自密实混凝土 (self-compacting concrete, 简称SCC) 也称作高流态混凝土、高工作性混凝土、自流平混凝土、自填充混凝土、免振捣混凝土等, 是一种高流动性的混凝土, 在没有振捣的情况下可以穿越密集钢筋、在模板中填充成型并且不产生离析^[1]。目前自密实混凝土在实际应用过程中工作性能的稳定性是实际生产和施工中的难点, 自密实混凝土良好的工作性能只能维持很短时间, 在实际生产过程中通常由于原材料的波动很难维持工作性能稳定, 特别是砂含水、骨料级配变化时, 自密实混凝土更容易发生离析、骨料下沉等现象, 工作稳定性较差, 严重影响现场浇筑质量。

已有研究表明, 超细掺和料在自密实混凝土中得到很好的应用:一方面超细掺和料具有良好的活性效应, 能够改善水泥石中胶凝材料的组成, 优化混凝土的微结构;另一方面, 超细掺和料置换出水泥颗粒间隙水, 降低用水量。但多元复合掺和料对自密实混凝土的工作稳定性研究甚少, 本文开展多元复合掺和料对自密实混凝土的工作稳定性研究, 同时复掺抗离析剂, 使自密实混凝土在2h内工作性能更稳定、波动更小, 有利于实际生产和施工。

1) 原材料 本次试验选用P·O42.5水泥, 细度模数为2.6的河砂, 5~25mm玄武岩碎石, 某微珠厂生产的比表面积750m²/kg的超细粉煤灰, 比表面积20 000m²/kg的硅灰, 某矿粉厂提供的比表面积600m²/kg的超细矿粉, 比表面积180 000m²/kg的纳米二氧化硅, 减水率28%的聚羧酸减水剂, 抗离析剂为多元复配材料, 主要成分为触变剂、增稠剂和稠度调节剂, 缓凝剂为葡萄糖酸钠。

2) 试验配合比 (见表1)

3) 试验方法 自密实混凝土坍落度扩展度、U形箱试验和V形漏斗试验参照CECS 203:2006《自密混凝土应用技术规程》选用。

1) 多元复合超细掺和料对自密实混凝土工作性能影响研究 通过正交试验优化多元复合超细掺和料的组成掺量, 其中多元复合掺和料主要包括:A (微珠) 、B (硅灰) 、C (纳米二氧化硅) 、D (超细矿粉) , 选取L₉ (3⁴) 正交表进行正交试验, 评定指标为SCC初始坍落度扩展度、U形箱高度差和V形漏斗排空时间, 正交试验因素水平如表2所示。试验结果和极差分析分别如表3, 4所示。

从表3的试验结果可得多元复合矿物掺和料可以明显提高自密实混凝土的工作性能, 超细粉煤灰、硅灰、纳米二氧化硅和超细矿粉的掺量分别为30%, 5%, 0.1%, 5%时 (即试验F₂) , 自密实混凝土的工作性能最佳, F₂相比F₀试验扩展度提高了105mm, U形箱高度差降低41mm, V形漏斗排空时间降低了12.9s, 工作性能提高较明显。从表4极差分析结果可以看出, 初始坍落度扩展度影响程度为A>D>C>B, 主要原因在于超细粉煤灰的粒径集中在0~10μm, 约为水泥颗粒的1/10, 能较好填充水泥颗粒间的空隙, 置换出水泥颗粒间隙水, 具有一定的减水效果, 在同样的用水量前提下, 胶凝材料浆体具有更好的流变性能;其次超细粉煤灰是表面光滑的玻璃体, 有较好的滚动润滑作用和分散作用, 能够分散塑性黏度较大的水泥浆体, 降低胶凝材料的塑性黏度, 增加流变性能, 所以超细粉煤灰能够增加自密实混凝土的扩展度^[2]。

从表4极差分析结果中也可以看出, U形箱高度差影响程度A>C>B>D, 且A, B, C相差较小, U形箱高度差主要体现在自密实混凝土的间隙通过能力, 超细粉煤灰可以增加流动性能, 但混凝土具备较好的间隙通过能力, 还需要自密实混凝土拌合物具备较好的均匀性, 粗细骨料均分散在浆体内部, 浆体的塑性黏度能够阻止骨料下沉。硅灰和纳米二氧化硅的比表面积都比较大, 吸水率比较大, 能够增加浆体的塑性黏度, 合理的掺量能够降低骨料下沉速率, 减少泌水率, 提高自密实混凝土拌合物的均匀性^[3]。

