自密实混凝土设计、影响因素及施工

来源：混凝土、华中检测咨询

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新拌自密实混凝土也属于宾汉姆流体，它的流动是自重力大于τ0而产生剪切变形的结果，流动程度则取决于η值的大小。也就是要求其流变性质接近于牛顿流体，要有很小的屈服剪应力τ0及较大的塑性黏度η，得到较高的流动性同时又不离析的拌和物。采用高效减水剂增塑和超细粉矿物质掺和料以及改善胶凝材料级配都可以降低τ0和η值，使混凝土拌合物达到自流平所需要的流动性。流变性可由屈服剪应力τ0 和塑性黏度η两个参数来确定，τ0 既是混凝土开始流动的前提，又是混凝土不离析的重要条件。

自密实混凝土的主要性能评价指标为扩展度、28d抗压强度和倒坍时间。这是一个多指标正交试验，我们通过极差分析来判断主次影响因素，以及采用多指标功效系数法分析试验数据，确定理论最优设计方案。

自密实混凝土配合比设计中要知道影响自密实混凝土性能的指标哪个最重要，哪个要最优先解决，分清主次，由主到此地试配出最佳方案。影响指标的主次顺序：水胶比＞外加剂种类＞水泥强度等级＞掺合料组合。

一、原材料

1.水泥

在使用大量掺合料的情况下，普通硅酸盐水泥更适合配制自密实混凝土

2.外加剂

高效减水剂 是配制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，所以需要选择减水率较高、保水性较好的优质高效减水剂 ，同时所用的减水剂要与水泥和掺合料有良好的适应性。聚羧酸高效减水剂与各种水泥的适应性较好，掺量很少就可以达到更高的减水率，坍落度损失小，混凝土粘聚性好，更适合配制低水灰比的高强混凝土。而减少水泥用量，可以降低混凝土产生的水化热同时节约成本；无论是从实用性和经济性两方面考虑，使用聚羧酸类高性能减水剂是最佳方案。

膨胀剂 是自密实混凝土中相对必要的，其膨胀原理是：加水拌合后生成大量的膨胀性结晶水化物钙矾石，在钢筋的约束下可产生0.2~0.7MPa预压力，这一压力大致可以抵消混凝土干缩产生的拉应力，防止或减少混凝土收缩开裂，并使混凝土密实化。

3.砂  

自密实混凝土宜采用中砂 ；细砂比表面积大，将增大拌合物的用水量，对拌合物的工作性会产生不利的影响；而选用粗砂则会降低拌合物的粘聚性。现在砂的市场供应不是很充足，在无奈的情况下只能选用中细砂，这无疑加大了难度。

4.碎石  

高强度自密实混凝土对粗骨料有较严格的要求。原则上，用于普通混凝土的各种最大粒径的粗骨料都可以配制自密实混凝土。 由于自密实混凝土往往用于薄壁构件、密集配筋构件等场合，所以粗骨料粒径不易过大，否则将会影响拌合物的钢筋通过性。 粗骨料中含泥量、泥块含量过大将使混凝土需水量增大，针片状的含量高则会降低混凝土的抗压强度；因此，高强度自密实混凝土必须严格控制石子的含泥量、泥块含量和针片状含量。

5.掺合料  

配制高强度的自密实混凝土掺入大量的活性矿物掺合料是非常必要的。 自密实混凝土浆体含量较大，如果胶凝材料单用水泥则会引起混凝土早期水化放热较大、硬化混凝土收缩较大，不利于混凝土的耐久性和体积稳定性，在胶凝材料中掺入优质的活性矿物掺合料则可以克服这些缺陷。 而且，在自密实混凝土中掺入优质的活性矿物掺合料还可以提高拌合物的流动性，降低泌水性，提高粘聚性，提高硬化混凝土的后期强度等优点。

