自密实混凝土研究概述

自密实混凝土研究概述

本文由同济大学孙振平教授课题组曾文波整理注：本公众号所发布内容均为课题组原创，转载或修编时请务必注明出处。0 引言自密实混凝土(Self-Compacting Concrete，简称SCC)，又称高流态混凝土，免振捣混凝土，自流平混凝土或自填充混凝土等，指混凝土拌合物依靠自重和自身流动性，无需振捣（或稍加振捣）即可填充模板并包裹钢筋，硬化后成为性能对较均匀混凝土硬化体。自密实混凝土是高性能混凝土的一个分支[1]。自密实混凝土的突出特点是拌合物具有良好的工作性能，在密集配筋和复杂模板形状条件下，无需振捣（或稍加振捣）便能均匀密实填充成型，为施工操作带来极大方便。与传统混凝土施工技术相比，自密实混凝土施工具有减少振捣、降低噪音、改善施工环境、加快施工进度、提高劳动生产率及降低工程费用等技术、经济和环保效益，被称为“最近几十年中混凝土技术最具革命性的发展”。自密实混凝土于二十世纪80年代后期由日本首先发明并应用。1988年日本东京大学教授冈村甫最早开发出“不振捣的高耐久性混凝土”，其关键技术是通过掺加高效减水剂和矿物掺合料。在低水胶比条件下，大幅度提高混凝土拌合物的流动性，同时保证良好的黏聚性和稳定性，有效减少了泌水和离析等现象。1996年冈村甫教授在美国得克萨斯大学讲学

中，首次将其命名为“自密实高性能混凝土”[2]。1 自密实混凝土研究现状自密实混凝土优良的工作性及其他方面的性

能引起了各国科研人员的极大兴趣，其研究与应用在世界范围内广泛展开。美国、日本等国的学者开展了针对自密实混凝土的系统研究，包括工作性及流变性能测定、配合比设计、耐久性、结构性能以及关于配制自密实混凝土的矿物掺合料与外加剂等方面的研究[3]。2002年3月，欧盟混凝土和化学专业委员会(EFNARC)发表了关于自密实混凝土设计、应用指南，是自密实混凝土的第一个设计、应用规范[4]。同年美国ASTM C09委员会也开展了制定自密实混凝土标准的工作[5]。我国同济大学、中南大学、清华大学、苏州混凝土水泥制品研究院、福州大学等科研单位均对自密实混凝土进行了研究，但研究方向各有侧重。同济大学主要在自密实混凝土用高性能减水剂和高性能矿物外加剂的开发与应用技

术方面开展了大量研究工作[6]。中南大学针对自密实混凝土掺合料、工作性、耐久性等方面进行了研究[7]；清华大学进行了抗压强度为80MPa的自密实混凝土工程试验研究[8]；苏州混凝土水泥制品研究院进行了配制方法方面的研究[9]；福州大学进行了配合比设计方面的研究等[10]；在大量研究基础上，我国也陆续发布了关于自密实混凝土设计、应用的规范和标准。2004年中国土木工程学会发布了《自密实混凝土设计与施工指南》，2006年中国工程建设标准化协会发

布了《自密实混凝土应用技术规程》，2012年发布了国家行业标准JGJ/T 283-2012《自密实混凝土应用技术规程》。近10多年来，随着我国自密实混凝土应用技术规范不断完善，自密实混凝土的应用进入了全面爆发阶段，应用范围涉及了核能、铁路、水利、市政、民用等各类工程，除地下暗挖、密筋、形状复杂等无法浇筑或浇筑困难部位等特殊工程部位外，在加固工程，盾构管片、离心成型等预制构件的生产中也有所应用。随着自密实混凝土性能不断提升，种类也趋于多样化，如掺加钢纤维和合成纤维的自密实混凝土，轻骨料自密实混凝土，堆石自密实混凝土，机场道面自密实混凝土及石灰石粉自密实混凝土等，以及“三明治”即

SCC-NMC-SCC的夹层施工体系等均在实际工程中得到了应用。2 自密实混凝土的设计及制备方法 2.1 设计方法及原理与普通混凝土相比，自密实混凝土的关键是在新拌阶段能够依靠自重作用充模、密实，而不需额外的人工振捣，也就是所谓的“自密实性(Self-compactability)”，流动性、填充性、间隙通过性以及抗离析性是其重要的特征。自密实混凝土拌合物的自密实过程可由图1表示，粗骨料悬浮在具有足够粘度和变形能力的砂浆中，在自重的作用下，砂浆包裹粗骨料一起沿模板向前流动，通过钢筋间隙，进而形成均匀密实的结构。图1 自密实混凝土拌合物的自密实过程自密实混凝土拌合物的自密实性为混凝土硬化后的性能提供了重

