李海卿（中交第二航務(wù)工程局有限公司，高級(jí)工程師）

自密實(shí)混凝土應(yīng)用與發(fā)展前景

李海卿（中交第二航務(wù)工程局有限公司，高級(jí)工程師）

1 自密實(shí)混凝土性能及技術(shù)

1.1 自密實(shí)混凝土的性能

自密實(shí)混凝土（SCC）拌合物具有良好的工作性能，與傳統(tǒng)普通混凝土相比，自密實(shí)混凝土具必須具備下述優(yōu)越性能：（1）高流動(dòng)性：自密實(shí)混凝土能夠自行流動(dòng)并填滿模板內(nèi)每個(gè)角落。（2）穩(wěn)定性好：自密實(shí)混凝土在流動(dòng)過(guò)程中必須保證不離析，減少泌水。（3）不會(huì)堵塞：自密實(shí)混凝土在流過(guò)密集鋼筋或狹窄空間不能產(chǎn)生堵塞，能夠順暢流動(dòng)布滿需澆注的空間。

由于 SCC 拌合物具有很高的流動(dòng)性而不離析、不泌水，能不經(jīng)振搗或少振搗而自動(dòng)流平并充滿模型和包裹鋼筋的混凝土。因此自密實(shí)混凝土綜合效益顯著，特別是用于難以澆筑甚至無(wú)法澆筑的部位，可避免出現(xiàn)因振搗不足而造成的空洞、蜂窩、麻面等質(zhì)量缺陷。自密實(shí)混凝土作為高流動(dòng)性混凝土，配制的關(guān)鍵是如何滿足良好的流變性能要求。

1.2 自密實(shí)混凝土技術(shù)

1.2.1 自密實(shí)混凝土配制的基本原理

混凝土拌合物實(shí)際上是（粗、細(xì)） 集料懸浮于水泥漿體中的混合體系，拌合物本身的屈服剪切應(yīng)力和塑性粘聚度是決定混凝土流變特性的基本參數(shù)。對(duì)于混凝土拌合物這種多組份的分散流體而言，其屈服剪切應(yīng)力與塑性粘聚度隨著剪切應(yīng)力而變化，實(shí)質(zhì)上是隨著粘聚結(jié)構(gòu)的破壞程度而變化。人工振動(dòng)澆注成型的原理就在于：通過(guò)振搗外力一方面破壞了水泥漿體水化初期形成的凝聚結(jié)構(gòu)，膠體粒子擴(kuò)散層中的弱結(jié)合水在振動(dòng)的作用下解吸附變成自由水，混凝土拌合物呈現(xiàn)塑性性質(zhì)，膠體曲凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z；另一方面振動(dòng)外力破壞了粗顆粒之間的粘結(jié)力和機(jī)械嚙合力，大大降低了內(nèi)阻，使混合料易于流動(dòng)。

對(duì)于自密實(shí)混凝土而言，混凝土的成型和密實(shí)過(guò)程同時(shí)發(fā)生，并且是依靠拌合物自身的高流動(dòng)性填充模板內(nèi)部空隙，從而形成密實(shí)的混凝土結(jié)構(gòu)物。這就要求：一方面混凝土拌合物必須具備較低的屈服剪切應(yīng)力和塑性粘聚度，拌合物才能具備高流動(dòng)性，無(wú)需振動(dòng)即能充模板內(nèi)部空隙；另一方面混凝土拌合物在密實(shí)成型的過(guò)程中必須保持均勻，無(wú)離析、不泌水現(xiàn)象發(fā)生。

采用增加單位用水量以及使用超塑化劑的傳統(tǒng)方法，使混凝土拌合物的屈服剪切應(yīng)力和塑性粘度大大降低，在一定范圍內(nèi)可改善混合料的流動(dòng)性。但是當(dāng)混凝土拌合物塑性粘聚性降低到一定程度時(shí)，拌合物抗離析性就急劇下降，出現(xiàn)漿骨分離、粗集料聚集堆積，混凝土拌合物的流動(dòng)性大大降低，因而不能達(dá)到自密實(shí)的效果。因此配制 SCC 的關(guān)鍵就在于采取有效方法獲取流動(dòng)性與粘聚性高度統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)混凝土拌合物良好的工作性和抗離析性的和諧統(tǒng)一。

1.2.2 自密實(shí)混凝土的技術(shù)途徑

要獲得高流動(dòng)性與抗離析性的和諧統(tǒng)一，成功地配制出自密實(shí)高性能混凝土，多功能高效的外加劑、大摻量礦物摻合料、原材料的嚴(yán)格控制以及合理的配合比是SCC 配制過(guò)程的關(guān)鍵。一般主要采用以下幾種技術(shù)途徑：

