1、自密实混凝土配合比设计 一、文献综述 1.1 自密实混凝土简介 混凝土是由胶凝材料 ( 如水泥 ) 和各种矿物掺合料、骨料 ( 如砂石 ) 及水按适当比例配合，拌合形成混合物，经过一定时间的凝结硬化，形成具有力学性能的人造石材。自密实混凝土（ Self-Consolidating Concrete 简称 SCC）是指在自身重力作用下能够流动、密实，即使存在致密钢筋也能完全填充模板，同时获得很好均质性，并且不需要附加振动的混凝。 自密实混凝土拥有众多优点：卓越的流动性和自填充性能，并且不离析、不泌水，能够保证混凝土良好的密实性；施工过程中无需振捣，避免了振捣对模板产生的磨损，并且没有振捣噪音，能
2、够改善工作环境和安全性；成型后的混凝土有优异的耐久性，不会出现表面气泡或蜂窝麻面，不需要进行表面修补，能够改善混凝土的表面质量 1。 自密实混凝土具有砂率较高、胶凝材料掺量较大、高效减水剂用量较大等特点，这些特点使得自密实混凝土与普通混凝土的配合比设计大不相同。再加上自密实混凝土对原材料的要求比较严格，各种原材料因地域性不同所表现出来的材料 组成和性质有着天壤之别。所以，针对于某一地区的原材料性能合理地进行自密实混凝土的配合比设计有重要的意义 2。 二、自密实混凝土概述 2.1 研究的目的及意义 3 从 1988 年日本有了关于自密实混凝土的首篇报道以来，自密实混凝土的发展已有十几年的历史。本
3、文首先将对其进行综述，概括介绍国内外关于自密实混凝土的基本研究应用结论，这为系统地认识自密实混凝土并进一步开展相关研究工作奠定了基础。 2.1.1国内对自密实混凝土的研究 国内对自密实混凝土的研究与应用开始于 90 年代初期。 1987 年冯乃谦教授提出了流态混凝土 概念，奠定了这一研究的基础。 1993 年，北京城建集团构件厂在研制出 C60-C80 大流动性高强度混凝土的基础上开始着手于免振捣自密实高性能混凝土的研制，于 1996 年获得了免振捣自密实混凝土的国家专利。之后，中建一局、中国铁道建筑总公司及深圳、济南、天津、宁夏等地陆续有了自密实混凝土应用于工程实践的报道。 2003 年广州
4、西卡建筑材料公司天津分公司先后在天津和北京举办“高性能混凝土、自密实混凝土研讨会”，推动了津京地区自密实高性能混凝土的发展。此外，清化大学的廉慧珍教授、覃维祖教授、武汉工业大学的马保国教授、哈尔滨 工业大学的巴恒静教授、福州大学的郑建岚教授、中南大学的谢友均教授、山东建工学院的李志明教授以及江苏建材研究院、天津市建筑科学研究院等对自密实混凝土做了大量研究工作，促进了我国自密实混凝土的发展。 2.1.2国外对自密实混凝土的研究 国外对自密实混凝土的研究报道较早出现于日本。 1988 年夏，东京大学冈村甫研制室第一次成功地配制出自密实混凝土。次年，在东京举行了自密实混凝土的公开实验，会后许多大建筑
5、公司开始了自密实混凝土的开发。 1991 年就有13 家总承包公司的研究人员在东京大学实验室研究自密实高性能混凝土， 1992年出席日本混凝土学会关于自密实混凝土年会的单位增至 30 家。至 1994 年底，日本已有 28 个建筑公司掌握了自密实混凝土的技术，可见其发展速度是很快的。其它国家也逐渐开始研制自密实混凝土。事实上，上世纪 80 年代早期挪威建造的混凝土结构海上石油平台，由于配筋密集且结构庞大无法对混凝土振捣，所配制使用的混凝土实际上是依靠重力密实。法国于 1995 年开始研制免振捣自密实混凝土，瑞典、德国、新加坡、瑞士等国家也相继研制成功并获得应用，荷兰自1999 年开始已将自密实
