自密实混凝土研究进

摘 要：评述了自密实混凝土在其设计方法与制备技术领域的研究进展。深入调查了自密实混凝土拌合物工作性的测试与评价方法及其应用技术等方面的最新动态。综合分析了自密实混凝土拌合物的流变特性、硬化后的性能及其微观结构特征。对自密实混凝土的设计原理、工作性测试评价方法及其工程应用的发展前景进行了展望，指出了加强自密实混凝土施工质量控制措施及其质量保证体系研究的重要性。

关键词：自密实混凝土；自密实性；设计方法；性能；应用

中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：0454–5648(2007)05–0671–08

　　自密实混凝土这一概念最早由日本学者Okamura 于1986 年提出[1]。随后，东京大学的Ozawa等[2]开展了自密实混凝土的研究。1988 年，自密实混凝土第一次使用市售原材料研制成功，获得了满意的性能，包括适当的水化放热、良好的密实性以及其他性能。与普通混凝土相比，自密实混凝土具有以下性能特点[2]：(1)在新拌阶段，不需人工额外振捣密实，依靠自重充模、密实。(2)早龄期阶段，避免了原始缺陷的产生。(3)硬化后，具有足够的抗外部环境侵蚀的能力。

　　近20 年来，由于自密实混凝土的优越性，自密实混凝土的研究与应用实践在世界范围内广泛展开[3–9]。中南大学等单位于2005 年5 月26～28 日在湖南长沙主办了我国第一次自密实混凝土技术方面的国际研讨会(1st International Symposium on Design,Performance and Use of Self-Consolidating Concrete,SCC′2005–China)。

　　为促进我国自密实混凝土技术的发展，综合评述了自密实混凝土的设计方法与配制技术、拌合物性能与硬化性能及其工程应用等方面的研究进展，并对其未来的发展与应用前景进行了展望。

1 自密实混凝土的设计方法与制备技术

1.1 设计方法及原理

　　混凝土设计是指确定其合适的原材料组成及其比例，使其达到预定目标性能的设计方法。与普通混凝土相比，自密实混凝土的关键是在新拌阶段能够依靠自重作用充模、密实，而不需额外的人工振捣，也就是所谓的“自密实性(self-compactability)”，它包括流动性或填充性、间隙通过性以及抗离析性等3 个方面的内容[2]。自密实混凝土拌合物的自密实过程可由图1 表示，粗骨料悬浮在具有足够粘度和变形能力的砂浆中，在自重的作用下，砂浆包裹粗骨料一起沿模板向前流动，通过钢筋间隙、进而形成均匀密实的结构。

　　自密实混凝土拌合物的自密实性，为硬化混凝土的性能提供了重要保证，因而，也是进行自密实混凝土设计的重要基础，已有的自密实混凝土设计方法大部分是根据这一原理发展的。日本东京大学最早进行了自密实混凝土的设计研究，提出了所谓自密实混凝土原型模型方法(prototype method)[1]，后来日本、泰国、荷兰、法国、加拿大、中国等国的学者进一步进行了自密实混凝土的设计方法研究[10–20]，归纳起来可以分为三类：

　　(1) 基于自密实混凝土拌合物的变形性、间隙通过性以及抗离析性的理论分析，结合实验室试验研究结果，建立拌合物变形性、抗离析性以及间隙通过性与其配合比参数之间的经验关系。如：日本学者Edanatsu 等[11]提出的基于砂浆变形及其与粗骨料之间相互作用的设计方法； 泰国学者Kasemsamrarm 等[12]基于自密实混凝土拌合物变形性、离析以及间隙通过性提出的设计方法等。

　　Edanatsu 等认为：砂浆的变形性能对自密实混凝土拌合物性能起关键作用，自密实混凝土拌合物中砂子与砂浆的体积比(VS/Vm)相对固定，然后基于普通混凝土配合比设计方法即可进行自密实混凝土设计，并研究提出了一种测定砂浆变形性能和粘度的V 形漏斗测定方法。这一模型比较简单，操作简便。