（1）使用高性能礦物摻合料（高爐微粉、粉煤灰及硅灰等），提高漿體比例來(lái)改善混凝土拌合物的抗離析性。大摻量的礦物外摻料應(yīng)用于自密實(shí)混凝上的外摻料主要包括磨細(xì)石灰石粉、硅灰、粉煤灰以及磨細(xì)礦粉，后兩種在我國(guó)應(yīng)用較為普遍。礦物外摻料在 SCC的配制中主要起著以下作用：

① 改善混凝土拌合物的流變性

通常采用的這幾類摻合料比表面積較水泥高，比重相對(duì)較小，等量替代水泥時(shí)增加了漿體的體積，使得漿骨比增大，更多的漿體包裹在集料周圍，減少了集料之間直接接觸的幾率，因而降低了混合料的屈服剪應(yīng)力，改善了混合料的流動(dòng)性和透過(guò)鋼筋的能力，混凝土自密實(shí)性也因此增強(qiáng)。尤其是品質(zhì)優(yōu)良的粉煤灰，由于粉煤灰微粒具有圓球狀的形態(tài)，在混凝土拌合物合中能起著滾珠效應(yīng)，減少了顆粒之間的內(nèi)部摩擦，能有效降低降低了拌合物的內(nèi)部剪應(yīng)力，對(duì)改善混凝土拌合物的流動(dòng)性具有顯著的效果。

② 改善混凝土的體積穩(wěn)定性及抗裂性能

礦物摻合料的使用，使水泥早期水化熱及總的水化熱均有較大程度的降低，水化熱的降低大大減小了混凝土的溫升，減小了由于溫度應(yīng)力而引起的開(kāi)裂。此外，優(yōu)質(zhì)的粉煤灰對(duì)于降低混凝土的自收縮以及所引起的開(kāi)裂具有明顯的效果。

（2）使用多功能高效的外加劑。

多功能高效外加劑是配制自密實(shí)混凝土的核心技術(shù)，與普通混凝土所用的外加劑相比，SCC 所用的外加劑更加強(qiáng)調(diào)多組份復(fù)合或者是多功能的疊加，在工程中目前應(yīng)用較多的是復(fù)合型的多組份外加劑，其功能組份主要包括以下幾種：

① 減水組份：引入高效減水組分的目的是一方面為了利用其強(qiáng)分散作用，降低混凝土拌合物的屈服剪應(yīng)力，改善其流變性；另一方面為了有效降低水膠比，保證硬化混凝土的力學(xué)性能及耐久性。目前高效減水劑的種類主要包括萘磺酸鹽系列、磺化三聚氰胺系列、氨基磺酸鹽系列和聚羧酸系列四大類，在我國(guó)應(yīng)用較多的是前兩類，尤以萘系為主，但是近年來(lái)聚羧酸的外加劑由于摻量小、減水率高、堿含量低、環(huán)保清潔特點(diǎn)，且兼具有塑性保坍等多重功效而在重點(diǎn)工程中（尤其是高鐵等工程）受到了廣泛使用。

② 其他組份：多功能高效外加劑中的緩凝組份以保證實(shí)際的施工時(shí)間；引氣組份以改善混合料的流變性和抗凍性；減縮組份以改善混凝土硬化過(guò)程中的體積穩(wěn)定性；增稠組份以提高混凝土拌合物合抗離析的能力等。多組份的復(fù)合和多功能的疊加，為 SCC 配置提供技術(shù)基礎(chǔ)。

2 自密實(shí)混凝土在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 自密實(shí)混凝土在國(guó)外的研究及工程應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1.1 自密實(shí)混凝土在國(guó)外的研究

日本作為最早提出并研制 SCC 的國(guó)家，在 70 年代便開(kāi)始了 SCC 的研究，最早由 Kochi 大學(xué) Okamura教授在 1986 研制成功并開(kāi)始在日本推廣。Ozawa 教授1992年 5 月在伊斯坦布爾舉行的“CANMET & ACT”國(guó)際會(huì)議上關(guān)于日本 SCC 研究及應(yīng)用的介紹引起了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。