6、混凝土用于预制建筑构件的生产。 2.1.3 自密实混凝土的 应用现状 目前，自密实混凝土已广泛应用于各类工业民用建筑、道路、桥梁、隧道及水下工程、预制构件中，国内也已有自密实混凝土用于特殊结构施工报道，如大型爆炸洞、水工建筑物、窄径深孔井桩、钢管混凝土等。 加拿大、英国有报道通过高掺量粉煤灰生产出 28 天强度为 28-46MPa 和30-35MPa 的自密实混凝土；世界上跨度最大（主跨 1990m）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24万 m3m 和 15 万 m3m 强度为 25MPa 的自密实混凝土。由于采用自密实高性能混凝土施工
7、新技 术，使两个锚锭的施工从两年办缩短到两年，缩短工期 20%；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，实测 28d 强度 119MPa， 91d 强度 145MPa，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 30%。 国内也有 C30， C40 自密实混凝土的研究和应用。 2002 年 C100 高性能混凝土在北京率先成功应用于国家大剧院工程后， 2004 年 4 月沈阳远吉大厦钢管混凝土柱采用自密实混凝土浇灌， 28 天强度等级达到 C100。深圳、上海、北京等城市已应用自密实混凝土浇筑了 4 万余立方米。主要应用 于地下暗挖、配筋形状较为密实、复
8、杂等无法浇筑和振捣的部位。解决了施工扰民的问题，缩短了浇筑工期。 2.2 课题研究内容 2.2.1 自密实混凝土配合比设计方法研究 在参考大量文献、总结各种已有混凝土配合比设计方法的基础上，提出一种新的自密实混凝土配合比设计方法。该方法应力求满足自密实混凝土对于原材料的敏感性要求，考虑到具体材料的特性而变化其中的参数取值，并能体现不同参数对于自密实混凝土相应性能的影响。 2.2.2 水泥和矿物掺合料与减水剂相容性问题的试验研究 净浆的流变性能对自密实混凝土的工作性有很大影响 。要保证所用高效减水剂应该与水泥和矿物掺合料之间彼此相容，并且为了满足浆体的流动性、保水性和粘聚性等多方面要求，各材料用
9、量应该有一个合理的范围本文采用一种水泥、两种新型高效减水剂和三种矿物掺合料，按“混凝土外加剂对水泥的适应性检测方法”，分别研究了各材料组分在不同水灰比和不同比例搭配条件下的浆体流动性，为自密实混凝土配合比试验提供参考数据。 2.2.3 自密实混凝土配合比试验研究 按照本文提出的自密实混凝土配合比设计方法设计初步配合比，探讨各参数对于混凝土性能的影响，并针对所用原材料得出其合理用量范围 ;在保证 良好工作性的基础上，研究自密实混凝土的力学性能 ;在现有试验条件下，争取扩大强度范围，配制出不同强度等级的自密实混凝土。 2.3 自密实混凝土性能 2.3.1 混凝土工作性 对于混凝土拌合物的工作性，众
10、多学者曾给出自己不同的定义。工作性涵义的广泛和难于定量化表示是它最大的特点与普通混凝土和一般大流动性混凝土相比，自密实混凝土的工作性内涵有所扩大，具体体现在以下四个方面 : （ 1）高流动性 :保证混凝土能够在自重作用下克服内部阻力 (包括胶凝材料的粘滞性与内聚力以及骨料颗粒间的摩擦力 )和与模板、钢筋间的粘附性，产 生流动并填充模板与钢筋周围。 （ 2）高稳定性 :保证混凝土质量均匀一致，在浇注过程中砂浆与骨料不会离析，浇注后不会泌水与沉降分层。 （ 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）填充密实性 :保证混凝土填充模板，并自行排出浇灌过程中带入的气泡达到成型
11、密实。是流动性、稳定性和间隙通过性的综合表现。 2.3.2 技术特点 同普通混凝土相比，自密实混凝土在配合比设计上对原材质量和用量有更高的要求，主要表现在如下方面： (1)高效减水剂是自密实混凝土产生的前提。自密实混凝土随着高效减水剂的发展而产生的，减水剂对其性能有决定响。减水剂的作用相当于振捣棒，均匀分散水泥颗粒于水形成浆体，骨料通过浆体浮力和粘聚力悬浮于水泥浆中。自密实混凝土应用技术规程（ CECS203： 2006） 4 中规定，宜选用聚羧酸系高效减水剂，当需要提高混凝土拌和物粘聚性时，自密实混凝土中可掺入增粘剂。 (2)自密实混凝土对水泥的要求。水泥强度等级根据混凝土的试配强度等级选择
