自密实高强混凝土配合比设计方法及适用性研究

高强自密实混凝土配合比设计方法及适用性研究摘要：自密实混凝土作为高性能混凝土的一个分支，由于其优越的性能越来越受到重视。本文介绍了六种自密实混凝土配合比设计方法的特点。选择固定砂石体积法、改进全计算法和参数法进行了C60自密实混凝土的配合比设计及混凝土试拌，测试其新拌混凝土的性能及相应的硬化混凝土强度。探讨这三种配合比设计方法适用性。关键词：自密实混凝土；配合比设计；性能；强度Abstract:Self-compactingconcreteasabranchofhigh-performanceconcrete,paymoreandmoreattentiontoitbecauseofitssuperiorperformance.Thispaperpresentsthesixself-compactingconcretemixdesigncharacteristics.Accordancetothesinglefactormethod,improvethecalculationmethodandtheparametersmethodtomixdesigntheC60self-compactingconcreteandmixitsconcrete,andtestitsfreshconcretepropertiesandthestrengthofhardenedconcrete.Discussofthesethreemethodswiththeapplicationofmixdesign.Keywords:self-compactingconcrete;mixdesign;performance;intensity0引言SCC是第四代混凝土—高性能混凝土(HPC)的一个重要组成部分和发展方向。20世纪80年代日本东京大学岗村甫教授研究室率先提出SCC的概念并研制成功。我国对SCC的研究与应用开始于90年代初期。自密实混凝土（self-compactingconcrete,简称SCC）又称自流平混凝土、高流动混凝土、免振捣混凝土，是一种在浇筑时不需要振捣，仅依靠自重就能充满配筋密集的模版，并且保持良好匀质性的混凝土。然而，自密实混凝土对原材料的敏感性，使其没有一个统一的配合比设计方法和工作性能检测不统一，导致自密实混凝土应用不广泛。因此，对自密实混凝土的配合比设计方法及其基本性能的研究具有重要的意义。传统的混凝土配合比设计一般由三个因素确定：水灰比、砂率和单位用水量来确定。由于自密实混凝土自身的特点，使得原来的普通混凝土配合比设计方法和原则已不再适用。而自密实混凝土的配合比设计至今没有形成统一的设计计算方法。本文介绍了六种关于自密实混凝土的配合比设计方法特点。而后，按照固定砂石体积、改进全计算法和参数法来设计C60自密实混凝土。按照这三种配合比设计方法进行配合比设计，测定其新拌混凝土的性能和硬化混凝土强度，在此基础上探讨这三种配合比设计方法的适用性。1常见自密实混凝土配合比设计方法1.1配合比设计理论和方法迄今为止，关于自密实混凝土的配合比设计，国内外尚未有统一的配合比设计方法，国内外学者提出的配合比设计方法主要有：固定砂石体积法，全计算法、改进全计算法，参数设计法，骨料比表面积法，简易配合比设计方法等。下面主要介绍这六种配合比计算方法的特点。（1）固定砂石体积法：由岗村甫教授提出的固定砂石体积法是应用最广的自密实混凝土配合比设计方法。该方法在保证强度的基础上，体现了按工作性要求设计自密实混凝土的原则。认为粗骨料的体积含量和砂在砂浆中的体积含量是影响拌合物流动性的重要参数，这种认识将自密实混凝土从工作性上与其他混凝土区别开来。（2）全计算法：这种方法是由武汉工业大学的陈建奎教授最早提出来的，是作为高性能混凝土的一种设计新法。北方工业大学的姜德民、高振林采用了全计算法，对高性能自密实混凝土进行配合比设计。该方法是一种定量设计法，它推导出了高性能混凝土单方用水量和砂率的计算公式。