学工学硕士学位论文 度的增加有贡献啡1 9 1 。 矿物外掺料的加入不仅有效改善了自密实混凝土硬化后的孔结构及力学性 能，而且能够大幅度地降低白密实混凝土新拌砼的内部屈服剪应力，显著改善其 塑性阶段的流变性能，并降低初期水化热，因此已成为配制自密实混凝土的重要 组分之一。 有研究表明，超塑化剂主要被吸附在水化产物的表面。在掺用同样的减水剂 情况下，随着掺合料的增加，混凝土中水泥的成分逐步减少，降低了c 3 a 、c 3 s 物相的含量。低活性掺合料反应程度不高，在水化反应初期水化产物较少，对减 水剂的吸附能力也减弱，拌合物中仍有大量剩余超塑化剂，则新生成的水化产物 吸附超塑化剂而阻止凝结，其水泥浆仍然保持一定的流动性。表现为混凝土坍落 度损失减少，坍落度得到明显的提高1 2 a 2 2 l 。 粉煤灰是自密实混凝土最常用的活性掺合料，具有“活性效应”、“界面效应”、 “微填充效应”和。减水效应”。在自密实混凝土中，要求充分发挥这些效应，一 是要求活性掺合料的颗粒与水泥颗粒在微观上应形成级配体系：二是球形玻璃体 含量要求高，因为球形玻璃体掺合料的减水效应显著，需水量可大大降低。 粉煤灰由于颗粒呈圆球状，并且密度小，因此在颗粒形貌上对改善新拌混凝 土的流变性能最为有利。微观研究表明矧掺粉煤灰水泥的水化，主要是熟料矿物 的水化，以及粉煤灰与c a ( o n h 的反应。首先是水泥熟料水化所析出的c a ( o t - l h ， 通过液相扩散到粉煤灰玻璃体的表面，发生化学吸附和侵蚀，并生成水化硅酸钙 和水化铝酸钙；当有石膏存在时，随即产生水化硫铝酸钙结晶。大部分水化产物 开始以凝胶状出现，随着龄期的增长，逐步转化成纤维状晶体，数量不断增加， 相互交叉，形成连锁结构，使后期强度得到较快的增长。由于粉煤灰的球状玻璃 体比较稳定，表面又相当致密，不易水化。在水泥水化7 天后的粉煤灰颗粒表面 上，几乎没有变化，直到2 8 天才开始初始水化，略有凝胶状的水化产物出现，在 9 0 天后粉煤灰颗粒表面才产生大量的水化硅酸钙纤维状晶体，它们相互交叉连接 形成很高的粘接强度。以上水化过程导致，粉煤灰的掺入对水化放热峰的延迟及 早期水化热的降低效果也较矿渣与石灰石粉明显i u l 。 磨细矿渣的火山灰效应高，因此能改善自密实混凝土硬化后的孔结构和强度； 矿渣由于细度较高，能显著提高自密实混凝土拌和物的流动速度，改善其流变性能， 且对改善白密实混凝土的早期孔结构有一定作用1 2 5 1 。 青岛理工大学工学硕士学位论文 硅灰是电冶金法生产硅和硅铁合金时的副产品。由于硅灰的高火山灰活性、 几何形状和尺寸的特殊性，掺入混凝土后，使得它能有效地填充水泥颗粒之间的 空隙，从而使水化颗粒堆积更紧密、分布更均匀，改善了水泥浆体和界面区的微 观结构。与不掺硅粉的混凝土相比，界面区晶体量和孔隙率均减少，界面区结构 密实度大大增强，主要组分是密实的c s h 凝胶。这些因素保证了骨料和基体之 间的有效粘纠l o 】。硅灰世界年产量仅1 0 0 万吨圈，属缺乏资源，造价较高。 磨细石灰石粉、石英砂粉等很低活性的细掺料主要用于改善混凝土的工作性 和降低温升，掺量应小于1 0 ，否则会影响混凝土的强度。在混凝土中掺入约2 磨细的石灰石粉，有利于提高早期强度，它能与水泥中的c 3 a 反应生成水化碳铝 酸钙( c 3 a 3 c a c 0 3 3 2 h 2 0 ) 。它在水泥中的作用主要是在粉细状态时产生“微粒 效应”。将其磨细掺入混凝土，对提高混凝土的强度、抗渗性和抗化学侵蚀性具有 良好的效果。 研究比较粉煤灰( f a ) 、磨细矿渣( b s ) 、磨细石灰石粉( c a ) 得出结论： 对于坍落度扩展值( s f ) 均与间隙通过性而言，f a 优于c a 优于b s ； 对于2 8 d 抗压强度而言，b s f a c a ； 对于流过时间a t 而言，c a 最短，b s 次之，f a 最长。 