二、设计要点

在原材料不稳定，含气量不确定的条件下，自密实混凝土宜采用绝对体积法的固定砂石含量法；配制强度与普通混凝土计算方法一样，采用如下公式：

f _cu，0  ≥ f _cu，k  ＋ 1.645σ

混凝土强度标准差宜根据同类混凝土统计资料计算确定，计算时强度试件不应少于25组。当无统计资料时，σ值可按表6取用。

表6

粗骨料含量会直接影响到混凝土抗压强度。粗骨料的单位体积用量应符合混凝土自密实性能等级的要求，见表7：

表7

新拌混凝土配合比的确定必须要从以下几个因素来考虑。

第一、新拌混凝土工作性必须要满足自密实混凝土的技术性能指标；

第二、混凝土标准养护28天抗压强度必须要满足设计要求；

第三、混凝土水化过程中产生的水化热不能破坏混凝土的结构安全，钢管柱直径小于1m，不属于大体积混凝土，所以水化热对混凝土结构的影响可不作为主要因素考虑；

第四、混凝土配合比的确定不能一味的追求混凝土的工作性而忽略了经济效益，在满足混凝土各项技术指标的同时，要尽可能的追求成本的最小化。

外加剂掺量的增大，扩展度也在增大。当外加剂掺量增大到一定数量后，扩展度增加量减小，甚至趋向于稳定。在实际试拌过程中还发现，外加剂掺量增大后，虽然流动性增大，但拌合物粘度降低，局部产生了石子堆积的现象，拌合物离析。所以外加剂的掺量一定要控制在一定的范围内。

三、自密实混凝土工作性能影响因素

1.高效减水剂对自密实混凝土工作性能的影响

高效减水剂解决了高性能混凝土低水胶比和低用水量与工作性之间的矛盾，因而已成为高性能混凝土不可缺少的组分。同时，它也是配制自密实混凝土的关键材料。自密实高性能混凝土所具备的高流动性、抗离析性、间隙通过性和填充性这四个方面都需要以外加剂为主要手段来实现，同时还要满足良好的泵送性能， 因此对外加剂的主要要求为：首先是与水泥的相容性好；其次是减水率大；再次减水剂对混凝土的缓凝和保塑效果要好。

2.砂率对自密实混凝土工作性能的影响

砂率对自密实混凝土拌合物的流动性有较大影响。砂率决定了粗细骨料的比例，也是决定砂浆含量的主要因素，因此，砂率是影响混凝土拌合物匀质性和填充性的重要因素。

3.矿物掺和料对自密实混凝土工作性能的影响

对于自密实混凝土来说，矿物掺和料是有效增加浆体含量改善其流变性能和稳定性并降低水化热的重要途径。目前被用于自密实混凝土中的矿物掺和料有粉煤灰、硅粉、磨细矿渣、磨细石灰石粉等。

4.水胶比对自密实混凝土工作性能的影响

胶凝材料用量一定的条件下，水胶比的大小决定了用水量的大小和浆体含量的大小，而浆体含量又是决定自密实混凝土流动性的主要因素。因此，水胶比是影响自密实混凝土工作性能和耐久性的重要因素。 一般来说，水胶比越低，配制的混凝土强度越高，混凝土的密实度和耐久性也就越好。

5.胶凝材料用量对自密实混凝土工作性的影响

自密实混凝土不同于一般高性能混凝土的一个明显特征就是胶凝材料用量较高，但是也有一个严格的范围。根据国内外一些成功配制自密实混凝土的经验，胶凝材料总量一般为500~600kg/m ³ 。 胶凝材料用量少，则混凝土的流动性降低，黏聚性下降，石子在浆体中不能自由悬浮而造成离析分层；胶凝材料用量过多，则黏聚性过大，在模板死角处石子容易堆积，造成整个混凝土结构的不均匀性。此外，胶凝材料用量越多，既不经济，也增加了因收缩引起开裂的趋势。

高强度自密实混凝土不能采用普通混凝土的设计方法，当混凝土的等级大于等于C60级时，水灰比与混凝土的线性关系较差，分散性较大，鲍罗米公式不再适用。宜采用的是绝对体积法中的固定砂石体积含量法，该方法在保证强度的基础上，体现了按工作性要求设计自密实混凝土的原则，即认为粗骨料的体积含量和砂在砂浆中体积含量是影响拌合物工作性的重要因素，但是这两个参数的取值却过于笼统和经验化。