12、，同时考虑与减水剂相容性问题，通常自密实混凝土比普通混凝土水 泥用量多、水泥强度等级高。自密实混凝土应用技术规程中规定，使用矿物掺合料的自密实混凝土，宜选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。 (3)自密实混凝土对骨料的要求。自密实混凝土对骨料有较高的要求，自密实混凝土应用技术规程规定，粗骨料宜采用连续级配或 2 个单粒径级配的石子，最大粒径不宜大于 20mm；石子的含泥量 1.0、泥块含量 0.5、针片状颗粒含量 8；石子孔隙率 40。 (4)超细矿物掺合料是配制自密实混凝土的必要条件。超细矿物掺合料是自密实混凝土配制不可缺少的条件，它们可以提高 拌合物的流动性、减少水泥用量和水化热，并通过二次火山
13、灰效应参与水化进程，提高混凝土后期强度。常用的超细矿物掺合料有粉煤灰、矿粉和硅粉，矿物掺合料的细度和吸水量是重要的参数，一般认为直径小于 0.125mm 的细矿物掺合料对自密实混凝土更有利，并且要求 0.063mm 孔径筛的通过率大于 70。 三、 自密实混凝土设计 3.1 设计原材料 自密实混凝土具有特殊的工作性能，这使得它在原材料上比普通振捣混凝土要求更为细致严格。 1、水泥 理论上各种水泥都可用于配制自密实混凝土，品种的选择决定于对混凝土强度、耐 久性等的要求 ;但考虑到工作性要求及坍落度经时损失小，应优先选择 C3A 和碱含量小、标准稠度需水量低的水泥。 2、骨料 自密实混凝土应选择质
14、地坚硬、密实、洁净的骨料，含泥量、杂质要少。粗骨料针片含量少，最大粒径一般在 16mm20mm 范围，且间断级配往往优于连续级配砂在混凝土中存在双重效应，一是圆形颗粒的滚动减水效应 ;二是比表面积大，需水量高这两种相互矛盾的效应决定了必须根据水泥、掺合料、外加剂等情况综合考虑来选取砂率。宜选用级配良好的中砂或粗砂。 3、化学外加剂 宜采用减水率在 20%以上的高效 减水剂，复合使用高效 减水剂和普通减水剂也可获得较好效果。减水剂的掺量以及与水泥、矿物掺合 料的相容性应经试验确定除此之外，也可掺入增粘剂和引气剂等外加剂。 4、矿物掺合料 可采用各种母岩的的磨细石粉、粉煤灰、磨细矿渣、硅灰等矿物掺
15、合料改善自密实混凝土的流动性能和抗离析能力，提高硬化混凝土的强度和耐久性。不同矿物掺合料复合使用具有超叠加效应，配制自密实混 凝土通常将两种矿物掺合料复合使用。 3.2 自密实混凝土配合比设计方法研究 混凝土配合比设计是混凝土材料科学中最基本且最重要的一个问题传统的配合比设 计方法是计算 试配法，其计算依据是在普通混凝土组成与性能一般规律的基础上，计算得到粗略配合比，再经试配调整得到以强度为主要指标的配合比，我国几十年来一直沿用这种方法。随着各种新型混凝土的不断发展，混凝土在材料组成上逐渐复杂化，对拌合物的工作性及硬化后的力学、耐久性能的要求也越来越高。因此，适用于普通混凝土的配合比设计方法已
16、经不能满足其它类型混凝土在材料和性能上的高要求，而在任何情况下都能通用的混凝土配合比是不存在的，需要不同的配合比设计方法来设计满足不同要求的混凝土。 3.2.1 普通混凝土配合比设计方法 传统的普通混凝土配合比设计方法 5，通过合理确定水灰比、单位用水量和砂率三个基本参数，进而得出水泥、水、砂和石子这四项组成材料的实际用量。上述三个基本参数与混凝土的各项性能之间有着密切的关系 :在组成材料一定的情况下，水灰比对混凝土的强度和耐久性起着关键的作用 ;单位用水量反映了水泥浆与骨料之间的比例关系，在水灰比一定的条件下，它是控制拌合物流动性的主要因素 ;而砂率对混凝土拌合物的和易性，特别是其中的粘聚性
