自密实高强混凝土的配制原理和配合比设计方法研究

摘要：该文研究了自密实高强混凝土配合比设计方法．首先针对自密实高强混凝土的工作性能要求．着重探讨分析自密实混凝土配合比设计的主要参数选择，然后根据“最大堆积密实度原理”，提出基于该原理的自密实高强混凝土配合比设计的四层体系设计法。自密实混凝土在钢管混凝土系杆拱桥中的应用成果表明，四层体系设计方法具有理论基础，符合实际工程的需要，简便可行．

关键词：普通混凝土；高性能混凝土；自密实混凝土；配合比设计；四层体系设计法

属于高性能混凝土范畴的自密实混凝土，也有人称为高流态混凝土，指混凝土拌和物主要靠自重，不需要振捣即可充满模型和包裹钢筋，属于高性能混凝土的一种。该混凝土流动性好，具有良好的施工性能和填充性能，而且骨料不离析，混凝土硬化后具有良好的力学性能和耐久性。日本东京大学阁村甫教授研制室较早提出并研制获得成功，目前，不振捣混凝土的开发与施工已在日本掀起了热潮，并深受社会的关注及好评。在欧美等国家也有过应用不振捣自密实混凝土的详细报道。目前在我国的应用还非常有限，需要进行大量的技术研究和推广应用工作。自密实混凝土配合比和普通混凝土配合比相比有很大差别，至今并无统一的设计方法。普通混凝土配合比设计的基本原理和配制方法要遵照强度原则和耐久性原则，但是高性能混凝土配合比设计时，需着重考虑改善混凝土的内部结构，在确保混凝土强度和耐久性的基础上，使其某一性能有突出表现，以满足某种特殊需要。配制自密实高强混凝土的关键是在保证所需强度和耐久性的前提下，得到可不振捣、必要时可少振捣的高流动性混凝土拌和物，同时得到良好的抗离析性能。 1 SCC设计理念

SCC得以实现的关键技术环节可以归结为两个方面：岗村甫教授于1993年提出的高性能混凝土设计方法和高效减水剂的出现。自密实混凝土的设计理念与常规混凝土最大的差别在于：自密实混凝土在配合比设计上用粉体取代了相当数量的石子，通过高效减水剂的分散和塑化作用，使浆体具有优良的流动性和粘聚性，能够有效地包裹输运石子，从而达到自密实的效果。

自密实性能的实现需要使用高效减水剂和大量的粉体材料，因而在大多数人眼中SCC是混凝土中的高端产品，只适合于高强混凝土的应用和异形结构的浇筑。同时，我国目前的SCC技术水平参差不齐，检测方法不统一，性能水平差异大，造成了很多人对SCC性能和性价比的怀疑。SCC技术是一种着眼于混凝土工作性能的技术，需要通过专门的检测方法来保证合格的自密实性能。在保证了自密实性能的基础上，应当针对不同需求的混凝土给出不同的SCC配合比设计解决方案，比如我们可以设计满足不同强度等级要求的SCC，满足不同抗渗等级要求的SCC，满足大体积混凝土施工的低水化热SCC等具有某种特性的SCC，当然我们也可以根据需要设计具有复合特性的SCC。需要特别注意的是，即使是具有相同需求的用户，如果所处地域差异较大，为他们提供的SCC解决方案也是不相同的，应该充分利用当地原材料的特点进行设计从而保证最佳的自密实性能和经济性。 2自密实混凝土配合比的设计思路

与普通混凝土采用机械振捣时因触变作用令骨料与砂浆之间的屈服剪切应力铂大幅减小，使振动影响区内的混凝土呈液化而流动并密实成型的道理相似，制备自密实混凝土的原理是通过外加剂、胶凝材料和粗细骨料的选择搭配和配合比设计，使0减小到适宜范围，同时又具有足够的塑性粘度刁，使骨料悬浮于水泥浆中，不出现离析和泌水问题，能自由流淌充分填充模型内的空间，形成密实且均匀的结构。自密实混凝土拌和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。如何达到流动性、抗离析性的平衡，是自密实混凝土配合比设计的关键。 (1)单位粗集料用量的选择