自密实混凝土中粗骨料含量不易过大，最大粒径不宜大于20mm，粗骨料含量过大会降低混凝土的流动性，粒径过大会造成石子在局部堆积且影响混凝土的钢筋间隙通过性。粗骨料应尽量采用连续级配，级配良好的石子可以获得较低的空隙率，有利于提高混凝土拌合物的粘聚性，防止离析。

高性能减水剂是配制自密实混凝土的重要因素之一，减水率一般应大于25%。

用水量不宜过大，在自密实混凝土中不能一味的追求流动性而增大用水量。过大的用水量会降低混凝土的粘聚性，导致拌合物泌水、离析；过多的用水量还会增大混凝土硬化后的自收缩，导致混凝土构件开裂。

自密实混凝土应保证较大的浆体含量，以获得良好的粘性和流动性，有利于浆体充分包裹和分割粗、细集料颗粒，使骨料悬浮于浆体中，而形成优越的自密实性。从“胶凝材料用量与漏斗通过时间关系表”中发现，C60自密实混凝土的胶凝材料用量宜控制在500~600Kg/m3。

混凝土供应商应考虑混凝土输运时间，以保证运到施工现场后保持良好的流动性。如果流动性降低混凝土供应商可以通过外加剂进行调整。外加剂的掺量应控制在3.5%以下（外加剂品种不同时应由试验确定）。

（1）钢结构柱制作期间，在其钢管柱顶部钢板中间设置排气孔，直径200毫米；以保证钢管柱顶部混凝土充满密实。

（2）钢管柱安装完成之后，在高出自然地坪1.5米左右的位置开设混凝土浇灌口，焊接连接管，连接管与钢管柱之间夹角45°，伸入钢管柱内20～30mm，焊接牢固可靠。

（3）钢管柱底部上移50毫米处，安置排渣口，排出水及润管砂浆。此处焊接内径125毫米管，并设闸阀。混凝土终凝后，割除修补。

（4）施工场地宜平整，以便于车载输送泵与输送管连接，以及输送管与连接管连接。

（5）连接管约长0.6～1.0m，其钢管壁厚必须不小于混凝土输送管壁厚，连接管端头与混凝土输送管端头之间用专用高压卡具连接。

（6）混凝土浇灌口连接钢管与钢管柱之间的连接焊缝高度不小于壁厚。为防止施工时浇灌口处振动剧烈，将浇灌口与钢管柱之间的焊缝撕裂，在浇灌口西方钢管柱与连接管之间焊水平支撑或钢板加肋板，加强其高度。

（7）在混凝土浇灌口连接钢管上，距钢管柱大于200mm的位置，装设一两头带管卡口的插板闸阀。两头上好胶圈，用管卡卡紧。下方用一根软管与泵管连接卡好，便于现场施工。

（8）打开插板阀，使管内畅通，每一根钢管柱芯混凝土浇灌连续泵送完成，其间不宜停顿，如果必须中断，时间尽量缩短，最多不能超过20分钟，否则，由于混凝土在输送管及钢管柱内停留时间过长，有可能导致管内混凝土泵不上去，造成工程质量事故。

（9）混凝土顶升浇灌至钢管柱顶部从排气孔溢出后，输送泵停止工作，待泵沉实一段时间后（约5分钟），再泵送顶升一次，排气孔溢出混凝土，顶升浇灌混凝土结束。

（10）在钢管混凝土泵顶升浇灌完成后，拆除混凝土输送管之前，关闭插板阀，使管内封闭，阻止钢管柱内混凝土回流。

（11）拆除软管及其他输送管，混凝土输送泵移至下一个钢管柱前就位，待4～5小时，混凝土凝结不流动后拆除插板阀，连接管在钢管柱以外部位约200～300mm部位割断，剩余部分连接管可以再次用于其他钢管柱使用。

（12）在管内混凝土达到设计强度70%以后，割去浇灌口处剩余部分连接钢管，凿除多余混凝土，然后再将混凝土表面用同标号水泥砂浆抹平，钢管柱浇灌口部位，用原有从该部位钢管上割下来的钢管壁，开坡口后补焊恢复，用手持砂轮磨平突出的焊缝。