劉思國，朱德華，丁一寧

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.大連理工大學結構工程研究所，遼寧大連 116024）

0 引言

自密實混凝土 （Self-Compacting Concrete，SCC） 是一種高性能混凝土，具有高工作性能和高耐久性，并能滿足不同抗壓強度等級要求[1]。自面世后受到國際上廣泛關注和深入研究[1-4]，被譽為混凝土技術中里程碑式的成果[4]。

與普通混凝土相比，SCC 具有明顯優(yōu)勢[2，4，6，8-9，22]，如：密實性和均質性好，并且鋼筋和混凝土界面區(qū)得到改善；適用于澆筑形狀復雜或配筋密集的構件和結構；使用粉煤灰、?；郀t礦渣及各類尾礦石粉大量取代水泥，環(huán)保節(jié)能；澆筑速度快，節(jié)約勞動力；減少振搗噪音污染，改善施工環(huán)境；有利于推動商品混凝土的應用和建筑施工機械化。

然而SCC的工作性能對固體顆粒級配、拌合水量和化學添加劑性質等因素均較為敏感。目前在我國港口工程中，由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣，并且有SCC配制經(jīng)驗的技術人員數(shù)量還較少，有效控制SCC的施工質量成為難點之一，這制約了SCC在港口工程中的應用。

本文詳細總結SCC工作性能和基于工作性能的配合比設計研究進展，介紹國內(nèi)外工程應用實例，并列出需要解決的關鍵技術問題，供實際工程參考。

1 SCC工作性能研究進展

1.1 SCC的工作性能

工作性能也稱工作度或和易性，在我國被定義為混凝土拌合物易于施工操作（攪拌、運輸、澆筑、搗實）并能獲得質量均勻和成型密實的性能，包括流動性、黏聚性和保水性三個方面的含義[5]。

不同研究者對SCC工作性能研究的側重點不同。Okamura和Ozawa認為[6-8]新拌的SCC不僅要求漿體和砂漿具有高變形能力，同時要求混凝土流經(jīng)鋼筋限制區(qū)時具有抵抗粗骨料和砂漿離析的能力。Grunewald等人認為[9]SCC應該具有高流動性和中等的黏度，流動時不發(fā)生堵塞，澆筑時混凝土能靠自身排除內(nèi)部的空氣。Khayat等人認為[10]SCC有3個基本標準：高變形能力、高通過能力或受限變形能力、以及高抗離析能力。EFNARC（2002） 標準對SCC工作性能的總結得到了較為廣泛的認可，即：SCC應具有滿足要求的填充成型性能、間隙通過性能和抗離析性能[4]。這里，填充成型性能指SCC在自身重力作用下流進并完全填充模板內(nèi)所有空間的能力，反映了新拌SCC在非限制狀態(tài)下的流動性能。間隙通過性能指SCC流過鋼筋間隙等狹窄開口不離析和不堵塞的能力，反映了新拌SCC在受限制時的流動性能。混凝土抗離析性能指在運輸和澆筑時SCC保持結構均質性的能力，反映了新拌SCC的穩(wěn)定性。

1.2 SCC工作性能評價方法

為評價SCC工作性能，各國研究者已提出十余種測試方法[2-4，6-7，9-11，16，20-22，24]，表 1 所列為較常見的 SCC 工作性能特性試驗方法及其判斷標準[2-4，10，16，22]，其中坍落流動度試驗、J-Ring試驗、L-Box試驗和U-Box試驗儀器制作費用低，操作簡單，適用于現(xiàn)場檢驗自密實混凝土拌合物的工作度，應用較為普遍，見圖1。