17、和保水性有 良大影响。 普通混凝土配合比设计方法是以经验为基础的半定量设计方法，水灰比、单位用水量和砂率 三个参数中，只有水灰比按计算确定，而计算公式中有的参数也是由回归分析所得，其它两参数均需查表选择。这些表是人们长期以来生产普通混凝土的实践经验的总结，它在一定程度上反映了普通混凝土配合比的一般规律。 随着粉煤灰在混凝土中的应用不断扩大，出现了所谓的粉煤灰混凝土超量取代法。它是在普通混凝土基准配合比设计的基础上，根据混凝土的强度等级和水泥的品种选择合适的粉煤灰取代水泥百分率，从而求出每立方米混凝土的水泥用量，再按所选的超量系数求得粉煤灰的单位用量，砂的实际用量由粉煤灰超出所取代水泥的体积扣除
18、同体积砂得到，其它 组分用量仍沿用普通混凝土配合比设计中的值。该方法是目前商品混凝土搅拌站所普遍采用的方法。 在普通混凝土配合比设计规程中，用以确定单位用水量和砂率值的表中的控制因素是碎石、卵石的最大粒径、坍落度和水灰比，其中的坍落度和水灰比的范围难以满足大流动性和低水灰比混凝土的要求，也没有充分考虑高效减水剂和矿物掺合料对混凝土工作性的调节作用。 3.2.2 固定砂石体积含量法 这种方法我国吴中伟院士和其他学者都曾做过介绍，其简要计算步骤如下 : (1)设定每立方米混凝土中石子的松堆体积为 0.50.55m3，得到石子用量和砂浆含量 ; (2)设定砂浆中砂体积含量为 0.42-0.44,得到
19、砂用量和浆体含量 ; (3)根据水胶比和胶凝材料中的掺合料比例计算得到用水量和胶凝材料总量，最后由胶凝材料总量计算出水泥和掺合料各自的用量。但水胶比和掺合料的用量如何确定没做具体规定。 四、 个人设计原材料与实验方法 4.1 实验原料 1) 水泥：海螺牌 42.5 普通对酸盐水泥 2) 粉煤灰：表观密度 2220kg/m3 3) 硅灰：表观密度 2190kg/m3 4) 矿渣：表观密度 2880kg/m3 5) 粗集料：表观密度 2720kg/m3 6) 砂：中砂 表观密度 2730kg/m3 7) 水：自来水 表观密度 1000kg/m3 8) 外加剂： 1.5%聚羧酸系高效减水剂 表观密度
20、 1037kg/m3 4.2 配合比计算 4.2.1 设计参数 1） 强度等级： C30 自密实大流态 2） 设计依据：自密实混凝土应用技术规程 JGJ/T283-2012 普通混凝土配合比设计规程 JGJ52-2011 自密实混凝土应用技术规程 CECS203： 2006 3） 原材料表观密度（ kg/m） 原材料 水泥 矿渣粉 粉煤灰 硅灰 砂 石 5-20mm 石 10-20mm 石 5-10mm 水 外加 剂 表观密度 3050 2880 2220 2190 2730 2720 2720 2720 1000 1037 4.2.2 粗骨料体积及质量计算 1）每立方米混凝土中粗骨料的体积
21、Vg，取： 0.32m3 填充性指标 SF1 SF2 SF3 Vg（ m） 0.320.35 0.300.33 0.280.30 2)每立方米混凝土中 粗骨料的质量（ mg）计算： mg = Vg g=0.32*2720=870kg/m 4.2.3 砂浆体积 Vm 计算 Vm = 1-Vg =1- 0.32 = 0.680 m 4.2.4 砂浆中砂的体积分数（ s）可取 0.420.45, 取： 0.45 4.2.5 每立方米混凝土中砂的体积 Vs 和质量 ms Vs = Vm s = 0.68 * 0.45 = 0.306m ms = Vs g= 0.306 * 2730 = 835kg/m
