KNF掺和料含量对自密实混凝土性能影响研究

KNF 掺和料含量对 自密实混凝土性能影响研究

王纪州 范静

中国水利水电第九工程局有限公司，贵州 贵阳 550008

摘 要：为探讨KNF、粉煤灰掺量对自密实混凝土工作性能和力学性能的影响，对单掺KNF掺和料自密实混凝土和复掺粉煤灰、KNF自密实混凝土进行了工作性能测试、力学性能试验。结果表明：在固定胶结料总量、砂率、水胶比、高效减水剂掺量、石子最大粒径为20 mm的前提下，KNF掺量占胶结材料的质量百分比为10%时，KNF掺和料与粉煤灰复掺比例为3∶4时，新拌浆体的流动性好，T500最低，相对最优，低于10%时，流动性变差。混凝土拌合物的流动性随着KNF掺和料单掺量的增加而增强，同时粉煤灰的加入可改善混凝土拌合物的抗离析性能。

关键词：C60；自密实混凝土；配合比设计；KNF掺量；工作性能；经济性对比 ；

1 引言

自密实混凝土(self-compacting concrete, SCC)又称自填充混凝土，是一种具有高流动性、 抗离析性和良好变性能力，在自重作用下无需振捣就能填充模板和钢筋间隙的混凝土，自密实混凝土是一种既能满足实际工程强度方面的要求，又具有高流动性的混凝土，它甚至可以在不振捣或者少振捣的情况下穿过60 mm的钢筋间隙，并且不会出现离析或者泌水现象，这是普通混凝土难以实现的。与普通混凝土相比，具有施工方便、改善工作环境、降低工程造价和提高施工效率等优点。自密实混凝土拥有较多优点，被称为近几十年中混凝土建筑技术最具革命性的发展。

与普通混凝土相比，自密实混凝土的配合比还有一个突出的特点，即矿物掺合料掺量较高。大量研究表明，矿物掺合料对SCC工作性能的影响明显，矿物掺合料部分替代水泥以后，填充了浆料间的空隙，降低了浆料的需水量，改善了SCC泌水和离析，有些矿物掺合料甚至可以起到各相之间的润滑作用，减少摩擦，提升流动性。

2 工程概况

本工程块石混凝土总量约4.9万m3，其中块石占比55%，自密实混凝土占比45%。混凝土性能要求：扩展度不小于650mm ，T50时间不大于20s，强度C60。

KNF高性能砼掺合料，是本C60自密实混凝土配合比里重要的掺和料，具有很高的化学活性和高致密性优势，是一种环保新型建筑材料，它以非常微小颗粒球状，均匀的粒径，填充于水泥颗粒空隙之间，有效的提高混凝土密实度，提高混凝土的抗渗性，从而减少了有害离子传递，有效遏制盐酸化学腐蚀，提高抗钢筋锈蚀能力，降低碱骨料反应。改善水泥浆骨料界面的粘附性，提高混凝土抗冲击韧性和抗弹性能。减小混凝土早龄期的自收缩，降低水泥水化热;提高混凝土力学性能与抗爆性能。提高混凝土强度、抗冻性和耐久性。

本文以KNF和粉煤灰作为自密实混凝土的掺合料，固定胶结料总量、砂率、水胶比、高效减水剂掺量不变，石子最大粒径为20 mm的前提下选择KNF掺和料、粉煤灰掺量作为主要参数，研究掺和料的不同掺量和对自密实混凝土工作性能、力学性能的影响，以便为类似KNF高性能掺和料自密实混凝土的实际工程应用提供参考。

3 试验概况

3.1 试验原材料及试验方法

自密实混凝土初始配合比设计参照JGJ/T 283-2012《自密实混凝土应用技术规程》。

3.1.1 原材料

水泥： P·O 52.5

粉煤灰：贵州柏水电厂 F类Ⅰ级

碎石： 5-20mm

机制砂： 0-5mm

外加剂：江苏苏博特新材料股份有限公司 PCA®-Ⅰ聚羧酸高性能减水剂

掺和料∶KNF-高性能砼掺合料（北京科宁丰外加剂有限公司）

3.1.2 性能要求

自密混凝土工作性能应达到：扩展度不小于650mm ，T50时间不大于20s，强度C60。

3.1.3 试验配合比

本次研究，固定胶结料总量、砂率、水胶比、高效减水剂掺量不变，石子最大粒径为20 mm的前提下选择KNF掺和料、粉煤灰掺量作为主要参数，研究不同掺量，对混凝土的流动性、粘聚性与力学性能影响。按不同的配合比，共设计制作了7组混凝土试件。