Van K.Bui等人[3]認為自密實混凝土的坍落流動直徑D應≥600 mm，否則脫模后混凝土表面質量較差；坍落流動時間T500不宜超過12 s。

表1 自密實混凝土工作性能試驗方法和判斷標準

圖1 試驗裝置示意圖（單位：mm）

Khayat等人[10]試驗對比研究了評價自密實混凝土動態(tài)穩(wěn)定性的現(xiàn)場試驗方法，包括坍落流動度試驗、V型漏斗流動時間試驗、J環(huán)試驗、L槽試驗、U型管試驗及壓力泌水試驗，得到如下結論：1） 坍落流動度試驗適于評價自密實混凝土非限制變形能力，評價抗離析性能時須結合其它試驗方法；2）J環(huán)試驗、L槽試驗、U型管試驗適于評價自密實混凝土限制性變形能力或通過鋼筋間距的能力，三者試驗結果具有較好的相關性；3） 推薦使用L槽試驗和坍落流動度試驗進行施工現(xiàn)場質量控制，評價自密實混凝土限制性和非限制性變形能力；4）J環(huán)試驗與坍落流動度試驗也可用于評價自密實混凝土的變形能力和通過鋼筋間距的能力；5）與J環(huán)試驗相比，L槽試驗可提供反映配合比黏度的流動時間值，在中等流變學參數(shù)（g=0.3~1.7 N·m，h=17~27 N·m·s） 下，自密實混凝土L槽流動時間在4~8 s之間；6）T500、V型漏斗流動時間試驗、L槽試驗以及U型管試驗均可用于評價黏性，當變形能力一定時，流動時間越長配合比黏性越高；7） 壓力泌水試驗可用于評價懸濁液中漿體保持自由水的能力，由于該實驗僅耗時10 min，適合于現(xiàn)場經(jīng)常性質量控制及定量評價自密實混凝土穩(wěn)定性。

EI-Chabib 和 Nehdi認為[11]，坍落流動度、T500、T600、V型漏斗流動時間、Orimet流動時間和堵塞率等試驗方法可測試自密實混凝土的填充能力和通過能力；T500和V型漏斗流動時間可評價自密實混凝土的黏度；L槽、U型管和J環(huán)試驗可評價自密實混凝土通過鋼筋間距的能力。

目前尚沒有廣泛使用且相當可靠的試驗方法測試自密實混凝土抗離析性能。坍落流動度試驗、J環(huán)試驗、L槽試驗、U管試驗等提供了一種依靠視覺觀察判斷離析的非定量方法，例如對于坍落流動度試驗，可以觀察坍落度筒提起后有沒有砂漿析出或骨料堆積。最近出現(xiàn)的捕捉離析機理并定量評價SCC抗離析性能的試驗方法包括[11]：沉降柱試驗 （Settlement Column）、滲透儀試驗 （Penetration Apparatus）和篩穩(wěn)定性試驗（Sieve Stability Test）等。但是這些試驗方法有的要消耗大量的混凝土，有的需要較長時間且難于操作，而且需更多的實驗室和現(xiàn)場數(shù)據(jù)證明其結果的可靠性。

上述方法很大程度上是以隨意定義的比例為基礎的定性測量手段，每種試驗只能測得一種值，所測值是特定試驗下的特征值，各特征值彼此不同，每種測量結果都不是混凝土的基本特性。尚沒有單一的試驗方法可以全面描述SCC工作度特性，所以應使用兩種或兩種以上的試驗方法測試每種配合比的不同工作度參數(shù)。

1.3 影響SCC工作性能的主要因素

影響 SCC 工作性能的主要因素包括[2，4，6，7-10，12-13，16-17，19-22，24]：1） 粗骨料用量、最大粒徑、級配、形狀；2） 粉體材料用量、級配；3） 固體顆粒的吸水率、保水性；4） 拌合水用量和自由水量；5）化學添加劑（如高效減水劑、增稠劑等）用量及其對拌合水和不同粉體的作用機理。其中，固體顆粒包括骨料和粉體材料。

1.3.1 固體顆粒的影響

新拌的SCC常被分成兩相：砂漿相和粗骨料相[3，12-13]。砂漿相黏度相對較低而SCC流動性高，由于不同組分間密度不同，流動時不同固體顆粒（粗骨料、細骨料和粉體材料）間將發(fā)生摩擦和碰撞，增加了混凝土內(nèi)部流動的阻力，降低了混凝土的填充能力和流動速度。當混凝土流經(jīng)限制區(qū)域時，各種顆粒間碰撞的可能性增加，顆粒間摩擦力也隨之增加，使混凝土流動屈服應力增加。骨料顆粒之間的碰撞和接觸頻率會隨顆粒之間相對距離的減小而增加，進一步導致混凝土變形時內(nèi)部應力增加。

研究表明[2，4，6，8]，混凝土流動需要的能量被增加的內(nèi)應力消耗，導致骨料顆粒堵塞甚至離析。如果自密實混凝土抗離析性能差，將導致混凝土中粗骨料不均勻分布，澆筑時發(fā)生堵塞或形成蜂窩，最終降低結構或構件的力學性能和耐久性。