22、 计算配比砂率 Sp=49.0% 4.2.6 浆体体积 Vp计算 Vp = Vm - Vs= 0.68 - 0.306 =0.374m 4.2.7 胶凝材料表观密度 b计算 水泥 矿渣粉 粉煤灰 硅灰 kg/m 3050 2880 2220 2190 10% 20% 5% 总共： 35% 3b /2 7 7 23 0 5 0%3512 1 9 0%52 2 2 0%202 8 8 0%10 111 mkgcm4.2.8 自密实混凝土的配制强度 cu,0 计算（按 JGJ55-2011 计算）： fcu,o fcu,k + 1.645 = 30 + 1.645*5 =38.2MPa 根据实际工程
23、经验，应提高混凝土出站强度保证率，即要提高配制强度保证率，最终要保证结构实体的强度保证率满足要求。因此将保证率系数从 1.645提高到 2.3，对应的保证率由 95%提高到 98.9%。计算此时的试配强度为： fcu,o fcu,k + 2.3 = 30 + 2.3*5 =41.5 MPa 4.2.9 水胶比计算 43.02.12.38 0.105.04.02.09.01.035.018.4642.02.1142.0 , ocucebw ffmm 4.2.10 每立方米自密实混凝土中胶凝材料的质量 mb计算 3b /4 6 01 0 0 043.02 7 7 211 0 0 0103 7 4.
24、01)(m mkgmmVVwbwbap 4.2.11 每立方米混凝土中水的质量（ mw） mw = mb（ mw/mb)= 460*0.43= 198 kg/m 4.2.12 每立方米混凝土中水泥质量和矿物掺合料的质量 矿渣粉 mSL=mb* SL =460*10% =46 kg/m 粉煤灰 mFA=mb* FA =460*20% =92 kg/m 硅灰 mSi=mb* Si =460*5% =23 kg/m 水泥 mc=mb-mm =460-46-92-23 =299 kg/m 4.2.13 外加剂（减水剂）用量计算：（为外加剂用量，取： 1.50%） mca = mb = 460*1.50
25、% = 6.9 kg/m C30 自密实混凝土配合比： 五、方案修改 由于实验中出现了坍落度不符合要求的情况，所以对配合比进行了多次修改，最终 C30 自密实混凝土配合比设定为： 石头：粗：细 =7:3，每 15L 粗石： 9.429 L、细石： 4.041L 最终配合比经现场实际设计达到了 550mm 坍落度的性能要求，粘聚性良好的拌合物。 强度 等级 水胶比 砂率 % 容重 kg/m 配合比用量（ kg/m） 水泥 矿渣粉 粉煤灰 硅灰 砂 石 5-20mm 水 外加剂 C30 自密实大流态 0.43 49.0 2370 299 46 92 23 835 870 198 6.9 强度 等级
26、 水胶比 砂率 % 容重 kg/m 配合比用量（ kg/m） 水泥 矿渣粉 粉煤灰 硅灰 砂 石 5-20mm 水 外加剂 C30 自密实大流态 0.43 47.9 2381 271 68 90 23 824 898 194 13.33 六、结论 砂率变化，可导致集料的空隙率和表面积的变化，因而水泥混凝土拌合物的和易性也随之变化。砂率过大，空隙率及表面积大，拌合物干稠，流动性差；砂率过小，砂浆数量不足流动性降低，且影响黏聚性和保水性，使拌合物粗涩、粗骨料离析、水泥浆流失，甚至出现溃散等不良现象。 七、参考文献 1 王子明，王亚丽 .混凝土高效减水剂 M.北京：化学工业出版社， 2011： 1-2. 2 钱晓倩，詹树林，方明晖，等 .减水剂对混凝土收缩和裂缝的负影响 J.铁道科学与工程学报， 2004， 1（ 2）： 19-25. 3 王国清，程利平 .自密实混凝土的发展历史和研究现状 . 中国水运 ，2011,1 4 中国工程建设标准化协会 .自密实混凝土应用技术规程（ CECS203： 2006） .中国计划出版社， 2006 5 陈建奎，王栋民，高性能混凝土 (HPC)配合比设计新法一一全计算法，硅酸盐学报， 2000（ 2）： 194198