试件S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7中KNF掺和料掺量占胶结材料的质量百分比分别为34%、31%、14%、12%、10%、8%、8%，水胶比0.3，砂率47%，其他材料配比相同。主要测试分析KNF掺和料对自密实混凝土强度和工作性能的影响。

表1 试验配合比表

3.1.4 试验方法

试验方法参照《自密混凝土应用技术规程》在固定胶结料总量、砂率、水胶比、高效减水剂掺量不变，石子最大粒径为20 mm的前提下，调整水泥、KNF掺和料、砂、碎石、粉煤灰等因素，从试验中挑选出部分有代表性的点进行试验。通过优化主要包括: A( 水泥) 、B( 碎石) 、C( 机制砂) 、D( KNF掺和料) 、E（粉煤灰）等配比。

评定指标为：扩展度不小于650mm ，T50时间不大于20s，保水性良好，强度C60。

4 结果与讨论

4.1 试件工作性能分析

自密实混凝土应有良好的工作性能或施工性能，即要求新拌混凝土必须具备良好的填充性、间隙通过性和抗离析性，拌合物需具有足够的自密性，能够均匀密实地填充模型。目前，自密实混凝土拌合物的间隙通过性由L型仪或者U型仪检测，抗离析性由L型仪、U型仪或拌合物稳定性跳桌试验检测。

根据规程要求，我们对新拌自密实混凝土在目测其不离析、不泌水的前提下，采用坍落度筒和L型仪对每组配比的自密实混凝土进行工作性能试验。通过坍落度筒试验，测量混凝土的坍落度、扩展度、扩展度达到500 mm所经过的时间(即T500)。

自密实混凝土拌合物工作性能指标要求如下表所示：

表2 自密实混凝土工作性能指标要求表

通过对新拌混凝土的工作性能试验，得到了各组配合比试件基本的工作性能参数，见下表：

表3 自密实混凝土工作性能测试数据表

根据试验数据：第7组因机制砂石粉（13%）含量太高，砼拌合物初始流动性差，后加入27.5g外加剂，砼拌合物粘稠，浆体包裹性差，离析严重，该试配未留试块。

S1-S5各组试件的工作性能指标均能满足施工要求，后成型二组150*150*150cm试块。

S6试件扩展度600mm，未能满足施工要求。

从测试结果来看，KNF掺和料与粉煤灰单掺或复掺，对混凝土的工作性能影响相差不大。但当KNF掺和料掺量低于胶结料总量的10%时，流动性变差，扩展度不能满足要求。KNF掺和料比粉煤灰更细，相同质量下需要更多水分，增稠作用更大，浆体的包裹性也因此提高，促进了骨料流动，两者共同作用，总体表现出变化不大的现象。

从经济性角度考虑，KNF掺和料掺量占胶结材料的质量百分比为10%，KNF掺和料与粉煤灰复掺比例为3∶4时（试件S5），新拌浆体的流动性好，T500最低，相对最优。混凝土拌合物的流动性随着KNF掺和料单掺量的增加而增强。同时根据实验数据可知：粉煤灰的加入可改善混凝土拌合物的抗离析性能。

值得注意的是：当机制砂中石粉含量过大时，混凝土拌合物内水泥浆体黏性过大，流动性变差，就会对自密实混凝土工作性能造成一定的影响。

4.2 试件力学性能分析

遵循《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)的规定，采用NYL-200D液压式压力试验机测量了不同混合比的自密实混凝土试件的力学性能。通过制作标准的立方体150*150*150cm试块，采用标准养护，养护室温度20±2 ℃，相对湿度≥95%，保证每批次试件养护条件一致。养护至加载龄期取出试件，测定龄期分别为 7、28 d 的试件的抗压强度。每种试块每次取3个进行测试，取平均值。测试结果如下表所示：