从表4极差分析结果中同样可以看出, V形漏斗的影响程度C>A>B>D, V形漏斗的排空时间主要衡量自密实混凝土的抗离析性能, 即骨料的均匀分布性能, 纳米二氧化硅的抗离析优越性能在于其比表面积大。

2) 工作稳定性能研究 选取试验F₀, F₂, F₃, F₆, 分别测试其0.5, 1, 1.5, 2h的坍落度扩展度、U形箱高度差和V形漏斗排空时间, 为了排除水泥水化太快引起的工作性能损失, 本次试验使用的外加剂中复配了适量的缓凝组分, 试验结果如图1所示。

从图1的试验结果中可以看出, 自密实混凝土的工作性能随时间的延长均出现了降低, 试验F₃在120min内波动较大, 坍落度扩展度降低了90mm, U形箱高度差上升了42mm, V形漏斗排空时间提高了20.3s, 主要原因在于试验F₃中纳米二氧化硅的掺量及活性较大, 在水泥碱性条件下, 很短的时间内就会水化, 同时也促进水泥的水化, 导致凝结时间缩短, 所以自密实混凝土拌合物的工作性能损失较快。试验F₂, F₆的工作性能在120min内都要好于试验F₀, 主要原因在于多元复合矿物掺和料优化水泥颗粒间的孔隙率, 有效地置换出水泥颗粒间的絮凝水, 同时产生了很好的级配效应, 所以工作性能更优越稳定^[4]。

3) 抗离析剂对自密实混凝土工作稳定性研究 普通自密实混凝土对用水量变化和原材料的波动比较敏感, 混凝土生产过程中原材料变化引起用水量波动, 易引起混凝土离析泌水, 导致混凝土骨料下沉, 工作稳定性不足。本文开展抗离析剂对自密实混凝土工作稳定性的影响研究, 在用水量的波动区间为-5~20kg/m³时, 通过V形漏斗排空时间测试自密实混凝土初始的抗离析性能, 试验结果如图2所示, 其中抗离析剂的掺量为胶凝材料用量的3‰, F₂-1和F₆-1分别为试验F₂和F₆掺入抗离析剂的试验。

从图4的试验结果中可以看出, 用水量波动时, 试验F₂和F₆的V形漏斗排空时间延长, 当每m³混凝土水量增加20kg时, 试验F₂和F₆的V形漏斗排空时间分别延长了24.3, 26.7s, 变化率分别为169.9%和171.1%;从F₂-1和F₆-1的试验数据中可以看出, 当用水量没有波动时, 使用抗离析剂并没有明显增加V形漏斗的排空时间;当用水量在0~15kg/m³区间波动时, V形漏斗的排空时间变化不明显, 当每立方混凝土用水量增加15kg时, V形漏斗的排空时间仅增加了3.6, 4.0s, 变化率为23.0%和25.3%;当用水量增加了20kg时, V形漏斗的排空时间增加了12.3, 13.8s, 变化率为87.3%, 82.0%。综上所述, 抗离析剂在用水量波动15kg/m³以内时, 可以有效提升自密实混凝土的工作稳定性。抗离析剂与传统的增稠剂作用机理不同, 传统增稠剂容易吸附在水泥颗粒表面形成桥接, 同时影响水泥颗粒吸附减水组分, 在增加了体系黏度的同时也降低了减水组的分散作用;而抗离析剂属于非吸附型增稠组分, 只对混凝土中的游离水分起作用, 通过增长自身的分子链增加体系黏度, 因此在一定范围内对减水组分影响很小。引入抗离析剂增加了体系的黏度, 同时对体系的屈服剪切应力影响较小^[5,6]。

超细粉煤灰、硅灰、纳米二氧化硅和超细矿粉的掺量分别为30%, 5%, 0.1%, 5%时, 自密实混凝土的工作性能最佳, 120min内工作稳定性最佳;对自密实混凝土的坍落度扩展度和U形高度差影响程度最大的为超细粉煤灰的掺量;对自密实混凝土V形漏斗排空时间影响程度最大的为纳米二氧化硅的掺量;试验F₃在120min内的工作稳定性较差, 试验F₂和F₆工做稳定性能较好;当自密实混凝土的用水量在0~15kg/m³波动时, 多元复合掺和料和抗离析剂可以维持自密实混凝土工作性能稳定。