自密实混凝土的研究与应用综述.pdf
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1、第 3卷第 2 期 2 0 0 6年 4月 铁道科学与工程学报 J OUR NAL OF L WA Y scI E NCE A ND EN GI NEE RI NG V o I 3 No 2 A D r 2 0 0 6 自密实混凝土的研究与应用综述 刘小洁 , 余志武 ( 中南大学 土木建筑学院, 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ) 摘要: 在收集大量国外最新文献的基础上 , 系统地综述了自密宾混凝土配制技术、 拌合物工作性检测方法、 自密实混凝土 力学性能方面的研究和应用情况。此外对 自密实混凝土技术的未来研究和发展方向进行了展望。 关键词: 自密实混凝土技术; 研究; 应用 中图分类号
2、: 3 7 3 5 8 2 1 文献标识码 : A 文章编号: 1 6 7 27 0 2 9 ( 2 0 0 6 02 一 O O O 6 0 5 R e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f s e l f c o mp a c t i n g c o n c r e t e L I U X i a o j i e Y U Z h i w u ( S c h o o l o f C iv i l a n d A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g ,C e n t r a l S o u
3、 t h U n iv e r s i t y ,C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5 ,C h i n a ) Ab s t r a c t : T h e s t u d y o f s e l fc o mp a c t i n g c o n c r e t e r e g a r d i n g mi xp rop o r t i o n t e c h n i q u e,t e s t me t h o d o f w o r k a b i l i t y , me c h a n i c a l a n d s t r u c t u r a l b e h
4、 a v i o r a n d als o a p p l i c a t i o n t o c i v i l e n g i n e e r i n g w e re rep o r t e d i n d e t a i l S o me p r o b l e m s t h a t n e e d t o be f u r t h e r s t u d i e d w e r e als o p res e n t e d i n t h i s p a p e r Ke y wo r d s: s e lfc o mp a c t i n g c o n c ret e;re
5、s e a r c h;a p p l i c a t i o n 2 0 世纪 8 0 年代初 , 混凝土结构的耐久性问题 在日本引起了广泛的关注。混凝土结构的高耐久 性需要通过熟练技术工人的充分振捣才能实现, 但 是日本施工企业技术工人的日渐减少导致混凝土 施工质量下降。而解决这一难题的途径就是采用 自密实混凝土 , 即无需振捣 , 仅依靠 自重作用就能 仿混凝土密实填充模板的各个角落。这一慨念首 先是 0 k a m u r a 在 1 9 8 6年提 出的。超塑化剂 的出现 使得 自密实混凝土技 术的实现成 为可能。随后 , 0 z a w a 和 M k a w a 进行了自密实混凝
6、土的研制工作 包括混凝土工作性能 的基础研究。 近 1 5年来 , 自密实混凝土在美 国、 日本 、 欧洲 等发达国家和地区都得 到了广泛的应用 在将 自 密实混凝土投入到实际应用的同时, 工程技术人员 还对 自密实 昆 凝 土的物理化学性能及力学性能进 行 了研究 , 研究成果被纳入相应的设计施工指南和 手册 中 3 l 。 1 自密实混凝土配制技术 自密实混凝土的成型原理是通过外加剂( 包括 减水剂、 超塑化剂、 稳定剂等) , 胶结材料和粗细骨 料的选择与搭配和配合比的精心设计, 使混凝土拌 合物屈服剪应力减小到适宜范围内, 同时又具有足 够的塑性粘度, 使骨料悬浮于水泥浆中, 不出现离