1998 年 8 月在日本 Kochi 大學(xué)專門召開(kāi)了 SCC 首次國(guó)際會(huì)議。這之后該領(lǐng)域的研究在世界范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注。除了日本外，1998 在臺(tái)灣； 1999 在冰島和瑞典；2000 年在瑞士、英國(guó)和香港；2001 年在阿聯(lián)酋、臺(tái)灣和俄羅斯；2002 年在瑞士；2003 年在韓國(guó)、冰島、墨西哥、德國(guó)和瑞典；2004 年在臺(tái)灣、荷蘭和墨西哥；2005 年在中國(guó)長(zhǎng)沙及美國(guó)均召開(kāi)關(guān)于 SCC 的專題研討會(huì)和國(guó)際會(huì)議。經(jīng)過(guò)近年的研究與應(yīng)用實(shí)踐，在SCC 的配制理論、評(píng)估方法及實(shí)際工程應(yīng)用方面均取得了較好的成果。

2.1.2 自密實(shí)混凝土在國(guó)外工程領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

到 2004 年為止，日本自密實(shí)混凝土總應(yīng)用量已超過(guò) 250 萬(wàn) m3，并有逐年增加之勢(shì)。目前，日本正在致力于將自密實(shí)混凝土從特種混凝土發(fā)展成普通混凝土。典型的工程應(yīng)用實(shí)例是跨度為 1990m 的明石海峽大橋（懸索橋），該橋的兩個(gè)錨碇分別使用了 24 萬(wàn) m3和15 萬(wàn) m3強(qiáng)度為 25MPa 的自密實(shí)混凝土。由于采用了自密實(shí)混凝土，使得錨碇的施工工期由 2.5 年縮短為 2年，縮短工期 20%。近年來(lái)，由于日本應(yīng)用自密實(shí)混凝土的不斷成功，使西方國(guó)家也開(kāi)始關(guān)注和應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)。其中，美國(guó)西雅圖六層的雙聯(lián)廣場(chǎng)鋼管混凝土柱 28d 抗壓強(qiáng)度 115MPa，是迄今為止自密實(shí)混凝土應(yīng)用中強(qiáng)度最高的實(shí)例。由于采用了超高強(qiáng)度自密實(shí)混凝土，從底層逐層泵送，無(wú)振搗，降低了結(jié)構(gòu)成本的30%。荷蘭也是目前應(yīng)用該技術(shù)較為普及的國(guó)家之一，大約有 75% 的預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)采用自密實(shí)混凝土。不僅保證了特殊結(jié)構(gòu)施工的需求，也使混凝土制品的性能與外觀質(zhì)量得到了改善和提高。

2.2 自密實(shí)混凝土在國(guó)內(nèi)的研究及工程應(yīng)用現(xiàn)狀

2.2.1 自密實(shí)混凝土在國(guó)內(nèi)研究及發(fā)展

我國(guó)對(duì)自密實(shí)混凝土的研究及應(yīng)用相對(duì)較晚，但是最近幾年隨著城市化進(jìn)程加快，大型復(fù)雜的基礎(chǔ)建設(shè)及市政工程，對(duì)于建筑施工技術(shù)和混凝土施工性能的要求也越來(lái)越高。

自密實(shí)混凝土在我國(guó)發(fā)展應(yīng)用速度也逐步加快，應(yīng)用領(lǐng)域也進(jìn)一步拓展，為適應(yīng)工程建設(shè)需要，中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)在搜集了國(guó)內(nèi)外有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)資料及翻譯了國(guó)外的有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)的實(shí)際情況編制了 CECS203:2006《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，推薦給工程建設(shè)、施工和使用單位采用。在我國(guó)建筑工程中 SCC 主要應(yīng)用于澆注量大、鋼筋密集、以及有特殊形狀的部位，應(yīng)用領(lǐng)域也從房屋建筑擴(kuò)大到水利、橋梁、隧道等大型工程。

2.2.2 自密實(shí)混凝土在國(guó)內(nèi)工程領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

從 1995 年開(kāi)始，SCC 澆筑量已超過(guò) 4 萬(wàn) m3。主要用于解決地下暗挖、密筋、形狀復(fù)雜等無(wú)法人工振搗澆筑或澆筑困難的部位，同時(shí)也解決了施工擾民等問(wèn)題，縮短了建設(shè)工期，延長(zhǎng)了構(gòu)筑物的使用壽命。其中具有代表性的工程實(shí)例有：北京首都機(jī)場(chǎng)新航站樓的簡(jiǎn)體墻、西單北大街東側(cè)商業(yè)區(qū)改造的工程、大亞灣核電站的核廢料容器建設(shè)工程、廈門集美歷史風(fēng)貌建筑的保護(hù)工程、長(zhǎng)江三峽等多個(gè)水電站的導(dǎo)流洞、潤(rùn)揚(yáng)的長(zhǎng)江大橋的建設(shè)工程以及福建萬(wàn)松關(guān)的隧道工程等，均取得了較好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。主要工程實(shí)例介紹：