流变性良好的自密实混凝土拌和物配合比应当有关键的两个要素：较小的骨料体积含量和足够粘度的砂浆，尤其粗骨料体积含量是控制新拌流动性混凝土离析的一个重要因素。具有较少粗骨料含量的拌和物对流动堵塞有较高的抵抗力，但粗骨料含量过小的混凝土，会使弹性模量下降，进而产生较大的收缩。因此应当在满足流变性要求的前提下，尽量增加粗骨料用 量。但粗骨料用量大时，拌和物间隙通过性能差而易堵塞，如图1所示。试验表明，普通混凝土的粗骨料用量(松堆体积)一般为0．600～0．700m／m，而自密实混凝土粗骨料的松堆体积为0．500个配合比设计的关键之一。～0．600 m／m时则可解决上述矛盾。上述粗骨料体积含量的确定是整个配合比设计的关键之一。

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(2)砂率的控制

大量的试验表明，自密实混凝土的砂率一般在45％～55％范围内取值比较适宜，粗细骨料比以0．85～1．20较为合适。对于砂率的控制，根据美国混凝土专家P．K．Me—hta和P．C．Aitcin的观点，高性能混凝土同时达到最佳的施工和易性和强度性能，其水泥浆与骨料的体积比应为35：65。

(3)试验表明，砂子在砂浆中的体积含量超过42％以上，堵塞随砂体积含量的增加而增加；当砂体积含量达到44％时，堵塞机率为100％。故砂浆中砂体积含量不能超过44％。小于42％时，可完全不堵塞，但砂浆的收缩随砂体积含量的减小而增大，故砂子在砂浆中 的体积应不低于42％，胶凝材料在浆体中的体积含量不高于58％。 (4)胶凝材料和水

首先要根据强度要求确定水胶比。由有关文献可知，对掺加掺合料如粉煤灰、强度等级不超过C50的高强自密实混凝土，混凝土强度与水胶比

m(w)有线性关系的假设仍是成立的，

m(cf)根据混凝土配制强度可导出水灰比(或水胶比)的近似计算公式：

m(w)1 (1) m(cf)fcu,pfce式中：fcu,p为混凝土的配制强度；fce为水泥的实测强度’

m(w)为水灰比[或水胶比]；

m(cf),为回归系数，对碎石混凝土， =0．48， =0．52；对卵石混凝土，=0．50，

=0．61。

要满足自密实混凝土的流动性要求，水胶比一般根据经验在0．30-0．40之间取值，且用水量不宜超过200 kg／m。可用矿物掺合料调节混凝土强度和拌物的粘度。

以上配合比设计方法即为典型的固定砂石体积含量计算法，有大量的试验数据为基础，比较实用，但于各种原材料适应性不强，有待于进一步改进。 2配合比设计的方法——四层体系设计法 本文拟从最大密实度理论出发，结合配合比设的主要参数拟定结果，提出相对简便实用又易程序计算的方法，即四层体系设计法。依据“最大堆积密实度理论”，自密实混凝土可成由固液两相组成的四层体系(图2)。由图2可见，自密实混凝土需要的组成材料颗粒从小到大依次为：粉煤灰，水泥，砂，石。

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上述对于自密实混凝土配合比设计的方法一般是基于中低强度范围，经过研究发现，对于高强自密实混凝土，粗骨料的体积含量还要适当增加，因此每立方米混凝土粗骨料相对体积选择范围可扩大至0．5～O．65m。本文的研究依据上述多层体系原理并在文献的研究基础上，拟以固定砂石体积含量的计算方法为基础，采用设定单方混凝土中粗集料用量和砂浆中砂子体积含量范围，根据“最大堆积密实度原理”，提出改进的固定砂石体积含量理论计算法。这种基于“最大密实度原理”的配合比理论计算法简称为四层体系设计法。 3 配合比设计步骤

已知：水泥的密度为C，粉煤灰密度为FA，砂的表观密度为S，堆积密度CS，粗骨料的表观密度为G，堆积密度为CG,设定1m混凝土体积中，根据前人设计的经验， 粗骨料松堆体积一般可取G0．50～0．65m，如考虑到工程要求混凝土高强和高弹性模

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量，可取粗骨料堆积体积为0．65 m，砂浆中砂体积含量为p43%，粉煤灰掺量为Z=25％(重量比)，高效减水剂掺量k= 1.2％。 配合比设计步骤和公式如下： (1)配制强度

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fcu,pfcu,o1.645 (2)