　　然而，这一设计方法理论依据不充分，实验依赖性较强，而且对于粗骨料含量、性质等参数对自密实混凝土拌合物性能的影响不明确。Kasemsamrarm 等[12]认为：自密实混凝土拌合物的自密实性取决其变形性、离析以及间隙通过性，其关键影响因素是拌合物的自由水含量、粉体与骨料的保水性以及固体颗粒的有效表面积，由此建立了这些参数与变形能力、变形速度、离析等之间的经验模型。由于混凝土拌合物体系组成非常复杂，很难用数学公式对其自由水含量、固体颗粒的有效表面积等参数进行精确量化，而且仅以泌水量反映拌合物的离析性能似乎缺乏足够的说服力。

　　(2) 基于各组分对自密实混凝土拌合物工作性贡献的理论分析提出的自密实混凝土设计方法。如：Sedran 等 [13]开发了可压缩密实模型(compressiblepacking model, CPM)；Oh 等[14]基于过剩浆体理论提出了过剩浆体层厚度与粘度系数、屈服剪切应力经验关系的流变模型；Bui 等 [15]基于经济性、耐久性提出了最小浆体体积的自密实混凝土设计方法等。

　　Sedran 等提出的CPM 模型主要根据自密实混凝土拌合物流变性能与混合物体系密实度、超塑化剂等参数之间的理论分析，并考虑计算的精确性和快速化，开发了一套配合比设计软件，其建立的模型如下两式所示：

　　其中：μ ，τ 分别为粘度、屈服剪切应力；a0，a，b，m 分别为与超塑化剂有关的常数；Sp，Sp*分别为超塑化剂掺量及其饱和点掺量，下标p 表示超塑化剂；Ki 为与颗粒混合物体系有关的密实指数，di 为颗粒粒径，下标i 表示第i 级尺寸的颗粒。

　　该模型采用计算机处理，大大减少了工作量。然而，该模型需要进一步建立混凝土拌合物的流变性能与实际工程应用中工作性参数之间的联系，以利于现场施工控制与应用；而且，由于原材料参数的复杂性，需要建立适用于由更广泛性质原材料组成的混合物流变模型并考虑其变异性。

　　(3) 由于混凝土混合物组成的复杂性及其对混凝土拌合物性能的高要求，导致理论计算分析与模拟的不确定性和困难，因此，有关学者提出了基于大量试验统计关系的自密实混凝土配合比设计方法[18]，即：通过积累大量的实验数据，建立原材料配比参数与混凝土性能之间的经验关系。然而，此方法工作量非常巨大，需要进行大范围的相关数据的收集累积，建立相关的数据库，以提高模型的普适性。

　　综上所述，由于已有的设计方法在全面反映自密实混凝土拌合物性能的真正内涵及其在体现混凝土工作性、强度等级与耐久性之间的相互协调关系或是实用性等方面存在差距，目前还缺乏被广泛认同接受的自密实混凝土设计方法。

1.2 配制技术

　　自密实混凝土原材料包括：粗细骨料、胶凝材料、超塑化剂等。为了获得满意的性能，必须采取相应的技术途径，对自密实混凝土进行精心设计，确定各特定性质组成材料的合理比例。实践表明：混凝土拌合物的性能取决于浆体和骨料的性质与含量。当骨料性质与含量一定时，优化浆体的粘度、屈服剪切应力，即可获得满意的拌合物工作性。

　　Okamura 等[1]认为：通过限制骨料的含量、选用低水胶比以及添加超塑化剂等措施，可使混凝土拌合物达到自密实性要求。Okamura 等为预拌混凝土工厂制定了如下配制自密实混凝土的技术原则：(1)混凝土中粗骨料占总骨料体积的50%；(2)细骨料占砂浆体积的40%左右；(3)水与胶凝材料体积比根据胶凝材料性质调整，在0.9～1.0 之间；(4)依据拌合物的自密实性，确定超塑化剂的掺量和最终的水胶比。

　　随着矿物掺合料、高分子聚合物合成技术及其在混凝土中的应用技术进步，自密实混凝土已形成了三大配制技术途径，即所谓的矿物掺合料(填料)体系、增稠剂体系以及两者并用体系[21–23]。化学外加剂对促进混凝土技术的发展起到了非常大的作用，其应用潜力巨大，包括自密实混凝土在内的混凝土外加剂的研制与应用技术还有很大的发展空间。相信在不久的将来，自密实混凝土技术会取得更大的突破，配制技术、经济性不再成为其广泛应用的障碍，自密实混凝土将成为真正普遍应用的“普通混凝土”。