要保证，因而，自密实性是进行自密实混凝土设计的重要基础，已有的自密实混凝土设计方法大部分是根据这一原理发展的。日本东京大学最早进行了自密实混凝土的设计研究，提出了自密实混凝土原型模型方法(Prototype method)[11]。在此基础上，各国学者也进行了自密实混凝土的设计方法的相关研究，可归纳为三类：(1) 基于自密实混凝土拌合物的变形性、间隙通过性以及抗离析性的理论分析，结合实验室试验研究结果，建立拌合物变形性、抗离析性及间隙通过性与其配合比参数之间的经验关系。Edanatsu等[12]认为：砂浆的变形性能对自密实混凝土拌合物性能起关键作用，自密实混凝土拌合物中砂子与砂浆的体积比(VS/Vm)相对固定，然后基于普通混凝土配合比设计方法即可进行自密实混凝

土设计，并提出了一种测定砂浆变形性能和粘度的V形漏斗测定方法。Kasemsamrarm等[13]认为：自密实混凝土拌合物的自密实性取决其变形性、离析以及间隙通过性，其关键影响因素是拌合物的自由水含量、粉体与骨料的保水性以及固体颗粒的有效表面积，由此建立了这些参数与变形能力、变形速度、离析等之间的经验模型。(2) 基于各组分对自密实混凝土拌合物工作性贡献的理论分析，提出的自密实混凝土设计方法。Sedran[14]等提出可压缩密实模型(compressible packing model, CPM)，主要根据自密实混凝土拌合物流变性能与混合物体系密实度、超塑化剂等参数之

间的理论分析，为了计算的精确性和快速化，开发了一套配合比设计软件。该模型采用计算机处理，大大减少了工作量。然而，该模型需建立混凝土拌合物的流变性能与实际工程应用中工作性之间的关系，以更好的用于现场施工控制与应用；且由于各类原材料参数具有较高的复杂性，因此需建立适用于更广泛性质原材料组成混凝土拌合物流变模型，并应考虑模型的变异性。(3) 基于大量试验统计关系的自密实混凝土

配合比设计方法，即：通过积累大量的实验数据，建立原材料配比参数与混凝土性能之间的经验关系。此方法能解决由于材料组成的多样性与复杂性以及对混凝土拌合物性能的

高要求而导致的理论计算与模拟分析的不确定性和困难，但是工作量非常巨大，需要进行大范围的相关数据的收集累积，建立相关的数据库，以提高模型的普适性。自密实混凝土与普通混凝土的配合比设计有很大差别，至今没有形成统一的设计方法。目前国内已有的混凝土配合比设计方法各有针对性和侧重点，配制自密实混凝土应根据具体需求选择合适的方法。JGJ/T 283-2012《自密实混凝土应用技术规程》的颁布与实施能较好的指导和规范自密实混凝土的配合比设计，为自密实混凝土配合比设计提供了依据。 2.2 配制技术自密实混凝土原材料包括：粗细骨料、胶凝材料、外加剂等。为了获得理想的性能，必须采取相应的技术途径，对自密实混凝土进行精心设计，确定各特定性质组成材料的合理比例。

实践表明：混凝土拌合物的性能取决于浆体和骨料的性质与含量。当骨料性质与含量一定时，优化浆体的粘度、屈服剪切应力，可获得工作性良好的自密实混凝土拌合物。随着化学外加剂合成技术及矿物掺合料、在混凝土中的应用技术的进步，自密实混凝土已形成了三大配制技术途径，即矿物掺合料(填料)体系、增稠剂体系以及两者并用体系。化学外加剂对促进混凝土技术的发展起到了非常大的作用，其研究与应用潜力巨大。相信在不久的将来，自密实混凝土技术会取得更大的突破，配制技术复杂和成本偏高等现有缺点不再成为其广泛应用的障碍，自密实混凝土将成为真正普遍应用的“普通混凝土”。3 自密实混凝土工作性能的评价自密实混凝土区别于普通混凝土的最大特点在于对拌合物工作性能的

要求，主要包括流动性、填充性、黏聚力、钢筋间隙通过性和抗离析性等，通常这几项指标并不需要同时达到最佳，而是根据自密实混凝土应用特点着重对其中一项或者几项做

重点要求。由于工作性能的显著差异，采用普通混凝土工作性能测试方法和指标（如坍落度）已经不能完全满足实际工程需要，目前实验室和施工现场通常采用坍落度、坍落扩展度、T50cm时间、L型仪、U型仪、V型漏斗、筛分法等其中的一种或几种来评价自密实混凝土工作性能[15]。 3.1 流动性与填充性能测试方法主要方法为坍落度和坍落扩展

度测试，简单易行，试验装置和方法与普通混凝土基本相同，

只是混凝土装入坍落度筒时不振捣，以坍落扩展度、坍落度作为控制指标。坍落扩展度有4种级别：(1)坍落扩展度在(550-650)mm之间，主要用于不配筋或者配筋量很少的结构，并且混凝土从上至下浇筑；(2)坍落扩展度为(660-750)mm，主要用于普通钢筋混凝土结构，如墙、柱等；(3)坍落扩展度为(760-850)mm，此时石子最大粒径宜小于16mm，主要用于密集配筋、形状复杂或者从模板下面浇筑的结构；(4)坍落扩展度大于850mm，主要用于一些对混凝土流动性和填充

