不同內摻材料自密實混凝土的研究現狀

肖良麗，劉鴻明，駱　恒

(武漢科技大學城市建設學院，武漢 430065)

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不同內摻材料自密實混凝土的研究現狀

肖良麗，劉鴻明，駱恒

(武漢科技大學城市建設學院，武漢 430065)

摘要：自密實混凝土內摻材料不同不僅影響新拌混凝土的工作性，而且影響硬化混凝土的力學性和耐久性。簡要介紹了自密實混凝土的定義及特點，討論了近年來自密實混凝土內摻材料的發展概況。較詳細綜述了不同內摻材料自密實混凝土性能研究的最新成果。在此基礎上，對內摻材料在自密實混凝土中的研究前景進行了展望。 美國地質調查局2015年1月礦產數據顯示，2014年全球生產水泥41.8億t，較2013年增長1億t，較2012年增長4.8億t，我國2014年生產的水泥量超過全球總量的一半，達到25億t，較2013年增長0.8億t，較2012年增長3.5億t。Michael H等[1]在研究中發現水泥在生產和運輸過程中排放的CO2大約是人工排放CO2總量的10%，逐年增加的水泥產量及其巨大的CO2排放量給嚴峻的環境添上了更加沉重的負擔。水泥還是一種高能耗材料，Mehta P K[2]研究表明生產一噸水泥需要消耗4～5 GJ的能量，不利于資源的循環利用和可持續發展。自密實混凝土屬于高性能混凝土的一種，與傳統振搗型混凝土相比，自密實混凝土需要更大體積的膠凝材料，若單一使用水泥，不僅增加了混凝土的造價，而且增加了環境的負擔。研究環境友好型水泥基材料是現在的一項熱點問題，水泥取代材料在現代建筑工業中考慮經濟、技術和生態方面扮演了重要角色。為了降低生產水泥的能耗和其對環境的影響，開始研究粉煤灰、礦粉等部分取代水泥的內摻材料并將其應用于自密實混凝土中。

關鍵詞：自密實混凝土;內摻材料;最新成果;研究前景

1自密實混凝土的定義及特點

自密實混凝土是具有高流動性、自密實性和穩定性，澆筑時無需人工或機械振搗，能夠在自重作用下流動并填滿模板各個角落的混凝土[3]。自密實混凝土拌合物除應滿足普通混凝土拌合物對凝結時間、保水性和黏聚性等的要求外，還要滿足自密實性能的要求[3]：高流動性﹐即混凝土具有在模板內克服阻力有流動的能力，能夠流動并填滿模板內每個角落；間隙通過性，即混凝土在自重下流過狹窄間隙的能力；穩定性好，自密實混凝土在流動過程中必須保證不離析，減少泌水；抗離析能力，即在滿足以上三點的同時，混凝土在運輸和澆筑過程中各組分要保持均勻。自密實混凝土技術最早由日本在20世紀80年代提出，隨后很快傳入其他國家并獲得迅速發展。我國主要是在90年代初期開始引進研究和應用自密實混凝土的，經過多年的研究與工程應用實踐，已經在自密實混凝土的配合比設計、評估方法及工程應用方面取得了較好的成果[4-7]。由于自密實混凝土不僅有良好的工作性、施工性、較完美的力學性和耐久性，在講究環保和可持續發展的今天，自密實混凝土必將成為混凝土界的寵兒。

2自密實混凝土內摻材料的發展概況

20世紀五六十年代，生產水泥的技術相對落后，人們在配置混凝土的過程中會加入一定量的水泥基材料代替水泥來增加混凝土的量；七十年代出現了高效緩凝劑，八十年代開始發展高性能混凝土，人們把內摻材料作為一種改善高性能混凝土性能的摻合料；九十年代，人們對內摻材料更加重視，認識到內摻材料不再是一種混凝土“輔料”，而是混凝土的必要組分，開始在自密實混凝土中對一些工業廢渣進行環保利用，直到今天，混凝土內摻材料的發展一直未停歇[8]。目前常用的自密實混凝土內摻材料主要有粉煤灰、礦渣粉、硅灰、稻殼灰、石灰石粉等工業廢料，有效利用工業廢棄物，既解決了其對環境的二次污染，又降低了混凝土的成本。近兩年，天然火山灰質材料開始被研究并應用于自密實混凝土中，較常見的有浮石粉、沸石粉等。在國外一些發達國家，納米材料開始被研究并應用于自密實混凝土中，比如納米SiO2和納米TiO2。我國已經在礦物內摻材料和天然火山灰質材料用于混凝土方面制定了相關標準，如《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596—2005、《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》GB/T 18046—2008、《水泥砂漿和混凝土用天然火山灰質材料》JG/T 315—2011等。

