自密实混凝土的配制及工程应用

自密实混凝土的配制及工程应用

苏良海

南通宇部混凝土有限公司

摘要：随着我国建设技术的不断发展，越来越多的工程需要采用自密实混凝土，与普通混凝土相比，自密实混凝土不仅要满足一般的施工性能以及强度、耐久性要求，还要满足良好的和易性及大流动性的要求，这对商品混凝土搅拌站技术人员提出了新的挑战。本文对自密实混凝土的性能以及配制方法作简要介绍，并结合工程实例作详细阐述。

关键词：自密实混凝土；自密实性能；配合比设计；绝对体积法

1引言

自密实混凝土是具有高流动度、均匀性和稳定性，浇筑时依靠其自重流动无需振捣而达到密实的混凝土，又称为高流动混凝土。自密实混凝土最主要的性能是在自重作用下自行填充模板空间而无需振捣，可用于难以浇筑的结构。采用自密实混凝土浇筑的混凝土结构具有良好的力学性能和耐久性。自密实混凝土由于免振，既可节省劳动力和电力，又能提高施工效率，免除振捣所产生的噪音给环境造成的危害，且能解决传统混凝土施工中的漏振、过振以及钢筋密列难以振捣等问题，可保证钢筋、预埋件、预应力孔道的位置不因振捣而移位，具有显著的经济和社会效益。

自密实混凝土的配制与普通混凝土的相比差别较大，原材料的选择以及配合比的设计都有很大的区别。由于自密实高性能混凝土自身的特点，对流变性能较高的要求使得自密实混凝土配比中骨料体积含量较少，砂浆含量较高，因此，它与现在倡导的高性能混凝土配合比的设计方法中的一些理念还是有些差异的。故掌握自密实混凝土的性能指标、参数和设计方法对配制合格的、具备优异施工性能的自密实混凝土极为重要。

2自密实混凝土的分类、性能指标

2.1分类

根据原材料种类及配比的差异，可以将自密实混凝土分为粉体类、增粘剂类和并用类三大类型。他们都是通过增加高性能减水剂来确保具有高流动性和自密实性能，其区别在于抗离析采用的方法不同。

（a）粉体类

粉体类主要是采用减少水粉体积比（增加粉体量）的方式取得恰当的抗离析性能，从而达到自我填充性方面的设计要求。

（b）增粘剂类

与粉体类相比，增粘剂类含有的粉体量较少，它主要是采用增粘剂得到抗离析性能，从而达到自我填充性的设计要求。除了添加增粘剂、高性能减水剂之外，此类自密实混凝土的配比与普通混凝土相似。

（c）在采用减少水粉体积比（增加粉体量）的同时，添加增粘剂掺量提高其抗离析功能，从而达到自我填充性方面的设计要求。

2.2性能指标

自密实混凝土的自密实性能包括流动性、抗离析性和填充性。可采用塌落扩展度、V型漏斗试验（或T50试验）和U型箱试验进行检测。自密实混凝土按性能可分为三个等级，各级性能指标见表1。

表1自密实混凝土自密实性能等级指标

自密实混凝土自密实性能等级与适用结构，见表2.

表2自密实混凝土自密实性能等级与适用结构

3自密实混凝土配制的材料选择

（a）水泥

普通泵送混凝土所用水泥一般均可用于自密实混凝土。根据工程需要，自密实混凝土可选用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥；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。所选用水泥质量应符合相关国家标准。

（b）掺合料

自密实混凝土砂浆总量较大，如果胶凝材料单用水泥则会引起混凝土早期水化热放热较大、硬化后混凝土收缩较大，不利于提高混凝土的耐久性和体积稳定性，在胶凝材料中掺用优质掺合料则可克服这些缺陷。而且，自密实混凝土需要拌合物具有高流动性、高粘聚性、低泌水性，品种适宜的优质活性矿物掺合料可以和水泥颗粒行成良好的级配或者可以降低胶凝材料的需水量，从而改善拌合物的上述工作性。活性矿物掺合料可选用粉煤灰、矿渣粉等矿物掺合料。粉煤灰应选用Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰，同时应选用F类的粉煤灰（低钙粉煤灰）；粉煤灰、矿渣粉质量应符合相关国家标准；

（c）骨料

骨料中的含泥量、泥块含量大，将使混凝土的需水量增大；石子中的针片状颗粒含量高，将使石子的空隙率增大，则为满足相同的工作性所需的砂浆量增大。这些均会对自密实混凝土的自密实性能产生不良影响。因此，自密实混凝土对砂石的品质要求较高，除应满足现行标准的较高指标要求外，还应满足以下要求。