避免離析的方法主要包括調(diào)整固體顆粒級配，特別是粗骨料的級配和最大粒徑，減少粗骨料用量，增加漿體黏度等。Okamura[6]、Yurugi[14]和Ambroise[15]等人認為將粗骨料含量降低到一定值，是避免這種堵塞的有效方法。配合比中減小粗骨料體積，增加細骨料和漿體體積，可提高混凝土的填充能力；使用連續(xù)級配的水泥和填充料可減少顆粒間的摩擦[16]。石灰石粉、礦渣水泥、粉煤灰和硅粉等填充料可改善粒徑分布和顆粒密實程度，因此增加新拌自密實混凝土的穩(wěn)定性，同時混凝土的黏性也增加[16]。使用2種或3種粉體時，還應考慮粉體吸水性能和化學添加劑與粉體作用效果對混凝土工作度損失和水化溫度的影響[17]，因為這直接影響到混凝土的硬化后性能和耐久性。

1.3.2 拌合水用量和自由水量的影響

Ozawa K.證明SCC的坍落流動度與配合比中的自由水量有關[7]，對于新拌的普通混凝土，當用水量超過配合比中所有固體顆粒的保水性后，固體顆粒間距和顆粒間的潤滑效果隨自由水量的增加而增加，自由水量與使用不同變形測量實驗測得的變形值有唯一關系。

基于Ozawa K.的研究，Kasemchaisiri和Tangtermsirikul認為[17]配合比中自由水量是影響新拌混凝土塑性流動的主要因素，系統(tǒng)而細致地分析了配合比各組分對拌合物變形性能的影響后，他們建立了預測SCC坍落流動度模型；同時還發(fā)現(xiàn)配合比自由水量與SCC坍落流動時間T500有關，進而建立了預測SCC坍落流動時間的計算公式；試驗結果表明這兩個模型在適用范圍內(nèi)具有相當高的精度。但是使用Kasemchaisiri和Tangtermsirikul的模型并不容易，需要測定固體顆粒的粒徑分布和吸、保水率以及膠凝材料和填充料的化學組成，而且計算較為繁瑣，當選用了一種新的粉體材料時會導致模型不能應用。

Sonebi等人[16]使用因子分析方法[18]設計試驗，研究了用水量、高效減水劑用量和粗骨料體積對新拌SCC坍落流動度D、T500、T600、V型漏斗流動時間、Orimet流動時間和L-box堵塞率的影響。對20組配合比得出的新拌混凝土工作性能試驗結果采用最小二乘法擬合各變量系數(shù)，使用基于學生分布的t檢驗值評價各變量的顯著性，得出計算拌合物靜置5 min后各工作度參數(shù)的統(tǒng)計模型，這些計算式均是較為冗長的三次多項式，適用于用水量為188~208 L/m3、高效減水劑用量為3.8~5.8 kg/m3、粗骨料用量為220~360 L/m3的SCC。在適用范圍內(nèi)該組模型的精度可達到基本要求。

1.3.3 化學添加劑的影響

當水泥漿中加入高效減水劑（Superplasticizer，SP）后，部分拌合水被釋放出來，可明顯增加拌合物的工作性能[5，17]。這是由于SP屬表面活性劑，由憎水基團和親水基團所組成，受水分子作用表面活性劑憎水基團指向水泥顆粒，而親水基團背向水泥顆粒，使水泥顆粒表面作定向排列而帶有相同電荷，這種電斥力作用遠大于顆粒之間分子引力而使水泥顆粒形成的絮凝結構被分散為半絮凝結構；同時SP可使水泥顆粒表面形成溶劑化水膜，在顆粒間起潤滑作用，也有利于拌合物的流動[5]。但是在運輸過程中SP能破壞混凝土內(nèi)氣泡的穩(wěn)定性，影響硬化混凝土的最終含氣量，Siebel研究指出[19]SP導致表觀直徑＞0.5 mm的氣孔體積增加，表觀直徑＜0.3 mm的氣孔體積減少，與不使用SP的低黏性混凝土相比，使用SP的新拌混凝土空氣含量肯定增加，當SP摻量較大時，這種現(xiàn)象尤為明顯[20]。與引氣劑相比，使用SP的混凝土中多形成開放的氣孔，使用引氣劑的混凝土中多形成封閉的氣孔。

使用增稠劑（Viscosity Modifying Admixture，VMA） 是增加混凝土黏性的一種方法[16，20-21]，用于混凝土中的增稠劑一般是纖維素衍生物、多聚糖等抗分散劑。增稠劑的作用模式取決于聚合物的類型和集度，例如，衛(wèi)蘭膠聚合物分子附著于水分子周圍，因此可以吸附部分拌合水，增加拌合水的黏度。增稠劑可提高漿體懸浮骨料顆粒及保持自由水的能力，減少SCC運輸、澆筑直至開始硬化過程中各組分發(fā)生分離的風險，因此SCC的黏度和抗離析能力均得以改善。