直接将高性能混凝土配合比计算的全计算法用于计算自密实高性能混凝土时,算得的砂率和浆集比都偏低,难以满足自密实的要求。不适合于自密实混凝土配合比的计算。（3）改进全计算法：中南大学结合固定砂石体积含量法的特点，对全计算法用于计算自密实混凝土配合比进行改进而提出的。该方法是全计算法结合了固定砂石体积法，改进后计算的主要特点是:砂石计算不再采用全计算法中砂率计算公式而是引进了固定砂石体积含量计算法的方法，保留全计算法中用水量计算公式。将浆体体积与传统的水胶比定则联系起来,混凝土配合比的参数可全部定量按公式计算,计算公式和步骤简单,公式的物理意义明确。（4）参数法：天津大学在总结以往成果的基础上，提出了一种新的自密实混凝土配合比设计方法：参数法。参数法中主要用四个参数来控制配合比中材料的质量。粗骨料系数α用于计算石子用量；砂拨开系数β用于计算砂用量；掺合料系数γ和水胶比W/B反映了胶凝材料净浆的组成。这是针对具体材料具体确定某一参数的取值。从自密实混凝土对原材料质量十分敏感这方面来控制配合比中的原材料质量。但参数法中α、β两个参数的取值范围是根据其实验的原材料而设定的范围，当原材料性能不一样时α、β两个参数的取值要进行适当的调整。（5）简易配合比设计方法：是我国台湾国立云林科技大学的苏南教授提出的。这种方法新颖独特，简单易行。设计出的混凝土砂率较大而粗骨料和胶凝材料用量较少，这有利于提高混凝土的流动性和穿越钢筋间隙的能力，而且节约成本。但在进行配合比设计时，由于粉煤灰等掺和料对混凝土28天抗压强度贡献很小，因而忽略它们的作用认为混凝土的强度全部由水泥提供，这一方面会产生误差，另一方面当需要配制高强度混凝土时势必会极大增加水泥用量和胶凝材料总量，骨料用量相应减少，这对于混凝土的经济性和耐久性而言都是不利的，可见该方法只适于配制中低强度的自密实混凝土。（6）骨料比表面法：浙江大学在原材料基础上建立骨料比表面积计算方法及富余浆量计算模型，理论上研究原材料条件下自密实混凝土配合比设计，并提出自密实混凝土骨料比表面法配合比设计步骤。该方法的创新之处是对骨料比表面积和富余浆量理论进行了研究，结合骨料的用量、空隙率及比表面积建立了自密实混凝土富余浆量计算模型。但是，在实际算配合比时，程序较为繁琐。根据以上这六种配合比设计方法的特点结合配置的C60高强自密实混凝土的要求，选取了三种配合比设计方法：固定砂石体积法、改进全计算法和参数法来进行C60自密实混凝土配合比的设计。1.2工作性能测试方法和标准（1）自密实混凝土新拌混凝土性能测试方法新拌自密实混凝土工作性要求具有高流动性、填充性、间隙通过性及抗离析性。一般一种测试方法无法全面反映其工作性能，需采用两种及两种以上的测试方法来评价流动性、填充性、间隙通过性及抗离析性。目前用于自密实混凝土工作性能检测的方法主要有：坍落扩展度试验、T50、J环试验、Orimet法、L型仪、U型箱、V型漏斗、O型漏斗、稳定性过筛试验、贯入法测定稳定性试验等。下面主要说明了三个常见的评价自密实新拌混凝土工作性能的方法：(l)坍落扩展度试验坍落扩展度试验用来检测新拌自密实混凝土的流动性、抗离析性，适用于各等级自密实混凝土的流动性和抗离析性能测定。（2）扩展时间T50：用坍落度筒测量混凝土坍落度时,自坍落度筒提起开始计时至坍落扩展度达到500mm的时间即为T50(s)。(3)U型箱试验U型箱试验主要用来测量新拌混凝土通过钢筋间隙与自行填充至模板角落的能力，适用于各个等级的自密实混凝土自密实性能的测定。（2）自密实混凝土性能等级指标表1自密实混凝土性能等级指标试验名称性能等级一级二级三级U型箱试验U型箱试验填充高度(mm)320mm以上（隔栅型障碍1型）320mm以上（隔栅型障碍2型）320mm以上（无障碍）坍落扩展度试验坍落扩展度（mm）700±50650±50600±50扩展时间T50T50（s）5-203-203-202不同配合比设计方法的比较2.1设计目标自密实等级：二级强度等级：C602.2原材料性能（1）水泥采用北京水泥厂的金隅牌水泥P.O42.5普通硅酸盐水泥,密度3.1g/cm3，3天抗折强度与抗压强度分别为5.9MPa和28.4MPa,28天抗折与抗压强度分别为9.6MPa和56.2MPa。