粉煤灰改善自密實混凝土流動性和抗離析性研究

林明新 任鳳鳴 彭健鋒 陳沛棋 王 慶 熊子豪

（1 大建建筑集團有限公司；2 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院）

0 引言

自密實混凝土（Self-Compacting Concrete，簡稱SCC）是一種具有高流態(tài)新拌性能的新型建筑材料，其特點是在沒有振搗的情況下可以包裹密集鋼筋，并在模板中填充成型[1]。自1986 年以來，自密實混凝土憑借其優(yōu)異的抗變形性能和抗離析性能而被廣泛應(yīng)用于不同建筑工程中[2]。自密實混凝土還可以消除振搗過程產(chǎn)生的噪音，摻加粉煤灰等工業(yè)廢料后能達到環(huán)境友好效果[3]。粉煤灰作為自密實混凝土不可或缺的組分之一[4]，由于火山灰作用，能促進二次水化作用，從而改善水泥基材料的長期耐久性能[5]。粉煤灰還可以在混凝土中起到填充作用以降低混凝土中的孔隙率[6]，提高混凝土抗?jié)B透能力，降低新拌混凝土發(fā)生泌水和離析現(xiàn)象的風(fēng)險。為探究粉煤灰摻量對自密實混凝土工作性能的影響作用，本研究通過采用10%到40%粉煤灰等體積替代水泥，系統(tǒng)地測試粉煤灰摻量對自密實混凝土各項工作性能的影響。

1 原材料及配合比

水泥為42.5R 型普通硅酸鹽水泥，表觀密度為3.10g/㎝3，比表面積為1295.9m2/㎏。粉煤灰為I 級粉煤灰，表觀密度2.42g/㎝3，比表面積為1534.0m2/㎏，主要晶相為石英（SiO2）和莫來石（Al6Si2O13）。水泥與粉煤灰的氧化物分析結(jié)果見表1，粒徑分布曲線見圖1。粗骨料為破碎花崗巖，最大粒徑為26.5mm，表觀密度為2.73g/cm3。砂為天然河砂，表觀密度為2.61g/cm3，細度模數(shù)2.2。外加劑采用減水率為28%的聚羧酸系高效減水劑。

圖1 水泥與粉煤灰的粒徑分布曲線

表1 原材料氧化物分析（質(zhì)量百分數(shù)）

為研究不同粉煤灰摻量對SCC 工作性能的影響，將試驗分為五組，粉煤灰體積替代率分別為0，10%，20%，30%和40%，參照JGJ/T 283[7]進行自密實混凝土配合比設(shè)計，具體見表2。根據(jù)規(guī)范EN 12350[8]，開展了坍落度/擴展度試驗、篩析法試驗及V 型漏斗試驗，來評價自密實混凝土的流動性和抗離析性。

表2 試驗所用配合比 （㎏/m3）

2 試驗方法

2.1 坍落度/ 擴展度試驗

試驗開始前將底板放置在一個平坦的水平表面上，避免外部振動或沖擊。使用水平儀檢查底板表面的水平性，清洗并潤濕擴展度板和坍落度桶，但不要沾染過多的水分。將坍落度桶放置于擴展度板中央位置并保持位置，按住坍落度桶，在30 秒內(nèi)填滿坍落度桶，不進行任何人工振搗或機械壓實，并清除坍落度桶頂部多余部分混凝土。在此期間，清除底板上溢出的混凝土，確保底板全部潮濕，但沒有多余的水。在不影響混凝土流動性的情況下，1 至3 秒內(nèi)一次性垂直提起坍落度桶，待混凝土流動穩(wěn)定后，測量d1、d2和H。（d1——混凝土流動的最大直徑，精確到10mm；d2——混凝土流動的最大直徑處的右側(cè)90°位置處混凝土的流動直徑，精確到10mm；H——混凝土表面最高點到坍落度桶頂面的高度。）