产生这此性能差异的原因，主要在于f a , b s ，c a 在颗粒形态、密度、细度以及 活性上均有区别。扫描电镜观测的结果反映出粉煤灰的颗粒呈圆球状，而矿渣与 石粉颗粒均为棱角形，圆球形的粉煤灰颗粒分散于水泥粒子间，更有利于降低体 系的屈服应力，因此在颗粒形貌上粉煤灰对改善流动性最为有利。等量取代水泥 时，掺粉煤灰的混凝土粉体材料体积比vp 最大，因此对流动性及间隙通过性最 为有利。 总之，不同矿物掺合料在混凝土中的作用有其各自的特点。硅灰在混凝土中 有增强作用，但是自干燥收缩大 2 6 7 】，需水量大而允许掺量有限，并且对混凝土 温升没有降低作用；磨细矿渣需水量不大，对混凝土的后期强度增长有利，但是 白干燥收缩也较大【2 2 e l ；掺粉煤灰的混凝土自干燥收缩小，而且需水量小，但早 期强度低、抗碳化能力较差p 川。为了发挥各种矿物掺合料的优异性能，当前众多 的研究都将矿物掺合料复合掺加在混凝土中，发挥其“超叠加效应”。根据复合材 料的。超叠加效应”原理，将不同种类的掺合料以合适的复合比例和总掺量掺入 混凝土，则可以取长补短，不仅可以调节需水量，提高混凝土的抗压强度，而且 1 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 还可减小收缩，提高耐久性。 2 1 4 试验用矿物掺合料 硅粉的价格过于昂贵，石粉使用的普遍性存在着地域差异问题，本试验使用 普遍采用的粉煤灰作为掺合料进行研究。 使用大掺量粉煤灰替代水泥来保证粉体的数量，从而实现优良的自密实性能 的优点： 1 ) 大量使用粉煤灰，保持水泥的低用量，利用粉煤灰和水泥的价格差异降低自 密实混凝土的成本； 2 ) 使用大量粉煤灰作为建筑材料不仅具有环保意义，同时还可以降低大量使用 水泥所带来的混凝土内部温升； 3 1 大量使用粉煤灰在确保早期强度和抗碳化性能的基础上可以显著改善混凝 土结构的耐久性口。 高掺料粉煤灰在结构混凝土中的研究与工程应用方面，美、英、加等国所设 计的混凝土的粉煤灰用量一般为5 0 7 0 ，较常用的为5 0 5 8 ，且应用的灰 源相当广泛，相当于我国标准的i 、级灰均被使用于混凝土结构口2 】。我国对 粉煤灰的使用较为常见，但掺量超过2 0 的工程实例较少，且使用较多的仍是i 级灰，粉煤灰作为最大宗的工业废弃物，在结构中利用率依然很低，如何提高粉 煤灰，尤其是低品质粉煤灰在混凝土结构中的利用率是需研究解决的课题。 因此本试验采用的是i i 级粉煤灰。 2 2 骨料 2 2 1 骨料对自密实混凝土的影响 天然岩石一般强度都很高，在8 0 1 5 0 m p a 。因此对于低标号自密实混凝土最 重要的不是强度，而是粗集料的粒形特征，包括：粒形、粒径、表面状况、级配 以及风化石含量等。 骨料的粒形、尺寸和级配对自密实混凝上拌合物的施工性，尤其是对拌合物 的间隙通过性影响很大。文献【1 4 】报道，用密实体积率为6 2 的碎石，混凝土拌合 物的间隙通过率是用密实体积率为6 7 的卵石时的一半，因此粗骨料的密实体积 1 5 青岛理工大学工学硕士学位论又 率大的好。粗骨料的最大粒径，当使用卵石时为2 5 m m ，使用碎石时为2 0 m m ，间 隙狭小的部位用1 5 m m 。 细集料选用石英含量高、颗粒形状浑圆、洁净、具有平滑筛分曲线的中粗砂， 细度模数在2 6 3 2 之间。细度模数在3 附近时，混凝土工作性最好，强度最高。 由于砂率大，砂子宜选用中粗砂，以偏粗为好。应严格控制砂中粉细颗粒的 含量和砂子的含泥量。同时要保证0 6 3 m m 筛的累计筛余大于7 0 ，而0 3 1 5 m m 筛的累计筛余为9 0 左右，而0 1 5 m m 筛的累计筛余大于9 8 e 4 。 