7、 析和泌水的现象。 自密实混凝土的配比设计要考虑的因素比普 通混凝土的复杂, 并且配比设计方法直接影响混凝 土成本, 如果考虑不当将导致成本大幅度提高。自 密实混凝土设计时必须考虑建筑物的结构条件、 施 工条件、 环境条件和经济性。一般而言, 填充性、 强 度和耐久性是 自密实混凝土配比设计的基本要求 。 自密实混凝土发展至今, 形成了所谓粉体系、 增粘 剂系及并用系等三大系列配合比设计方法 , 国外对 自密实混凝土配合 比计算方法也进行了研究 4 一 。 收稿 日期: 2 0 0 60 21 0 基金项 目: 国家 自然科学 基金资助项 日( 5 0 2 7 8 0 9 7 ) : 铁道部科
8、技项 H( 9 8 G 2 0 ) 作者简介: 刘小洁( 1 9 7 3 一) , 女 湖南益阳人, 副教授, 博士研究生 从事结构 L 程的研究 维普资讯 http:/ 第 2 期 刘小洁, 等: 自密实 昆 凝土的研究与应用综述 7 O k a m u r a认为 , 限制骨料 用量 、 采用较低 的水 灰比并且添加超塑化剂可以实现混凝土的高流动 性 。要获得真正的 自密实混凝土 , 混凝土组成材 料必须满足下面几个条件 。 : 5 讫 2 1 7 0 V + f 2 0 0L m3 ; Vg 3 4 0L m3 ; ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 最大粗骨料粒径 2 5 m m。 (
9、 4 ) 其中: 为每立方米水的用量; V c + f 为胶凝材料的 用量, I , 为粗骨料的用量。 自密实混凝土配合比设计要从流动l生、 抗分离 性、 间隙通过性和填充性 4 个方面统一考虑, 解决 流动性与抗分离性的矛盾, 从而提高间隙通过能力 和填充性。 文献 1 0 表明, 新拌混凝土的自密实性 与配合比中粗骨料所占比例, 粗骨料的级配, 胶凝 材料浆体的压力传递能力、 变形性能及粘性有很大 的关系。 为了对配合比设计进行调整, 通过坍落扩 展度试验及 V型漏斗试验可对 自密实混凝土变形 性能及粘性采用指标 r 和 兄 进行描述 : R =l O t ( 6 ) 其中: f 1 和
10、f 2 分别为混凝土扩展后在2 个相互垂直 方向 七 的直径读数; s 。 为坍落度筒底部直径; t 为 混凝土流过 I , 型漏斗的时间( 用秒计) 。 用类似的方法可以对影响混凝土自密实性的 胶结材料浆体的变形性能和粘性进行评价。 评价指 标分别用 r 和 表示。 r 越大, 则变形性能越 大; R 越小, 则粘性越好。 目前 , 用于 自密实混凝土的外加剂还有研制和 发展的空间【 , I 2 J , 自密实混凝土 用外加 剂一般要 满足 3个条件 : 1 ) 在低水胶 比的情况下 , 具有较高 的分散效 应。 2 ) 在 自密实混凝土拌制完毕 , 这种分散效应 至少保持 2 h以上 。
11、3 ) 对温度变化的敏感性低。 2 自密实混凝土工作性能测试方法 与评价指标 2 1 工作性能测试方法 为了对 自密实混凝土的工作性能进行评价 , 人 们提 出了很多种测试方法。 目前 , 国际上采用 的测 试方法有坍落扩展度试验、 V 型漏斗试验、 L 型仪试 验、 u型或箱型试验 、 G T M筛稳定性试验、 O r i m e t 流 速仪法及贯入试验 1 , l 1 。 各种测试方法及检测性能 见表 l 。 衰 l 自密实混凝土工作性测试方法及检测性能 Ta b l e 1 T e s t p r o p e r t i e s a n d me t h o d s f o r e v
12、 a l u a t i n g S CC 检测性能 方 法 1 用 A b r a m s 锥的坍落流动度测试 2 坍落流动度法 3 J 型环 4 V型漏斗 试验 5 V型漏 斗 6 L型流速仪 7 u型填 充试验 8 箱 型填充试验 9 G T M筛稳定性试验 1 0 O r i m e t 流速仪法 l 1 贯人试验 填充性 填充性 自 J 隙通过忡 填充性 抗离析性 间隙通 过性 问隙通过性 间隙通过性 抗离析性 填充件 抗离析性 2 2 工作性评价指标 到目前为止还没有一种单一的方法或者是将 2 种以上的方法结合使用得到大家的一致认同。 因 为还没有任何一种单一的方法能全面反映自密实