3內摻材料在自密實混凝土中的最新研究成果

我國對常用內摻材料自密實混凝土的研究還處于上升階段，研究的過程中不斷發現新的問題，亟需研究人員解決，而對于新型內摻材料自密實混凝土的研究我國剛剛起步，新型內摻料料自密實混凝土已經成為國外現在研究的熱點之一。下面總結了近年來國內外不同內摻材料自密實混凝土研究的最新成果:

曹鵬飛等[9]研究了摻石灰石粉對自密實混凝土的工作性、力學性和抗氯離子滲透性的影響。試驗結果表明：石灰石粉提高了自密實混凝土的工作性能和早期抗壓強度，比起粉煤灰或礦渣，石灰石粉更有效地降低了混凝土的自收縮性，石灰石粉單摻或與粉煤灰復摻能取得不錯的經濟效益和社會效益。

魯文斌[10]研究了復摻粉煤灰和硅灰在自密實混凝土中的應用，研究了粉煤灰的最佳摻量，以及幾種礦物質摻合料復摻的復合效應。試驗結果表明：粉煤灰和硅灰應用到自密實混凝土中，可以增大新拌混凝土的流動性，改善泌水離析，增加硬化后混凝土的強度，提高其耐久性能，在其試驗條件下，粉煤灰的最佳摻量為30%，兩種內摻材料復合使用比單獨使用效果更好。

萬惠文等[11]利用稻殼灰配制自密實混凝土進行性能研究，結果表明：摻入稻殼灰的自密實混凝土硬化后體積穩定性好，稻殼灰對混凝土的后期強度提升效果顯著，還利用稻殼灰試配出了較優配合比的C40自密實混凝土。

楊利雄[12]對水膠比為0.37，礦粉取代水泥百分率分別為10%，15%，20%，25% 和30% 的自密實混凝土進行了試驗研究。研究結果表明：在自密實混凝土中加入礦粉取代部分水泥，對提高混凝土的工作性作用明顯，礦粉取代率15%時得到的混凝土抗壓強度最高，礦粉取代率大于20%時混凝土早期強度降低明顯，自收縮也有所增加。Sethy K.P.等[13]通過試驗研究摻入大比例(30%～90%)取代水泥的工業礦渣粉對自密實混凝土的流變性能、自密實性和強度的影響。結果表明：隨著工業礦渣粉水泥取代率的增加，新拌自密實混凝土的塑性粘度降低，所有新拌自密實混凝土的屈服應力幾乎為零，表明摻入大比例取代水泥的工業礦渣粉對新拌自密實混凝土的工作性能有很大改善。在力學性能方面，抗壓強度隨工業礦渣粉的增加而降低，摻入30%取代水泥的工業礦渣粉能夠得到超過100 MPa的高強自密實混凝土。

付亞偉等[14]研究了取代水泥百分率為10%的硅灰對自密實混凝土性能的影響。結果表明：適當摻量(10%左右)的硅灰能有效改善自密實混凝土的工作性、強度、耐久性、穩定性和觸變性等。張守祺等[15]對比研究了分別摻入多孔硅粉和硅灰對新拌自密實混凝土各項性能的影響。結果表明：摻量小于15%時，多孔硅粉大幅增強自密實混凝土的流動性，摻量為2%～10%的多孔硅粉提高C60自密實混凝土各齡期抗壓強度，尤其大幅提高早期強度，對比分析發現多孔硅粉對新拌自密實混凝土性能的改善作用略優于硅灰。侯茜茜等[16]研究了硅灰摻量對自密實混凝土性能的影響，發現隨著硅灰摻量(5%～10%)增大，自密實混凝土的工作性和抗壓強度都有大幅提高，而碳化速度隨著硅灰摻量增大而減慢。