2 2 2 骨料选用 选用5 m m 1 6 m m 碎石和l o m m 2 0 m m 碎石按照1 ：1 比例混合而成。碎石的 表观密度为2 6 2 9 c m 3 ，堆积密度为1 4 2 0 k g m 3 ，碎石的密实体积为0 5 4 2 。 试验用砂是细度模数为2 8 5 的河砂，属中砂。 2 3 外加剂和水 高效减水剂( 超塑化剂) 是自密实高性能混凝土必要的组分。正是因为高效减水 剂的出现。才使得混凝土的水胶比能降得很低却仍可有很好的工作性，高性能混 凝土的实现才成为可能。因外加剂的掺量都很少，故使用外加剂时应当延长搅拌 时间，以得到均匀的混凝土拌和物。 对自密实混凝土外加剂性能的要求为：有优质的流化性能，保持拌合物流动性 的性能、合适的凝结时间与泌水率、良好的泵送性；对硬化混凝土力学性质、干 缩和徐变无不良影响、耐久性( 抗冻、抗渗、抗碳化、抗盐浸) 好。为此多采用高性 能引气型减水剂。同时，由于自密实混凝上拌合物往往有离析的倾向，多采取掺 抗离析剂或增稠剂来解决。抗离析剂有纤维素水溶性高分子、丙烯酸类水溶性高 分子、葡萄糖或蔗糖等生物高聚物等。其中纤维素醚和甲基纤维素用得最多。但 是添加抗离析剂时，对混凝土的强度有些影响。北京建工集团一建公司使用两种 不同原料来源的萘系高效减水剂复合使用，对自密实混凝上的抗离析性有显著效 果口3 1 。 高性能自密实混凝土外加剂的选择原则，既有同普通混凝土相同的地方，如 水泥适应性等，又有其特殊性低水胶比、高流动度、高耐久性、故而水泥活 性、水泥矿物成份、碱含量与外加剂的相容性就显得更为突出。同时还须考虑与 1 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 矿物掺合料之间的适应性等特点【蚓。 试验选用外加剂为聚羧酸减水剂，掺量为胶凝材料用量的1 2 。试验采用的 水为普通自来水。 1 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 1 典型的设计方法 3 1 1 配制理论 第3 章试验设计 日木东京大学冈村甫等提出的自密实混凝土配制有下述三种： 1 ) 粉体系：高性能( a e ) 减水剂+ 水+ 细骨料+ 粗骨料+ 粉体( 水泥+ 石灰石粉、高 炉矿渣、粉煤灰、硅灰等) ，其中又有 一成份系：粉体仅水泥。 二成份系：粉体有水泥和一种掺和料。 三成份系：粉体有水泥和两种掺和料。 2 ) 增粘剂系：高性能( a e ) 减水剂+ 水+ 细骨料+ 粗骨料+ 水泥+ 增粘剂 3 ) 并用系：高性能( a e ) 减水剂+ 水+ 细骨料+ 粗骨料+ 粉体+ 增粘剂 后两系列有如下问题很难使其实用化：生产制造过程的计量、搅拌较难控制； 单方混凝土成本较高；增粘剂本身性能尚不够完善，故实用型的自密实高性能混凝 土应以第1 种粉体系为其理论基础阅。 3 1 2 自密实混凝土的配制方法 由于自密实混凝土对工作性的特殊要求。导致自密实混凝土的配合比设计方 法不同于普通高性能混凝土。适用于一般高性能混凝土的全计算法设计的自密实 混凝土配合比，经试验证实难以达到自密实混凝土的性能要求，文献提出经验推导 法设计符合性能要求的自密实混凝土冈。 神经网络理论用于自密实混凝土性能的预测具有较高的预测精度，为白密实 混凝土生产经验和试验经验的知识库的建立提供了有效途径，可以节约大量试验 费用和工期，同时可以反映传统数学模型中不便考虑的其它各种因素的影响 3 7 1 。 通常，用调整单方用水量和外加剂的方法调整混凝土拌合物的流动性。用水 量和外加剂增大时流动性随之增大，而抗离析性则随之下降。自密实混凝土拌合 物的特点是高流动性而无离析，因此流动性和抗离析性是互相矛盾的。达到用水 1 8 青岛理工大学工学俩土学位论文 量、外加剂用量和流动性、抗离析性的平衡，使矛盾得到统