性要求更高的部位和结构，如加固修补等。此时最大骨料粒径宜小于12mm，并且要特别注意保证高流动下的抗离析性。

3.2 黏聚力与流动性测试方法主要测试方法有T50cm时间、V型漏斗和O型漏斗等方法。T50cm时间是以混凝土从坍

落度筒中流出摊平为直径50cm范围的时间作为评价指标，对T50cm时间的控制有2个级别：(1)T50cm流动时间在2s 以内，这样的自密实混凝土有很好的表面特征与良好的填充性，但拌合物容易发生离析；(2)T50cm流动时间大于2s，混凝土拌合物可能会受表面气泡影响，表面常有孔洞现象，抗离析性好，对模板侧压力也比较小。一般高砂率、粗骨料粒径较小情况下，T50cm流动时间宜控制得小一些，以减少表面孔洞；反之，T50cm时间宜控制得大些，以增加抗离析性。 3.3 钢筋通过性能测试方法自密实混凝土应用于配筋密集结构时需测试钢筋通过性，扁平构件中钢筋净距大于

80mm或其他结构中钢筋净距大于100mm时，可不做该项要求。钢筋通过性测试常用L型筒试验和U型筒试验方法。L型筒试验分为筒口放置2根钢筋和3根钢筋两种方法，用混凝土流过钢筋后水平筒终止端和起始端混凝土高度比衡

量钢筋通过性，控制目标为H2/H1>0.8。当构件钢筋间距为(80-100)mm时，宜采用2根钢筋的L型筒；当构件钢筋间距为(60-80)mm时，宜采用3根钢筋的L型筒；当钢筋间距小于60mm时，除了要求H2/H1>0.8外，同时应限制石子最大粒径，并要求目测钢筋出口处没有堵塞现象。 3.4 抗离析性能测试方法流动性过大必然造成抗离析性差，要专门测试自密实混凝土抗离析性，在流动性和稳定性之间找到合理的平衡。抗离析首先要求目测混凝土坍落度试验中坍落扩展的混凝土中间是否有石子堆积、边缘泌水现象。此外还有筛分析法，采用5mm方孔直径为350mm的标准筛，用筛通过量反映抗离析性，具体做法是从预拌混凝土中取10L左右置于桶中，静置15min后将桶上部4.8kg左右的混凝土倒入方孔筛，称重，静置120s后把筛及其中混凝土移走，称量筛孔流下的水泥浆重量，二者之比即为筛通过率，要求筛通过率小于20%；当抗离析性要求严格时，筛通过率应小于15%。4 自密实混凝土应用存在的问题(1) 自密实混凝土需要的优质骨料和高性能减水剂发展滞后，影响了自密实混凝土性能的提升和推广应用。目前天然骨料资源接近枯竭，且

质量不易控制，人工优质骨料由于造价、环保、政策支持和地方保护等诸多原因在某些地区应用与推广较慢。自密实混凝土所需的高性能减水剂需具备高减水率、高保坍、高粘度调节能力及可降低收缩等特点，目前市场上可供选择的优质减水剂较少。(2) 由于原材料质量的限制，目前配制自密实混凝土采用的高胶凝材料掺量和较大浆骨比方案会对自密

实混凝土的体积稳定性和造价带来不利影响，急待优质骨料和高性能减水剂性能提升予以解决。(3) 自密实混凝土应用的配套技术方案及管理还有待完善。实际工程往往习惯于采取常规普通混凝土的施工方式来“对待”自密实混凝土施工，可造成模板支撑刚度不够、辅助振捣过度、养护效果不良等诸多质量缺陷和安全隐患。(4) 自密实混凝土的实体检测规范还有待进一步完善。由于钢筋或型钢(钢管)密集，尺寸受限等原因，自密实混凝土结构一般难以钻取芯样检测；另一方面，掺加较多的掺合料并免振成型，自密实混凝土表面硬度与普通混凝土存在一定差别，采用统一的回弹法进行实体强度检测，势必存在较大的偏差，不能真实反映自密实混凝土结构的实际强度。5 结语自密实混凝土的出现很好地解决了普通混凝土发展过程中的相关问题，其不仅适应了当代混凝土工程超大规模化、复杂化的要求，而且为混凝土走向绿色化、高性能化提供了技术保障，是混凝土技术的一次革命。针对自密实混凝土的深入研究具有较高的学术价值，可为自

密实混凝土在实际工程中的应用提供必要的理论指导。参考文献[1] 施惠生, 孙振平, 邓恺, 等. 混凝土外加剂技术大全[M]. 北京: 化学工业出版社, 2013: 235-236.[2] 赵筠. 自密实混凝土的研究和应用[J]. 混凝土, 2003, (6): 9-17.[3] 周履. 高性能混凝土与自密实混凝土在日本的发展与应用[J]. 国外桥梁, 1998, (2): 14-16.[4] EFNARC. Specifying

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