Jalal M等[17]研究了納米二氧化硅、硅灰、低鈣粉煤灰對高性能自密實混凝土不同性能的影響。研究表明：單摻粉煤灰時，隨著粉煤灰的摻量增加，高性能自密實混凝土的流變性能越好。三種摻合料對混凝土的力學性能和輸運性能都有不同程度的改善，尤其是在復摻硅灰與納米二氧化硅的情形下，還發現較大比例的硅灰、粉煤灰等礦物摻合料與小部分納米粉末復摻能得到高強自密實混凝土。Rao S等[18]將少量納米二氧化硅(0.75%～3%)和二氧化鈦(0.5%～1%)摻入到已有30%粉煤灰取代水泥的自密實混凝土中進行研究。研究表明：摻入納米材料對新拌自密實混凝土的工作性能影響不大，但都不同程度降低了硬化后混凝土的抗壓強度和劈拉強度，建議納米材料在修復自密實混凝土上有很大的潛能，但需要優化使用。

Granata M F[19]研究了浮石粉作為內摻材料對自密實混凝土的流變性能和力學性能的影響。研究表明：摻有浮石粉的自密實混凝土表現出了良好的流動性、填充能力和離析能力，但隨著時間的增長摻浮石粉的自密實混凝土比摻硅灰、粉煤灰的自密實混凝土在工作性能上表現出更明顯的退化。在力學性能方面，摻有浮石粉的自密實混凝土將會獲得更高的28 d抗壓強度，隨著時間增長，后期強度更大。

Nuruddin M F等[20]研究了單摻20%水泥取代率的粉煤灰、硅灰、稻殼灰以及兩兩復摻10%水泥取代率的粉煤灰、硅灰、稻殼灰對延性自密實混凝土工作性和抗壓強度的影響。結果表明：加入這些摻合料的自密實混凝土都能滿足自密實性的要求，復摻10%粉煤灰和10%稻殼灰的延性自密實混凝土達到了最高強度，且沒有影響其自密實性。

Le H T等[21]研究了超塑化劑和稻殼灰對自密實高性能混凝土的自密實性和抗壓強度的影響。研究結果表明：超塑化劑的量高于飽和超塑化劑的量沒有影響自密實混凝土的流動性和塑性粘度，但引起自密實混凝土的滲出。與粉煤灰或硅灰相比，加入稻殼灰增加了灰漿飽和超塑化劑用量，稍微降低了自密實混凝土的填充和流動能力，很大程度上增加了塑性粘度和抗離析能力，同時也消除了灰漿的滲出。與粉煤灰相似，稻殼灰對自密實混凝土的抗壓強度有較大提高，尤其是用大比例稻殼灰取代水泥和較長齡期的情況下。復摻稻殼灰與粉煤灰較大程度改善了自密實高性能混凝土的自密實性和抗壓強度。

4總結與展望

在自密實混凝土中采用工業廢料或天然火山灰質材料作為內摻材料，既可以解決其對環境的二次污染、降低混凝土的造價，同時還提高自密實混凝土的各項性能，符合我國可持續發展的戰略，利用恰當會產生很好的經濟效益和社會效益。但是傳統摻合料，如粉煤灰，硅灰等，由于需求量越來越大，其產量已不能滿足工程需要。天然火山灰質材料的研究尚未成熟，開發新型摻合料已是一個迫在眉睫的問題。

從國內外近年來對不同內摻材料自密實混凝土的研究現狀可以看出，研究人員主要集中于研究內摻材料對自密實混凝土工作性能和力學性能的影響，而對內摻材料自密實混凝土的抗碳化、微裂縫、抗腐蝕性和自收縮性的研究較少，對內摻材料的復合效應研究也不夠深入，這些都是內摻材料在自密實混凝土發展中需要解決的問題。這些問題一旦解決，自密實混凝土將有更加廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]Michael H,Yoshitaka K. An Assessment Framework Based on Social Perspectives and Analytic Hierarchy Process:A Case Study on Sustainability in the Japanese Concrete Industry[J]. J Eng Technol Manage 2011,28:300-316.