（1）在民用建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

當(dāng)代民用建筑正在向著超高層、構(gòu)形復(fù)雜、密集配筋等方向發(fā)展，此外，文明施工要求盡量降低噪音，避免振動(dòng)擾民等問(wèn)題，這些傳統(tǒng)混凝土施工無(wú)法滿足的問(wèn)題，都可以通過(guò) SCC 的應(yīng)用來(lái)有效解決。主要代表性工程案例：沈陽(yáng)遠(yuǎn)吉大廈工程。沈陽(yáng)遠(yuǎn)吉大廈工程為地下 2 層，地上 27 層，局部 28 層，高 96m，地下 2 層至地上 5 層為鋼管混凝土疊合柱，鋼管內(nèi)芯澆筑 C100、C80混凝土，鋼管外圍為 C40 混凝土。C100 高性能混凝土要求免振、超大流動(dòng)、自密實(shí)、低收縮、低徐變、高彈模。在配制自密實(shí)混凝土?xí)r，采用 42. 5 級(jí) P·II 水泥，摻合料“雙摻”技術(shù)路線和特種泵送外加劑，同時(shí)選用粒形及細(xì)度模數(shù)較好的石灰石及普通河砂作骨料，配制出 C100 混凝土，C100 混凝土初始坍落度達(dá)到 250～260mm，擴(kuò)展度達(dá) 600～650mm，經(jīng) 4h 靜停后，其保塑性仍非常優(yōu)異，坍落度保留值和擴(kuò)展度與初始變化不大，混凝土拌合物的倒置坍落度筒排空時(shí)間也充分說(shuō)明該混凝土的流動(dòng)性好，工作性好，不泌水、不離析、不浮漿，也沒(méi)有抓底現(xiàn)象，其凝結(jié)時(shí)間為8～10h，混凝土達(dá)終凝后即產(chǎn)生強(qiáng)度，早期強(qiáng)度上升明顯，7、28 天強(qiáng)度發(fā)展也很快。

（2）在水利工程領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著我國(guó)水利水電等大型基礎(chǔ)設(shè)施的蓬勃發(fā)展，對(duì)混凝土材料的技術(shù)要求也日益提高，SCC 因其良好的技術(shù)性能滿足了復(fù)雜的施工技術(shù)的要求。主要代表性工程應(yīng)用案例：四川雜谷腦河紅葉二級(jí)水電站壓力管道回填四川雜谷腦河紅葉二級(jí)水電站的壓力管道回填部位，混凝土澆筑振島困難、施工難度大，采用傳統(tǒng)的施工振搗方式很難保證混凝土的澆筑質(zhì)量，后采用 JM-SCC（膨脹型）外加劑配制的 SCC 具有普通混凝土無(wú)法比擬的高流動(dòng)性，從混凝土材料的性能徹底解決這項(xiàng)工程施工的難題。整個(gè)工程自密實(shí)混凝土澆筑長(zhǎng)度 327m，其中水平 135m，斜管段 200m，垂直高度 119m，混凝土澆筑厚度 60cm，采用溜筒一次澆筑完成。從工程應(yīng)用結(jié)果表明：經(jīng)過(guò) 119m 的垂直澆筑高度后仍然能夠保持混凝土各相、各組分之間的比率，不離析、不泌水，而且由于配制時(shí)采用的外加劑具有適度微膨脹作用，有效補(bǔ)償了混凝土的收縮，增強(qiáng)了回填混凝土與壓力鋼管之間的界面粘結(jié)，該項(xiàng)工程采用 SCC 后不僅大大縮短了施工時(shí)間，而且減輕了工人的施工強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了文明施工也確保了工程質(zhì)量。

（3）在橋梁和隧道工程領(lǐng)域的應(yīng)用

在公路和橋梁的建設(shè)中, 有的部位的混凝土澆筑振搗難以進(jìn)行，SCC 的應(yīng)用完全可以從材料的角度解決混凝土施工的難題，這一類型的結(jié)構(gòu)比較突出的有隧道襯砌部位及近年來(lái)比較流行的系桿拱橋。主要代表性工程應(yīng)用案例：福建萬(wàn)松關(guān)隧道襯砌。