粗骨料宜采用连续级配或2个单粒径级配的石子，含泥量、泥块含量及针片状颗粒含量宜符合表3的要求，空隙率应小于40%。

表3石子的含泥量、泥块含量和针片状颗粒含量

由于工作性需要，自密实混凝土的砂浆量较大，砂率较大。为进一步降低混凝土的需水量和保证混凝土的流动性和粘聚性，应采用偏粗的中砂更为适宜。砂的含泥量和泥块含量宜符合表4的要求。

表4砂的含泥量和泥块含量指标

（d）减水剂

高性能减水剂是配置自密实混凝土必不可少的成分。由于自密实混凝土要求具有较大的流动性、良好的粘聚性等，所以需要选择减水率较高、保水性较好的优质高效减水剂。聚羧酸系高性能减水剂是配制自密实混凝土的首选外加剂，尤其是在配制高强自密实混凝土方面具有明显的性能优势，考虑到水泥适应性问题，应选择与该品种水泥适应性良好的聚羧酸减水剂。

4自密实混凝土配合比的设计

4.1自密实混凝土配合比设计的基本原则

（1）自密实混凝土的自密实性能是新拌自密实混凝土最重要的综合性能，设计配合比时应先确认所设定的性能等级，然后根据等级选定适宜的参数；

（2）自密实混凝土的配合比设计分为自密实性能设计和强度设计两大部分。对于更加注重工作性能的自密实混凝土必须从自密实性能入手进行配合比设计，同时兼顾强度指标。因此，设计不应拘泥于自密实性能设计和强度设计的先后顺序，应注重其核心的参数指标能够满足工作性能和强度等级的要求；

（3）配合比设计应采用绝对体积法；

（4）推荐采用增加粉体材料用量和选用高效减水剂或高性能减水剂，改善浆体的粘性和流动性。

4.2自密实混凝土设计主要参数及对性能的影响

（1）单位体积粗骨料量。从保证自密实混凝土良好的钢筋间隙通过性能和模板狭窄不得填充性能的目的出发，应采用较小的单位体积粗骨料量。但为提高耐久性等目的，应尽可能采用较多的粗骨料。综合考虑这两方面因素，选用最佳的单位体积粗骨料量；

（2）单位体积用水量；

（3）单位体积粉体量，包含胶凝材料量、惰性粉体掺合料量以及骨料中小于0.075m的分体颗粒量；

（4）水粉体积比

单位体积用水量或水粉体积比过大将会导致自密实混凝土的流动性过大、抗离析性能不佳，单位体积用水量或水粉体积比过小将会导致自密实混凝土的流动性不足、过于粘稠。对于自密实性能要求较高的自密实混凝土，水粉比宜取较小值，单位粉体量宜取较大值；

（5）含气量；一般自密实混凝土含气量选定主要考虑粗骨料的最大粒径、混凝土设计强度以及混凝土结构所处的环境条件的因素；

日本在混凝土技术方面一直致力于混凝土配合比的标准化，在自密实混凝土研究及应用方面取得了很大的成果。日本土木学会的《高流动混凝土施工指南》中各种性能等级的自密实混凝土的配合比标准值很值得我们借鉴参考，见表5。

表5自密实混凝土配合比标准值

我国工程建设标准《自密实混凝土应用技术规程》中对自密实混凝土的参数也给出了推荐值，内容和表5基本相同，只是增加了含气量推荐值1.5～4.0%和浆体量推荐值0.32～0.40m3/m3，按照这些推荐值一般都能够配制出满足自密实性能要求的混凝土。

4.3配合比设计与试拌

4.3.1自密实混凝土设计与试拌

自密实混凝土的设计与试拌具体流程见图1，由图1中可见，可将自密实混凝土配合比设计分为强度设计和自密实性能设计两块，设计时可不分先后，但必须同时保证自密实性能及强度。

图1自密实混凝土配合比设计与试拌流程图

4.3.2工程实例配合比设计及试拌

长江边观景楼工程为钢筋混凝土结构，其中12根钢柱，柱高12米，直径1.2米，采用自密实混凝土浇筑，施工工艺采用倒灌顶升。混凝土设计强度为C35，但因工程需要，混凝土10天龄期就要达到35MPa，具体施工步骤如下。

（1）确定该自密实混凝土的强度和自密实性能等级

强度等级：因要求10天强度达到35MPa，按混凝土7天强度是设计值80%左右的普遍规律推算，C35混凝土10天龄期将达不到35MPa的要求，故提高设计标号，采用C40设计；

自密实性能等级：因采用倒灌顶升工艺施工，对自密实性能要求较高，故自密实性能等级确定为二级。

（2）原材料的选择与性能指标

水泥：采用公司现有生产用台泥PⅡ52.5水泥，表观密度3.13g/cm3；

粉煤灰：华锦Ⅱ级粉煤灰，表观密度2.38g/cm3；

细骨料：鄱阳湖2区中砂，细度模数2.8，表观密度2.68g/cm3，小于0.075mm的细粉含量1%；

粗骨料：安徽荻港碎石，表观密度2.72g/cm3，。因施工部位为钢柱，为减小收缩，应尽可能采用粒径较大的碎石，故采用5-16与16-31.5两种级配石子按6；4混合；

减水剂：苏博特PCA聚羧酸高性能减水剂，固含量20%，减水率27%。

具体原材料情况详见表6.