表4 自密实混凝土力学性能测试数据表

从测试结果来看，同龄期自密实混凝土的强度随KNF掺和料掺量的增加而增强，但复掺粉煤灰混凝土的后期强度速度也上升快。

4.3 KNF掺和料掺量最优试验室配合比的确定

根据S1-S7配合比试件的工作性能、力学性能试验获得的数据，在各组试件中，KNF掺和料单掺量、KNF与粉煤灰复掺比例，对混凝土扩展度的影响不明显，但KNF掺和料掺量占胶结材料总量的质量百分比为10%，KNF掺和料与粉煤灰复掺比例为3∶4时（试件S5），新拌浆体的流动性相对最优，T500最低，掺量低于占胶结材料的质量百分比10%时，流动性变差，扩展度不能满足要求。

本着经济合理、保证工程质量的原则，结合考虑施工当地原材料、现场施工工艺，作业面和气候环境等不利因素，为满足混凝土的强度，施工的和易性和耐久性，同时根据28d强度满足设计60 MPa要求，最优配合比采用表S5配合比用于本工程施工。

经 试拌，初步配合比坍落度和保水率满足规范要求，无需调整，混凝土的实测表观密度值与理论表观密度值之差的绝对值未超过理论值得2%，可将本次的试配配合比确定为混凝土最优配合比。

图1 自密实混凝土的工作性能

5 主要结论

（1）C60自密实混凝土的配合比设计应先根据实际工程需求，先确定坍落扩展度等级、扩展时间T500要求、抗离析性要求，然后按照设计步骤进行计算。自密实混凝土配合比进行计算时，需综合考虑各种原材料对其工作性和力学性能的影响以及经济性，对自密实混凝土进行调整，在试验的基础上，配合比设计更优化，可有效提高自密实混凝土的工作性能和力学性能。

（2）本课题主要是在固定了砂率、胶结料总量、水胶比的基础上，开展相应的KNF掺和料掺和料的研究，但在后续的调配过程中发现：水胶比也是影响自密实混凝土工作性能的一个重要的参数，水胶比过大，抗离析性就偏差，水胶比过小，粘性大，流动性小，不密实。

（3）过制作自密实混凝土试件，固定胶结料总量、砂率、水胶比、高效减水剂掺量不变，石子最大粒径为20 mm的情况下选择KNF掺和料、粉煤灰掺量作为主要参数，针对KNF掺和料单掺量、KNF与粉煤灰复掺量等参数的组合变化，研究不同掺量，对混凝土的流动性、粘聚性与力学性能影响，测试了自密实混凝土试件的工作性能和力学性能。根据实验获得的数据，KNF掺和料单掺或KNF与粉煤灰复掺，对混凝土的工作性能影响相差不大。KNF掺和料比粉煤灰更细，相同质量下需要更多水分，增稠作用更大，浆体的包裹性也因此提高，促进了骨料流动，两者共同作用，总体表现出变化不大的现象。

（4）本课题中KNF掺和料掺量占胶结材料的质量百分比为10%，KNF掺和料与粉煤灰复掺比例为3 ∶4时（试件S5），新拌浆体的流动性相对最优，T500最低。掺量占胶结材料的质量百分比低于10%时，流动性变差，展度难以满足要求。

（5）混凝土拌合物的流动性随着KNF掺和料单掺量的增加而增强。同时根据实验数据可知：粉煤灰的加入可改善混凝土拌合物的抗离析性能。

（6）细骨料中石粉含量对自密实混凝土有一定的影响，当机制砂中石粉含量过大时S7(石粉含量13%），混凝土拌合物内水泥浆体黏性过大，流动性变差，浆体包裹性差，会造成自密实混凝土离析。

作者简介：王纪州（1988—），男，贵州遵义人，工程师，从事市政工程项目施工管理工作。

范 静（1984），女，贵州贵阳人，工程师，从事三公司项目管理工作。