圖2 擴展度試驗

圖3 坍落度試驗

2.2 篩析法試驗

將（10±0.5）L 混凝土放入樣品容器并覆蓋以防止蒸發(fā)，放在一個水平的位置，在沒有干擾的情況下靜置（15±0.5）分鐘。確保天平平穩(wěn)后，把篩子底盤放在天平上，記錄其質(zhì)量，以克為單位。然后把干篩子放在底盤上，再次記錄質(zhì)量或清零。在靜置時間結(jié)束后，從樣品容器中取下蓋子，觀察混凝土表面是否出現(xiàn)泌水。當篩子和底盤仍然處于平衡狀態(tài)時，穩(wěn)定而小心地將（4.8±0.2）㎏混凝土(包括任何排出水)以樣品容器的頂部高于篩子（500±50）mm 的高度傾倒在篩子的中心，靜置兩分鐘后記錄底盤上混凝土的實際質(zhì)量，試驗示意圖如圖4 所示。

圖4 篩析法試驗示意圖

2.3 V 型漏斗試驗

試驗開始前應(yīng)清潔V 型漏斗和底部閘板，然后將所有內(nèi)表面包括閘板全部濕潤。在漏斗下方放置承接器皿，關(guān)閉閘門，一次性將混凝土拌合物倒入漏斗內(nèi)，不要進行任何人工振搗或機械壓實，然后刮去漏斗頂部多余混凝土，使混凝土與漏斗頂部平齊。填滿后靜置（10±2）秒，迅速打開閥門并測量時間tv（tv——從閥門打開到能從頂部垂直看到漏斗下方承接器皿的時間，精確到0.1s）。從漏斗流出的混凝土應(yīng)該是連續(xù)的，如果發(fā)生堵塞，應(yīng)重復(fù)試驗。

圖5 V 型漏斗試驗裝置示意圖

3 結(jié)果分析與討論

3.1 流動性

圖6 展示了不同組別自密實混凝土的擴展度，隨著粉煤灰摻量的增大，混凝土拌合物的擴展度呈增大的趨勢。這是因為在保證混凝土拌合物不發(fā)生離析和泌水的前提下，混凝土拌合物的坍落度越大，拌合物的流動性就越好，擴展度越大[9]。當粉煤灰摻量為10%時，混凝土的擴展度有輕微的減少，當粉煤灰摻量分別在20%以上時，擴展度增加，但最高穩(wěn)定在740mm 左右。其中，在粉煤灰摻量為20%時，混凝土的流動性最好。綜上所述，摻入粉煤灰可以改善自密實混凝土的流動性。這主要是因為粉煤灰為圓球狀顆粒，在新拌混凝土拌合物中起滾珠效應(yīng)，改善流動性，最終使得擴展度增加[10,11]。

圖6 擴展度試驗結(jié)果

3.2 抗離析性

從圖7 可以看出，不管坍落度變大還是變小，摻有粉煤灰混凝土拌合物的浮漿百分比都要比對照組CM大。其次，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土拌合物的浮漿百分比先增加后減少，且都高于對照組CM。從圖8 可知，摻有粉煤灰混凝土的V 型漏斗試驗所用時間也都低于對照組CM，說明摻有粉煤灰混凝土拌合物的黏度略低于對照組CM，這與前面抗離析性能試驗結(jié)果是相吻合的。這是因為水泥的密度要大于粉煤灰，當使用粉煤灰等體積替代水泥來配制混凝土?xí)r，會導(dǎo)致混凝土的漿體體積和漿體塑性有所提高，同時會降低混凝土的漿體黏度[12]。

圖7 篩析法試驗結(jié)果

圖8 V 型漏斗通過時間試驗結(jié)果

4 結(jié)論

本研究采用粉煤灰等體積替代自密實混凝土中的水泥，開展了一系列自密實混凝土工作性能的試驗，結(jié)論如下：

⑴總體來說，粉煤灰作為輔助膠凝材料摻入水泥中，有利于提高自密實混凝土的流動性。在粉煤灰摻量為20%時，自密實混凝土的流動性最好。當粉煤灰摻量逐漸增加時，自密實混凝土流動性基本保持不變。

⑵粉煤灰密度要小于水泥密度，等體積替代水泥后，會增加自密實混凝土的漿體量，提高自密實混凝土的粘聚性，使自密實混凝土具有更好的密實性和均質(zhì)性。