2 基于工作性能的SCC配合比設計

目前尚沒有SCC配合比設計的標準方法，許多研究機構、外加劑生產(chǎn)商、預拌混凝土公司和混凝土制品預制公司均開發(fā)出自己配合比設計方法[2，6-8，22-24]。

設計和制備SCC最常用的思路是把新拌混凝土分成砂漿相和粗骨料相，通過大量的工作性能試驗，分別對漿體組成和骨料級配進行優(yōu)化。對于砂漿相，首先考慮最低強度要求和耐久性要求確定水泥用量和水膠比，通過摻入各種礦物摻合料優(yōu)化漿體組成，添加塑化劑（減水劑或高效減水劑）和增稠劑調(diào)節(jié)砂漿的流變學特性，使其達到工作度要求；骨料級配的優(yōu)化則主要通過選擇合適的最大骨料直徑和細粗骨料比得到合適的堆積密度。這類基于工作性能試驗的方法可稱為經(jīng)驗方法，以3個典型實例予以說明。

1） 實例1。Okamura[6，8]指出由于自密實性能對水-粉體材料比非常敏感，因此SCC的水-粉體材料比是由工作度確定的，這與普通混凝土的水灰比根據(jù)強度計算得出不同。Okamura和Ozawa在1995年提出[6]一種簡單的自密實混凝土配合比設計方法。思路是固定粗骨料和細骨料用量，使用高效減水劑同時保持低水-粉體材料比，通過調(diào)整水-粉體材料比和高效減水劑用量得到具有自密實特性混凝土，這里粉體材料包括膠凝材料和礦物填充料。Okamura建議使用坍落流動度試驗、U-Box試驗和Funnel試驗檢驗新拌混凝土的通過能力、流動性能和黏性，以確定水-粉體材料比和高效減水劑用量。該方法包括如下4個步驟：

①混凝土中粗骨料用量固定為實體體積的50%。

②細骨料用量固定為砂漿體積的40%。

③水-粉體材料體積比取為0.9~1.0，可根據(jù)粉體材料特性調(diào)整。

④確定高效減水劑用量和最終水-粉體材料比，確保新拌混凝土的自密實性能。

2） 實例2。N.Bouzoubaa等人認為[24]自密實混凝土僅需少量振搗或根本不用振搗即可靠自身重力流動并密實，同時具有足夠的黏性避免離析或泌水。參照20世紀80年代CANMET設計的高粉煤灰摻量混凝土（High Volume Fly Ash Concrete），Bouzoubaa通過加入F級粉煤灰（ASTM，CaO占13.4%，Na2O占4%，比表面積3 060 cm2/g，比重2.08），配制出一系列高粉煤灰摻量的自密實混凝土（High Volume Fly Ash SCC，HVFA SCC），配合比的設計要點可總結為：

①水灰比為0.35~0.45。

②膠凝材料用量為400 kg/m3左右，其中粉煤灰取代率為40%~60%。

③細骨料和粗骨料各占骨料總質量的50%，粗骨料與混凝土的體積比為0.32。

該系列HVFA SCC具有良好的流動性和黏性，28 d抗壓強度約為35 MPa。其中水灰比為0.45、粉煤灰取代率為50%的HVFA SCC最經(jīng)濟，價格僅比具有相同抗壓強度的普通混凝土價格高2.6%，可稱之為經(jīng)濟自密實混凝土（Economical SCC）。

3） 實例 3。Kasemchaisiri和 Tangtermsirikul研究[17]各組分性質和用量對SCC工作度（主要是坍落流動度和坍落流動時間）的影響時，使用的自密實混凝土配合比設計方法的步驟為：

①調(diào)整漿體體積與密實堆積骨料項孔隙體積的比值（1.4~1.8）。

②調(diào)整水灰比（0.25~0.45）。

③調(diào)整減水劑用量（0~2.0%）。

④固定砂率為0.5，這一砂率略微大于由密實堆積骨料項的最小孔隙量確定的砂率值。

⑤調(diào)整粉煤灰用量。

研究結果表明，他們試驗得到了滿足RILEMTechnical Committee-174要求的自密實混凝土。

3 SCC的工程應用和關鍵技術問題

3.1 SCC的工程應用

自1988年日本人使用市售材料配制出可自密實的混凝土后，SCC在實際結構中的應用從無到有逐漸增多[1-4，6-8，25]。1990 年 SCC 在日本得到首次應用，1991 年用于一座預應力斜拉橋的承壓橋塔，1992年用于斜拉橋的主柱（輕骨料自密實混凝土）。1998年日本明石海峽大橋使用SCC錨固，所用粗骨料最大粒徑40 mm，混凝土下落落差達3 m，但是沒有出現(xiàn)離析，工程最后評估為：使用SCC縮短錨固建筑工期達20%，從2.5 a縮短到2 a。大阪天然氣公司大型液化天然氣儲蓄罐的墻壁使用SCC澆筑，施工中由于每批次混凝土高度增加，混凝土批次從14次減少到10次，混凝土施工工人由150人減少到50人，結構建筑工期從22個月減少為18個月。日本神戶水底隧道也采用了SCC。