（2）砂河砂,密度2.67g/cm3,堆积密度1.495g/cm3.空隙率：44.01%，按JGJ52-92检测细度模数2.6,含泥量2.7%,属Ⅱ区中砂。（3）石子密度2.7g/cm3,堆积密度1.577g/cm3.空隙率：41.59%，按JGJ53-92检测为5～16mm连续级配卵石,压碎指标13.34%含泥量0.76%。（4）粉煤灰北京丰台轻体生产Ⅰ级粉煤灰。（5）外加剂高效减水剂：苏州弗克新型建材公司生产的FOX-8H型高效减水剂,固含量40%,减水率30%以上。（6）水自来水。2.3配合比计算用上面的原材料，按固定砂石体积法、改进全计算法和参数法这三种配合比设计方法进行配合比设计，得到表2。表2试验配合比（kg/m3）配合比方法配合比编号水水泥粉煤灰砂子卵石高效减水剂固定砂石体积法11703461857958644.2621753551917408914.29改进全计算法31723491888338254.1641703451858218544.45参数法51813681986079934.41617435419063610094.243．不同配合比设计方法的混凝土性能3.1新拌混凝土工作性能按照上述自密实混凝土新拌混凝土测定方法测定各个配合比的新拌混凝土性能，相应结果见表3。表3新拌混凝土性能配合比方法配合比编号坍落扩展度（mm）T50（S）U型箱填充高度(mm)固定砂石体积法16859.532527007.4330改进全计算法37056.934047107.5335参数法5新拌混凝土离析6新拌混凝土离析由表3可见，固定砂石体积法和改进全计算法所设计出的C60自密实混凝土配合比均能满足表1自密实混凝土性能指标。而参数法所得到的配合比5和6由于粗骨料体积大、砂率小，所以新拌混凝土出现离析的现象。在《自密实混凝土应用技术规程》(CECS203:2006)中，lm3自密实混凝土中石子绝对体积为0.28-0.35m3，石子最大粒径不宜大于25mm。自密实混凝土限制单位石子用量，主要有两个原因:一是为了防止拌合物通过钢筋间隙时发生阻塞;二是为了有足够的浆体使骨料悬浮在其中。砂率对于自密实混凝土工作性有很大的影响。砂率大时，可能无法确保自密实混凝土所需的流动性，因为细集料在重力作用下的相对运送能力不如粗骨料，过量使用将降低浇筑时填充的冲力。砂率过小，混凝土容易发生离析，原因在于细集料的单位颗粒重量远小于粗骨料，因此悬浮性优于粗骨料，有助于阻止粗骨料的下沉。在参数法配合比设计过程中，主要是通过α、β两个参数来控制砂和石子的用量。α、β两个值的取值为：α为0.63-0.65、β为1.50-1.60是作者根据她试验所用的原材料定的值，当原材料发生变化时，用原来的取值范围进行计算时，可能设计出的配合比新拌混凝土性能不能满足自密实混凝土新拌混凝土的性能，如本文所用的原材料中粗骨料堆积密度比作者所用的粗骨料堆积密度大时，按照上面α的取值所计算出的粗骨料体积较大，容易发生离析。因此，对α、β两个值的取值进行修改。当α取为0.57，β取为1.92.可以得到表4中的配合比。表4参数法配合比（kg/m3）配合比方法配合比编号水水泥粉煤灰砂子卵石高效减水剂参数法71793641957019104.47对其进行新拌混凝土性能测试，都满足自密实混凝土新拌混凝土性能的各项要求，其结果见表5。表5参数配合比的新拌混凝土性能配合比方法配合比编号坍落扩展度（mm）T50（S）U型箱填充高度(mm)参数法77157.5330参数法的α、β两个参数因为原材料的不同，其算出的配合比的新拌混凝土性能偏差较大。在本文使用的试验原材料和结合其他两个方法的配合比设计算例，建议其α、β两个参数取值