2 自密实混凝土拌合物性能及其测试方法

2.1 自密实混凝土拌合物的流变性能

　　研究混凝土这类材料的流变性一般采用Bingham 模型，这个模型包括粘度系数μ 和屈服剪切应力τ 两个参数。对于特定骨料体系的自密实混凝土，其流变参数主要取决于浆体的流变性能。因而，矿物掺合料、化学外加剂等对混凝土流变性能影响较大，目前改善混凝土的流变性质的主要技术途径是掺加矿物粉体材料、超塑化剂以及增稠剂等[24–28]。为了测定混凝土的流变性能参数，开发了不同的混凝土流变仪，然而，不同流变仪测得的参数并没有可比性[29]。因而，必须开发具有普遍意义上的混凝土流变仪，以深入认识自密实混凝土的流变性能。

　　混凝土拌合物相对砂浆、水泥浆体体系更为复杂，而且与普通混凝土相比，自密实混凝土拌合物的流变性能要求更高，必须合理平衡其粘度和屈服剪切应力值，才能使其达到所要求的“自密实”。因而，大部分学者从组成自密实混凝土的砂浆、水泥浆体的流变性能来研究自密实混凝土拌合物的流变特性[11,30–32]。Ouchi[32]研究认为：混凝土拌合物的自密实性主要与粗骨料占固体体积的比例、粗骨料级配、砂浆的变形性与粘度以及砂浆的压力传递性能等5 个因素有关。

　　目前，有关自密实混凝土拌合物流变参数与其宏观工作性参数之间相互关系等方面的成果还很少；而且，对于满足“自密实性”的混凝土拌合物的粘度与屈服应力值的取值范围也不甚清楚，仅在Sedran 等[13]的论文中有一些介绍，认为μ，τ 分别小于等于200 Pa·s，400 Pa 时，混凝土拌合物具有良好的流动性和可泵性。总的来说，采用混凝土拌合物的流变参数来指导其工程实践还存在差距，其实用性需进一步研究。但无论如何，采用粘度、屈服剪切应力两个流变参数能真正全面表征自密实混凝土拌合物的流变特性，具有较强的理论意义。

2.2 自密实混凝土拌合物的工作性及其检测评价

　　混凝土拌合物的工作性能与其工程应用实践存在直接联系。因而，由于工业、工程应用实践等方面的相关需求，促使不少学者对自密实混凝土拌合物的工作性能开展了较为广泛的研究，包括：工作性的影响因素、测试方法及其评价指标等。随着自密实混凝土应用领域的拓展，自密实混凝土工作性的检测方法及其评价指标成为研究的焦点[3]。目前，国际上开发的相关测试方法[3,33–34]包括：坍落度与坍落扩展度试验，Orimet 流速试验，V 型漏斗试验，J 环试验，L 型仪试验，U 型仪试验，湿筛离析试验(wet-sieving segregation test)和渗入试验(penetrationtest)等。Bartos 等[3]对现有的各种测试方法进行了整体评价。然而，这些测试方法大部分仅仅来源于实验室的结果，并没有经受广泛的工程实践的考验。

　　因此，这些自密实混凝土拌合物性能测试方法还带有明显的局限意义，这也是至今为止开发这么多测试方法的原因。当前有关自密实混凝土拌合物性能的各种测试方法及其检测性能指标如表1 所示。

　　如上所述，自密实混凝土拌合物工作性包含填充性、间隙通过性以及抗离析性能等3 方面。这3个方面的内容是自密实混凝土拌合物流变特性的全面反映，缺一不可。然而，目前已开发的单一的拌合物性能测试方法仅能部分反映混凝土拌合物的流变性。因此，在全面评价自密实混凝土拌合物工作性时，必需采用2 种或以上测试方法(如表1 所示)。