式中：fcu,o为混凝土设计强度(MPa)；为混凝土强度标准差。 (2)水胶比

按照式(1)计算水胶比

Wm(w)，根据经验适当调整水胶比 (≤o．4)。

Bm(cf)(3)计算每立方米混凝土粗骨料用量G和粗骨料密实体积VG。

GGCG （3） VGG/G （4）

式中：G=0．50～O．65m。

(4)计算每立方米混凝土砂浆密实体积vm。、砂密实体积vs、胶结材料浆体密实体积vp。

3vm=1-VG （5） vs=pvm （6）

vp=vm-vs （7）

(5)计算每立方米混凝土砂用量S

spsvs （8）

(6)计算胶凝材料的表观密度B

B1xFA(1x)/c （9）

(7)计算水和胶凝材料的密实体积vw、vcf

vwvcfvp （10）

m(w)rB1m(cf)rwvwvpvcf （11）

(8)计算1 m混凝土中各材料用量(重量)用水量：wrBvw (12) 胶凝材料总重量：m(cf)rBvcf (13) 水泥用量：c(1x)m(cf) （14） 粉煤灰用量：Faxm(cf) （15） 高效减水剂：Jwm(cf)k （16）

按照上述步骤和要求，计算几组配合比进行试配，评价其施工性，并检验其强度。选择其中符合要求的配合比。若实测混凝土表观密度值与计算的表观密度值之差的绝对值超过2％，应用校正系数对所计算的配合比进行调整。 3.1低水泥用量SCC配合比设计方法 3.1．1水泥用量SCC设计思路的提出

所提出的思路，以强度需求为目标，以经济性为约束条件，尝试使用大掺量掺合料替代水泥进行C30和C60强度等级SCC的设计和试验研究。可以利用的掺合料有多种，如粉煤灰石粉和硅粉等，但是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，本文尝试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，该方法有如下好处：

(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SCC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)大量使用粉煤灰可以显著改善混凝土结构的耐久性；本文针对大量使用粉煤灰作为掺合料配制SCC可能会出现的问题，通过试验对以下项目加以验证： (1)粉煤灰掺合料的大量使用对自密实性能的影响； (2)较低的水泥用量对SCC 20小时脱模强度的影响；

(3)低水泥用量SCC是否可以满足28天龄期强度的要求。 3．1．2低水泥用量SCC配合比设计方法 SCC配合比设计方法包括如下步骤：

第一步：根据所使用的外加剂的性能特点，设定混凝土的含气量；

第二步：设定石子的松堆体积为500L，然后根据石子的松堆率和表观密度确定石子用量； 第三步：根据砂的级配情况设定体积砂率(即砂性存在着地域差异问题，本文尝试使用普遍的体积占砂浆体积的百分比)，得到砂的用量；

第四步：根据掺合料掺入比例和目标强度等级确定体积水胶比，得到用水量和胶凝材料量； 第五步：根据胶凝材料的组成比例分别确定各类胶凝材料用量。

第六步：通过试验试配调整减水剂用量，直至满足自密实性能检测要求。 第七步：如果无法通过调整减水剂用量来满足自密实性能检测要求，则需要根据原材料性能状况改变配合比，建议变更顺序为：

体积水胶比—一体积砂率—一胶凝材料混合比例一石子用量

在进行配合比设计时，影响SCC自密实性能的因素有以下几个方面：

(1)用掺合料比例不同的胶凝材料配制SCC时，为保证良好的自密实性能，其用水量与减水剂用量的搭配有所不同；

3(2)砂的级配状况是SCC配合比设计中决定砂率的关键因素，砂率选择不当会严重影响SCC的自密实性能；

(3)石子的级配和粒形直接影响到配合比设计中石子的用量。 5结语

依据上述多层体系原理，结合固定砂石体积含量的计算方法，根据“最大堆积密实度原理”，本文提出了改进的固定砂石体积含量理论计算法。使用大掺量粉煤灰作为掺合料能够配制出自密实性能良好的SCC，在保证流动度的同时不泌水不离析；本文同时对低水泥用量SCC的自密实性能、脱模强度和28天立方体抗压强度进行了试验研究。对于低

水泥用量SCC的其它性能如收缩性能、绝热温升、弹性模量以及后期强度等仍需要进一步研究。同时如何使用更低用量的水泥配制SCC，以及SCC在工程上的应用和推广等问题值得深入探讨。