13、 混凝土的工作性能, 因此对于配合比设计时每一批 混凝土的工作参数 , 都要用 2种以上的方法进行测 试得到。 13 本根据自密实混凝土应用部位的不同得 到的工作性能的评价指标见文献 3 。 文献 1 3 对常用测试 方法 的优 、 缺点进行了 评价。 为了使测试方法更加标准化、 科学化、 适用化 以及实用化, 从而使 自密实混凝土技术推广更快, 应用范围更广, 在 2 0 0 2年发布的“ 自密实混凝 土设 计与施工指南” 基础上修订的新的欧洲标准_ 2 J 对 自密实混凝土工作性能评价指 标进行了更详细 的规定, 见表 2 。 表2 欧洲 自 密实混凝土拌合物工作性评价指标 Ta b l
14、e 2 Ac c e p t a n c e c r i t e r i a for S C C i n Eu r o p e L 型 仪 c H 。 ; 襄 篙 。 。 s 间 隙 通 过 性 G T M筛稳定性 试验 2 3 抗 离析性 l 8 注: 表中各类分级标准参见文献 2 3 硬化 自密实混凝土性能 3 1 匀质性 文献 1 4 对梁和柱的足尺试验结果进行了报 维普资讯 http:/ 8 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 6年4月 道, 柱高为3 0 m, 梁长为3 8 rn 。 现场取芯, 预埋件 拔出试验及回弹法试验结果表明: 对于梁而言, 沿 梁长无论是自 密实
15、混凝土还是普通振捣混凝土都 表现出较好的匀质性; 而对于柱而言, 沿柱高无论 是自密实混凝土还是普通振捣混凝土, 实测结果离 散性都较大, 相对而言, 自密实混凝土离散性要小 一 些; 越靠近柱底, 混凝土强度越高; 而且混凝土强 度等级越高, 上下实测结果的离散性越大。 3 2 力学性能 自密实混凝土配合比设计中低水胶比、 高胶凝 材料用量以及超塑化剂的使用会对自密实混凝土 的力学性能产生影响。 3 2 1 抗 压 强度与 抗拉 强度 研究结果【 j 表明: 与水胶比相同的普通混凝 土相比, 自 密实混凝土的抗压强度略高, 但强度发 展规律类似: =2 0 7 1 n f +1 1 7 (
16、w b ) mo 4 2 t + 2 9 。 ( 7 ) 由于胶凝材料浆体体积对抗拉强度影响不大, 自密实混凝土的抗拉强度可偏安全地按普通混凝 土取值 。 3 2 2 弹性模 量 一 般认为由于粉体材料用量较大, 砂率较高, 自密实混凝土的弹性模量比普通混凝土有所降低。 但是研究结果【 j 表明: 当强度等级相同时, 自密实 混凝土的弹性模量并不比普通混凝土低, 自密实混 凝土弹性模量和抗压强度之间的关系为: E =3 7 5 。 ( 8 ) 3 2 3 收缩徐 变性 能 混凝土收缩徐变是混凝土结构 中的基本 问题 之一, 影响混凝土结构的长期使用性能。 超静定结 构的发展与部分预应力理论的应
17、用更促使收缩徐 变影响的计算成为结构设计与施工控制不可缺少 的内容。 文献 1 5 通过 8 组不同配合比的自密实混凝 土试块的试验研究与理论分析, 发现与同强度等级 的普通混凝土相比, 自密实混凝土的徐变、 收缩和 弹性模量没有显著的不同。 文献 1 6 通过试验研究得到以下结论: 1 )自密实混凝 土的收缩徐 变不仅与 c有 关, 还与 c p有关 。 2 ) 水泥品种对收缩变形没有影响 , 但是对基 本徐变及干燥徐变的影响不能忽略 。 3 )白密实混凝土收缩徐变值不会比普通混凝 土大, 因此 , 在工程结构中不须采取额外的措施来 考虑自密实混凝土收缩、 徐变对结构的影响。 3 2 4 粘
18、 结性 能 文献 1 7 通过对用 自密实混凝土浇注的 9 5 c m 2 0 e m1 5 0 c m的墙体构件的试验研究表明: 在 1 4 0 e m高度处的钢筋的顶部粘结效应系数为 1 4 , 而普通混凝土为 2 0 。文献 1 8 表明在 自密 实混凝土配合比设计 中加入增粘剂能减小此系数。 Z H U We n z h o n g 等 通过扫描电子显微镜图像分 析发现: 与普通混凝土相比, 自密实混凝土包裹在 粗骨料外的界面过渡区更加密实而且分布更均匀, 自密实混凝土与钢筋的粘结性能要比普通混凝土 的好。 3 2 5抗 火性 能 文献 2 0 通过对受高温以后 自密实混凝土各 组分微
19、观结构的研究发现 : 1 ) 与高性能混凝土相比, 高温以后, 自密实混 凝土的破坏更严重。 2 ) 在 自密实混凝土 中加入 聚丙烯纤维 能大大 减小 自密实混凝土受火启微观结构的破坏程度。 3 ) 自密实混凝土在 7 0 0 oC以下能保持较好的 稳定性, 但是超过 7 0 0以后, 重量急剧下降, 说明 白密实混凝土一旦受火 , 破坏性更大。 4 预制 自密实、7 昆 凝土生产 通常工厂生产混凝土预制构件, 可以用干硬性 混凝土, 通过加强振动等工艺方法而获得密实的混 凝土。但如果是厚度较薄、 密集配筋的制品, 用普 通混凝土就难以获得填充性能优良的混凝土制品。 由于自密实混凝土具有良好