　　实践表明：已有的测试方法中在评价自密实混凝土填充性、间隙通过性方面，取得了较好的效果，获得了较为一致的认同；而对于自密实混凝土的抗离析性能的测试评价实验方法，还值得商榷和进一步改进，如这些已有的抗离析性测试方法只能反映静态情况或仅反映拌合物在局部空间内的竖向运动，不足以模拟实际情况。

　　因此，开发更加标准化、科学化以及实用化的自密实混凝土拌合物性能测试方法是这一研究领域追求的目标。

3 硬化自密实混凝土的性能

3.1 力学性能

　　硬化混凝土的性能取决于新拌混凝土的质量、施工过程中振捣密实程度、养护条件及龄期等。自密实混凝土由于具有优异的工作性能，在同样的条件下，其硬化混凝土的力学性能将能得到保证。文献[35]通过模拟足尺梁、柱构件实验研究表明：自密实混凝土表现出良好的匀质性。采用自密实混凝土制作的构件，其不同部位混凝土强度的离散性要小于普通振捣混凝土构件。

　　在水胶比相同条件下，自密实混凝土的抗压强度、抗拉强度与普通混凝土相似，强度等级相同的自密实混凝土的弹性模量与普通混凝土的相当[36]。

　　Holschemacher 等[37]通过拔出实验，研究自密实混凝土中不同形状钢纤维的拔出行为发现：由于自密实混凝土明显改善了钢纤维与基体之间的界面结构，使得自密实混凝土中钢纤维的粘结行为明显好于普通混凝土中的情况。另外，与相同强度的高强混凝土相比，虽然自密实混凝土与普通高强混凝土一样呈现出较大的脆性，但自密实混凝土的峰值应变明显偏大，这表明自密实混凝土具有更高的断裂韧性[38]。

3.2 长期耐久性能

　　随着混凝土结构耐久性问题的日益突出，自密实混凝土的长期耐久性能也成为关注的焦点。文献[39–40]报道的结果表明：相同条件下，不管是引气或非引气自密实混凝土均具有更高的抗冻融性能。

　　文献[41]报道的结果表明：通过模拟实际条件，采用干湿循环、毛细管吸附以及扩散试验，混凝土的水灰比、水胶(水泥+填料)比是影响混凝土氯离子渗透深度的关键因素，自密实混凝土中氯离子的渗透深度要比普通混凝土的小。自密实混凝土由于含有更多的胶凝材料，导致其水化放热增大，且最大放热峰出现更早，填料(矿物掺合料)掺入后可以避免过大的水化放热，但由于填料起到晶核作用而明显影响自密实混凝土的水化过程[42]。

　　自密实混凝土由于浆体含量相对较多，因而其体积稳定性成为关注的重点之一。Poppe 等[43]研究了密封与非密封条件下，不同自密实混凝土的徐变与收缩性能。结果表明：自密实混凝土的水灰比、水胶比是影响其收缩、徐变的主要影响因素，填料的细度对其收缩与徐变无显著影响；水泥强度等级虽对其收缩无影响，但不可忽视其对自密实混凝土基本徐变和干燥徐变的影响作用。此外，环境条件对自密实混凝土的徐变变形影响显著[44]。一般而言，自密实混凝土采用低水胶比以及较大掺量的矿物掺合料等合理的配合比设计，其体积稳定性可以得到较好地控制。有关自密实混凝土的碳化、护筋性能等研究报道较少。

3.3 微观结构

　　混凝土组成是影响其微观结构的主要因素，而混凝土微观结构与其宏观性能存在直接的相关性。Ye 等[45]比较了自密实混凝土、高性能混凝土以及普通混凝土的微观结构。研究结果表明：自密实混凝土的总孔隙率、孔径分布、临界孔径与高性能混凝土相似；而自密实混凝土中的氢氧化钙含量明显不同于高性能混凝土、普通混凝土。在高温条件下，自密实混凝土的耐火性能比高性能混凝土更差，特别是温度高于700 ℃以后，自密实混凝土的性能急剧下降。掺入聚丙烯纤维后，能够提高自密实混凝土的抗火性能，改善其受火后的微观结构[46]。