1998年竣工的瑞士Cleuson Dixence水電站隧道長15 820 m，斜井長共計3 920 m，在巖石和鋼襯之間澆筑SCC作為襯砌，用量達7.3萬m3。2005年竣工的瑞士Loetschberg鐵路隧道長34.6 km，共使用約80萬m3的SCC。美國西雅圖雙聯(lián)廣場的62層雙聯(lián)鋼管混凝土柱采用超高強的SCC，結構成本降低了30%。意大利圣馬力諾世貿(mào)中心采用了28 d抗壓強度達95 MPa的SCC。

我國自1995年開始了SCC的工程應用，最初幾年僅在深圳、上海、北京用于地下暗挖工程和結構中配筋形狀較為密實復雜、無法澆筑或振搗的部位，北京城建集團總公司構件廠1996年為多項工程供應了約1萬m3的SCC，主要用于澆筑地下室構件。

近年來，我國SCC應用范圍越來越廣和用量逐漸增加。南京會議展覽中心一期工程4座單層展館和一座會議中心所有鋼管柱均采用C40的SCC澆筑。廣東清連一級公路S114線珠坑橋和水晶背橋以及主線的自竹浪橋由于多年通車，漿砌片石拱圈出現(xiàn)裂縫，采用C40的SCC進行了背拱加固。山東淄博天府名城住宅樓屬現(xiàn)澆混凝土節(jié)能墻體試點工程，墻體中間預置鋼絲網(wǎng)架聚苯板，鋼絲網(wǎng)架內(nèi)細鋼絲縱橫交錯無法使用振搗棒，2007年工程開始采用C25的SCC澆筑，至2008年完成澆筑面積超過5萬m2。國家體育館是2008年第29界奧林匹克運動會三大主場館之一，主體結構中78根型鋼混凝土框架柱最大高程為14 m，首層采用C50的SCC澆筑，二層以上采用C40的SCC澆筑。

3.2 需解決的關鍵技術問題

目前各國SCC用量在混凝土總用量中所占的比重仍非常小。日本是開發(fā)和應用SCC最早的國家，Okamura[6，8]指出截至2003年SCC在日本仍屬特殊混凝土，僅大型建筑公司使用，這是由于除了一些大規(guī)模建筑，使用SCC并非總能降低工程總費用。使SCC成為一種標準的商用混凝土還有許多關鍵技術問題要解決，概括起來包括：

1） 建立SCC工作性能和流變學特性測評標準方法。

2） 建立SCC配合比設計標準流程。

3） 研究SCC在海洋惡劣環(huán)境中的耐久性評價方法。

4） 設計并組建SCC生產(chǎn)、運輸和施工的新體系。

4 結語

通過對SCC工作性能和基于工作性能的配合比設計研究進展可以得到如下主要結論：

1） SCC配合比設計需考慮所有固體顆粒（包括膠凝材料、填充料、細骨料、粗骨料和纖維）摻量和性質的影響。被廣泛認可的方法是將拌合物分為漿體相和骨料相，分別優(yōu)化漿體相的流變學特性和骨料相的粒徑分布。

2） SCC配合比設計經(jīng)驗方法要點是：在推薦的數(shù)值范圍內(nèi)選擇粗細骨料用量，然后進行大量工作度試驗并根據(jù)結果微調(diào)粉體材料、拌合水和高效減水劑用量，關鍵在于選擇合適的工作度評價方法。這類方法雖然也是對漿體相和骨料相的優(yōu)化，但是沒有明確的物理模型，對拌合物各組分影響新拌混凝土工作度的機理不甚清楚，因此稱為經(jīng)驗方法，其優(yōu)點是不需繁瑣的計算，缺點是耗費大量的人力和材料。

3） 為解決港口工程中因惡劣環(huán)境和有SCC配制經(jīng)驗的技術人員數(shù)量較少導致的SCC的施工質量和應用難題，需深入研究SCC的工作性能、流變學特性和耐久性，建立適合港口工程的配合比設計標準流程和生產(chǎn)、運輸和施工新體系。

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