萬(wàn)松關(guān)隧道地處福建省漳州市萬(wàn)松關(guān)口之下，二次補(bǔ)砌混凝土設(shè)計(jì)總數(shù)量為 25000m3，設(shè)計(jì)襯砌斷面為圓拱形，襯砌厚度為 35～50cm，澆筑最大高度為 85m，混凝土中配筋密集，施工時(shí)工作面小、振搗困難。

由于混凝土在鋼管中很難振動(dòng)，針對(duì)以上特點(diǎn)，隧道二次襯砌采用自密實(shí)混凝土。施工時(shí)，該混凝土在拱橋底部的兩端同時(shí)泵送至橋的上部，這需要大約 4～5h的連續(xù)澆筑，因此該 SCC 的主要難度是應(yīng)具有較高的保坍能力。

3 自密實(shí)混凝土在我國(guó)發(fā)展的必要性

3.1 工程建筑及施工技術(shù)發(fā)展的需要

隨著我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，無(wú)論是在工業(yè)民用建筑領(lǐng)域還是市政道路交通工程，以及水利、鐵路等大型基建項(xiàng)目建設(shè)的快速發(fā)展，對(duì)于工程設(shè)計(jì)及施工技術(shù)要求越來(lái)越高，許多工程建設(shè)依靠傳統(tǒng)的施工方式已不能滿足工程建設(shè)的需要，尤其像結(jié)構(gòu)物梁板柱交接鋼筋密集部位、隧道襯砌、橋梁鋼管混凝土施工等工程建設(shè)施工工程中依靠人工振搗已不能滿足實(shí)際需要，必須從材料上進(jìn)行技術(shù)革新，以滿足工程實(shí)際的需要，SCC 良好的技術(shù)性能完全能徹底解決上述施工過(guò)程的難題，提高工程施工效率。

3.2 適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要

目前我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)還處于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，在建筑施工過(guò)程中，需要大量從事體力勞動(dòng)的熟練工人，包括現(xiàn)場(chǎng)施工振搗的混凝土澆筑人員，最近幾年勞動(dòng)力緊張局面已經(jīng)凸顯，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)從事現(xiàn)場(chǎng)施工的熟練工人日益減少，勞動(dòng)力成本會(huì)逐步提高，不能滿足建筑業(yè)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，因此從施工技術(shù)及材料技術(shù)上的革新，來(lái)適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，滿足建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展是必然的趨勢(shì)。SCC 的應(yīng)用不僅可以緩解熟練工人日益短缺的危機(jī)， 而且消除了現(xiàn)場(chǎng)施工振搗噪音，減弱了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了文明施工和現(xiàn)代化施工管理水平。同時(shí)由于自密實(shí)混凝土良好的流動(dòng)性，大大減少了對(duì)于混凝土輸送泵等設(shè)備的磨損，提高了設(shè)備的使用效率，加快了施工進(jìn)度。

3.3 滿足混凝土質(zhì)量及建筑物耐久性需要

普通混凝土傳統(tǒng)施工中，工人在現(xiàn)場(chǎng)振搗澆筑混凝土的過(guò)程中，往往為了提高混凝土的流動(dòng)性而人為加水現(xiàn)象較為普遍，無(wú)形增大混凝土的水膠比；以及梁板柱等鋼筋密集處或者較高的柱子等振搗不密實(shí)，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)物不致密，混凝土上下分層不勻質(zhì)的現(xiàn)象產(chǎn)生，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及耐久性。

由于 SCC 良好的技術(shù)特性，毋須振搗即能密實(shí)成型，能夠在自重作用下自動(dòng)穿越鋼筋密集處并且仍保持混凝土拌合物的均勻性，避免了混凝土在施工振搗過(guò)程的加水、振搗不實(shí)或過(guò)度振搗的現(xiàn)象，使傳統(tǒng)混凝土的施工技術(shù)產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，適應(yīng)了當(dāng)代混凝土工程超大規(guī)?；?fù)雜化的要求，滿足工程設(shè)計(jì)的需要；同時(shí)由于SCC 采用了高性能外加劑和大摻量礦物外摻料，使得低水膠比、低水泥用量的混凝土配制成為可能，從而在提高了硬化混凝土的力學(xué)性能基礎(chǔ)上提升了混凝土結(jié)構(gòu)物耐久性。

李海卿（1988—），本科畢業(yè)，高級(jí)工程師，主要從事混凝土攪拌站技術(shù)負(fù)責(zé)及混凝土技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)、管理等工作。

［通訊地址］福建省福州市馬尾區(qū)瑯岐鎮(zhèn)南兜村中交二航局閩江對(duì)臺(tái)碼頭項(xiàng)目部（350015）