　　Zhu 等[47]的研究表明：自密实混凝土中骨料与基体界面过渡区的宽度大约为30～40 μm，与普通混凝土基本相同。同时发现，自密实混凝土中骨料上方界面过渡区与骨料下方界面过渡区的弹性模量几乎相当。而普通混凝土中骨料上、下方界面过渡区的弹性模量则差别明显。总之，自密实混凝土的具有更为密实、均一的微观结构，这对于自密实混凝土的耐久性能具有重要意义。

4 自密实混凝土的应用

　　自密实混凝土由于其优异的性能特点，给其工程应用带来了极大的便利及广阔的前景，特别是在一些截面尺寸小的薄壁结构、密集配筋结构等工程施工中显示出明显的优越性。　　　　Domone[48]对1993～2003 年11 年间自密实混凝土应用技术特点进行了总结。目前，自密实混凝土已广泛应用于一些新建的大型建筑结构、桥梁以及既有结构的修复加固工程中。根据不同的实际工程需要，已成功开发了不同类型的自密实混凝土[6,9,49–51]，如大体积自密实混凝土、补偿收缩自密实混凝土、自密实钢纤维混凝土、自密实轻集料混凝土、自密实再生骨料混凝土、自密实废弃轮胎混凝土等。

　　针对自密实混凝土特殊性，文献[52–53]对自密实混凝土施工过程中的模板压力及其施工质量保证措施进行了研究，从混凝土拌合过程、现场检测项目、方法与频度以及浇注等方面进行自密实混凝土施工过程控制。由于泵送压力的作用，混凝土拌合物离析倾向加大，泵送施工过程中自密实混凝土的粘度必须合理控制，且应随泵送高度而变化。实践表明[52]：当自密实混凝土泵送高度在40 m 以下，拌合物的V 形漏斗流出时间应控制在10～20 s 之间，泵送高度大于40 m 时，V 形漏斗流出时间为20～30 s。然而，混凝土的实际施工过程是个复杂的系统工程，其性能不仅与自身的性质相关，而且与现场环境温度、湿度条件密切联系，必须根据实际工程综合考虑。同时，现场施工技术人员在自密实混凝土施工方面的经验还相对缺乏。因此，必须加强施工过程中自密实混凝土性能的波动性及其质量控制方面的探讨，特别是自密实混凝土结构实体性能与同条件混凝土试件性能之间关系等问题的研究。

　　此外，国外已有不少企业将自密实混凝土应用于预制混凝土构件的生产[5]。自1999 年以来，荷兰已有20 多家企业采用自密实混凝土生产预制混凝土构件，至2004 年其产量达8×105 m3。采用自密实混凝土生产预制混凝土制品，在构件性能与外观质量以及综合经济效益上具有较大的竞争力。

　　实践表明，自密实混凝土的力学性能与普通混凝土相似，而其匀质性、耐久性能则明显优于普通混凝土，这为自密实混凝土应用的进一步拓展奠定了坚实基础。显然，自密实混凝土的应用潜力非常巨大。

5 展 望

　　(1) 工作性是自密实混凝土的关键性能，如何量化和保证自密实混凝土拌合物性能一直是而且还将会是自密实混凝土研究的重点；开发更加标准化、科学化以及实用化的自密实混凝土拌合物性能测试方法是这一研究领域的目标。

　　(2) 进一步加强具有技术、实用及经济综合效益的自密实混凝土的设计方法与配制技术研究，特别是针对工程中常用强度等级的混凝土，进一步研究普通(中等)强度等级的自密实混凝土的设计方法与配制技术，开发中等强度等级的自密实混凝土，将有利于拓展自密实混凝土的工程应用领域。

　　(3) 由于自密实混凝土在原材料组成等方面明显不同于普通混凝土，进一步加强自密实混凝土(结构)的环境服役行为，如自密实混凝土的收缩开裂性能、自密实混凝土的抗碳化性能、护筋性能等耐久性方面的研究，将有利于确保自密实混凝土结构的服役寿命。

　　(4) 加强施工过程中自密实混凝土性能的波动性及其施工质量保证体系等方面的研究，调查自密实混凝土结构实体性能与同条件混凝土试件性能之间关系等，将为自密实混凝土的施工质量控制、促进自密实混凝土的工程应用提供有力保证。

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