[2]Mehta P K. Reducing the Environmental Impact of Concrete[J]. Concr Int,2001,23(10):61-66.

[3]JGJ/T 283—2012,自密實混凝土應用技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社,2012.

[4]趙筠.自密實混凝土的研究和應用[J].混凝土,2003(6):9-17.

[5]陳春珍,張金喜,陳煒林,等.自密實混凝土配合比設計方法適用性的研究[J].混凝土,2009(12):83-86.

[6]程升.C60自密實混凝土配比設計[J].福建建材,2015(8):59-61.

[7]楊森.自密實混凝土的特點及性能研究綜述[J].城市建設理論研究(電子版),2015(3).

[8]梁炎華,李絯.關于混凝土生產中摻合料的應用分析[J].江西建材,2014(9):9.

[9]曹鵬飛,秦鴻根,龐超明.摻石灰石粉自密實混凝土性能的研究[J].施工技術,2005(34):35-37.

[10]魯文斌.復摻粉煤灰和硅灰在自密實混凝土中的應用[J].混凝土,2009(8):82-84.

[11]萬惠文,劉離,陳偉.利用稻殼灰配制自密實混凝土性能的研究[J].武漢理工大學學報,2011(7):32-34.

[12]楊利雄.礦粉對自密實混凝土性能的影響[J].低溫建筑技術,2014(8):20-22.

[13]Sethy K P,Pasla D,Chandra Sahoo U. Utilization of High Volume o f Industrial Slag in Self Compacting[J]. Journal of Cleaner Production,2015.

[14]付亞偉,王碩太,崔云長.硅灰對自密實混凝土性能的影響[J].四川建筑科學研究,2009(1):191-193.

[15]張守祺,王棟民,路來軍,等.多孔硅粉對新拌自密實混凝土性能的影響[J].混凝土與水泥制品,2009(6):1-4.

[16]侯茜茜,陳華.硅灰摻量對高強自密實混凝土性能的影響研究[J].商品混凝土,2013(11):50-51.

[17]Jalal M,Pouladkhan A,Harandi O F,et al. Comparative Study on Effects of Class Fly Ash,Nano Silica and Silica Fume on Properties of High Performance Self Compacting Concrete[J]. Construction and Building Materials,2015,94:90-104.

[18]Rao S,Silva P,de Brito J. Experimental Study of the Mechanical Properties and Durability of Self-compacting Mortars with Nano Materials (SiO2and TiO2)[J]. Construction and Building Materials,2015,96:508-517.

[19]Granata M F. Pumice Powder as Filler of Self-compacting Concrete[J]. Construction and Building Materials,2015,96:581-590.

[20]Nuruddin M F,Chang K Y,Azmee N M.Workability and Compressive Strength of Ductile Self Compacting Concrete(DSCC) with Various Cement Replacement Materials[J]. Construction and Building Materials,2014,55:153-157.

[21]Le H T,Ludwig H M. Effect of Rice Husk Ash and Other Mineral Admixtures on Properties of Self-compacting High Performance Concrete[J]. Materials and Design,2016,89:156-166.

Current Status of the Research on Self-compacting

Concrete with Different Admixtures

XIAOLiang-li,LIUHong-ming,LUOHeng

(School of Urban Construction,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430065,China)

Abstract:The different admixtures of self-compacting concrete influence not only the workability of fresh concrete but also the mechanical properties and durability of hardened concrete. The definition and characteristic of self-compacting concrete are briefly introduced. The development surveys of self-compacting concrete admixtures in recent years are discussed. The latest results of the property research on self-compacting concrete are summarized. On the basis,the research prospects of admixtures in self-compacting concrete are outlined.

Key words:

作者簡介：肖良麗(1973-)，博士,副教授E-mail:xiaoliangli@wust.edu.cn

收稿日期：2015-10-09.

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.06.007