表6配制用原材料与性能指标

（3）配合比设计及制备

配合比设计（设计思路：采用粉体类自密实混凝土设计、按大体积混凝土设计；设计顺序：先设计自密实性能后校核强度等级）

A.自密实性能设计

①确定单位体积粗骨料体积（Vg）

根据所确定的自密实性能等级选取参数为0.32，则单位粗骨料体积用量为320L，质量则为870kg.

②确定单位用水量（Vw）

因混凝土所处部位为钢柱内，应尽量减少混凝土的收缩，故选取较低的单位体积用水量为165L。

③确定水粉体积比参数（w/p）

倒灌顶升工艺决定了混凝土流动性一定要好，施工部位的整体高差较大要求混凝土粘聚性要好，否则从底部已顶进去的混凝土发生离析将阻挡后面混凝土的继续进入，可能发生泵送中断。因此，水粉体积比要适中，选取为90%。

④计算单位体积粉体量（Vp），并检查是否在推荐值范围内，

由②和③可得Vp=Vw/（w/p）=165/0.9=183L=0.183m3，在推荐值以内，其中应包含砂中1%的细粉量。

⑤确定含气量（Va）

根据长时间使用该品种外加剂的经验，设定含气量为2.0%，也就是20L.

⑥计算单位体积砂用量（Vs）

因砂中含有1%的细粉，又Vg+Vw+Vp+Va+（1-1.0%）Vs=1000L，所以Vs=（1000-320-165-183-20）/99.0%=315L，砂质量为844Kg.

⑦计算单位体积胶凝材料用量（Vce）

Vce=Vp-1.0%Vs=183-（1.0%*844）/2.68=179.8L；

B.强度设计

①计算水胶比

根据本公司混凝土强度长期统计分析结果中强度与灰水比关系及配制强度公式：

fcuk=23.3*B/W-3.9（Lyse公式，也可用blomey公式计算）

fcuk=fcuo+r*σ=40+2.0*4.0=48Mpa

（强度保证率系数为2.0，对应的保证率为97.7%，为企业标准，标准差取4.0）可计算得：

B/W=2.23，即W/B=0.45

因用水量为165kg，所以胶凝材料用量：

B=165/0.45=366.7kg

上述Lyse公式的条件之一是粉煤灰掺量15%，因此水泥用量为：366.7*（1-15）%=311.7Kg，体积为311.7/3.13=99.6L；

粉煤灰用量为366.7*15%=55kg，体积为55/2.38=23.1L。

两者体积和为=99.6+23.1=122.7L，满足不了自密实性能178.9L的要求。根据《粉煤灰混凝土运用技术规程》，当粉煤灰用于改善混凝土和易性可采用直接外加法，故另外加粉煤灰体积为178.9-122.7=56.2L，质量为56.2*2.38=133.8Kg。

粉煤灰总体积为23.1+56.2=79.3L，总质量为55+133.8=188.8kg。最终水胶比为165/（311.7+55+133.8）=165/500.5=0.33。

外加剂掺量初定为胶凝材料的1.4%。试验配合比见表7

表7C40自密实混凝土配合比

混凝土试配结果见表8。

表8C40自密实混凝土试配结果

下图2为塌落扩展度及T50试验图片，混凝土状态良好，图3为该混凝土现场施工，浇筑顺利。

图2混凝土扩展度及T50试验

图3自密实混凝土施工现场

5结语

（1）选取适宜的自密实设计参数对成功配制自密实混凝土非常重要；

（2）骨料的含泥量对聚羧酸外加剂性能发挥有非常大的影响，应严格控制骨料的含泥量；

（3）聚羧酸外加剂对砂石料敏感，更换砂石料应重新验证配比；聚羧酸外加剂还对用水量敏感，试配时应精确控制用水量，砂石应做饱和面干处理，以达到精确控制用水量的目的；生产时也应严格控制砂石含水率；

（4）混凝土搅拌时间应适当延长。

参考文献：

1.《混凝土质量管理手册》（日）小林一辅

2.《高流动混凝土施工指南》日本土木学会

3.《宇部三菱混凝土教程》内部教材

4.《自密实混凝土应用技术规程》CECS203：2006中国工程建设标准化协会

5.《粉煤灰混凝土应用技术规程》GBJ146-90水利部主编