20、的工作性, 国外已有很 多生产企业将其用于预制混凝土建筑构件的生产。 自1 9 9 9年以来, 在荷兰已有 2 0 多家生产企业将之 应用于混凝土预制建筑构件的生产。至2 0 0 2年其 产量达到 2 5万 m 3 , 2 0 0 4年达 到 8 0万 m 3 。采用 自 密实混凝土生产预制制品, 在材料成本上比普通混 凝土固然有所增加, 但对其技术经济效果作综合分 析还是可行的。而且所生产的预制混凝土制品的 性能和外观得到很大的提高 2 1 。 5 自密实混凝土应用实例 目前, 已研发 成功 的 自密实混凝土种类有 : 建 筑 自密实混凝土 , 高强 自密实混凝S l 2 3 j , 大体
21、积 自密实混凝土l , 预制轻质自密实混凝土 2 2 ,2 5 , 补偿收缩 自密实混凝土L 2 2 _2 2 ,自密实钢纤维混凝 土 2 6 2 7 , “ 三 明治” 自密实混凝5 : 2 8 , 再生骨料 自密 实混凝土l 维普资讯 http:/ 第 2 期 刘小洁, 等: 自密实混凝土的研究与应用综述 9 5 2 1 高强 自密 实混凝土 圣马力诺世贸中心 j 采用的 自密实混凝土配 比( 质量比) 为 ( 波特兰水泥、 硅粉、 水、 石、 砂、 丙烯 酸超塑化剂的质量比为4 6 5 : 6 5 : 1 7 5 : 9 1 5 : 7 1 0 : 4 6 ) 实测坍落扩展度经时 5 m
22、 i n至 1 h为 7 3 0 6 0 0 m m 2 8 d 抗压强度为 9 5 MP a , 6 0 d干缩为 3 8 0 E , 2 8 d 动弹性模量为 4 5 N n m 1 2 。 美国西雅图双联广场是至今为止 自 密实高性 能混凝土用于实际结构中强度最高的广场。该工 程中 6 2层的双联广场钢管混凝土柱 , 由于采用了 超高强的自密实高性能混凝土, 降低了结构成本 3 0 , 这一工程是自密实高性能混凝土在重要结构 工程上应用的杰出范例。 5 2 2大体积 自密实混凝土 明石海峡大桥 2 4 j 是于 1 9 9 8年 4月建成的世界 上最长的悬索桥, 这座大桥架设在神户市和淡
23、路 岛北端之间的明石海峡上, 大桥全长3 9 1 0 m , 中央 支距长 1 9 9 0 m 。该桥 的 2个锚锭分别用 了 2 4万 m 1 和 1 5 r n 3 强度为2 5 M P a 的自密实混凝土。该桥 通过采用自密实混凝土施工新技术, 使两个锚锭的 施工从 2 5 a 缩短 到 2 a , 缩短工期 2 0 。在欧洲 采用 C E M A 3 2 5 R ( 3 0 o k g m 3 ) , 聚丙烯酸基超 塑化剂( 0 8 1 5 ) , 粉煤灰( 1 3 0 1 5 0 k g m 3 ) , 超细非结晶硅胶( 1 2 ) 以及最大粒径不超过 2 0 m ln 的粗骨料配制
24、的自密实混凝土早期水化速 率小, 可用于大体积混凝土Es 5 2 3 自密实钢纤维混凝土 在 自密实混凝土中加入钢纤维能减小塑性收 缩 , 将 自密实混凝土和钢纤维混凝土的优点结合在 一 起 的自密实钢纤维混凝土在工程 中的应用也越 来越多 但是加入钢纤维后会改变 自密实混凝土 的工作性能, 进而有可能对自密实混凝土的其它性 能产生负面的影响。C a u b e r g N等【 J 研究了不同 类 、 不同形式 、 不同尺寸的钢纤维对 自密实混凝 土拌合物及硬化混凝土性能的影响。研究表明: 1 ) 用 J 环试验 比 L型仪更能反映 自密实钢纤 维混凝土的间隙通过性 。 2 ) 选用合适的超塑
25、化剂能减小钢纤维对 自密 实混凝土工作性能的影响。 3 ) 钢纤维对硬 化混凝土性能的影响可以通 过 弯曲试验检测出来 , 在试验过程 中没有发现钢纤维 对自密实混凝土抗压强度 、 密度及收缩性能 的影 响。 5 2 4 “ 三明治” 自密实混凝土 尽管和普通混凝土相比, 自密实混凝土能产生 显著的社会效益和综合经济效益, 但是材料成本却 是普通混凝土的 23 倍 。这在一定程度上限制 自密实混凝土技术的推广。目前, 在新加坡, 因为 所有的原材料都要从国外进口, 自密实混凝土的供 应成本是普通混凝土的 1 5 倍。因此自密实混凝 土只在特别需要的条件下才采用。为了减少成本, 研发人员提出了在
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