高强自密实混凝土表面增强剂配制技术？

(1.中国建筑科学研究院，北京100013;2.北京国金新能科技有限公司，北京100102;3.新疆生产建设兵团建设工程质量检测中心，哈密839000)
摘要:通过内掺降粘增强剂解决了C80细石高强自密实混凝土抗压强度低，自密实性能差的问题，配制出了28d立方体抗压强度满足设计要求，坍落扩展度大于700mm，T500<15s，倒置坍落度筒排空时间<15s的高强自密实细石混凝土，并探究了降粘增强剂及碎石最大粒径对C80细石高强自密实混凝土自密实性能和抗压强度的影响规律。
关键词:降粘增强剂;细石混凝土;自密实性能;抗压强度;配制技术研究
0 引言
自密实混凝土是指具有高流动度、不离析、均匀稳定、拌合物通过自重，不需要振捣即可密实的混凝土[1-2]。自密实混凝土是近几十年出现的一种新型建筑材料，最早出现于欧美、日本等国，因其优异的施工性能和耐久性，以及其独有的节能、环保、降噪的工艺特点迅速风靡世界各大工程领域[3]。
本项目相关混凝土构件为同轴空心薄壁圆柱体结构，内壁与外壁之间充填C80自密实混凝土，受构件壁厚及钢筋间距的限制，混凝土骨料粒径不宜过大。设计文件要求，骨料最大粒径不应超过9.5mm，混凝土28d抗压强度需满足C80等级混凝土抗压强度要求，混凝土坍落扩展度≥700mm、倒置坍落度筒排空时间<15s，T500<15s。
目前高强自密实混凝土用最大骨料粒径范围主要为16~26.5mm，最大粒径为9.5mm的细石混凝土多用于C45以下自密实混凝土，采用最大粒径为9.5mm的细石配制C80高强自密实混凝土尚属国内首次，其技术难度巨大。如何采用细石配制出自密实性能满足要求，同时抗压强度满足要求的高强自密实混凝土是本项目研究的技术难点。
1. 原材料
1)水泥:P.O52.5水泥，3天强度31MPa，28天强度55.8MPa;2)I级粉煤:烧失量3.2%，45μm筛筛余5%，需水比93%，;3)矿粉:S95矿粉:7天活性指数78%，28天活性指数95%，流动度比97%;4))硅灰:高活性优质灰，SiO2含量为93.0%;5)降粘增强剂:功能型矿物降粘增强剂CABR-J1，可降低混凝土拌合物塑性粘度，提高混凝土抗压强度，其主要技术性能指标见表1;6)减水剂:聚羧酸系高性能减水剂KL-2，含固量30%，减水率33%;7)河砂:含泥量为1.8%，细度模数3.0;8)碎石a:5~9.5mm连续级配石灰石，压碎值为16%，母岩强度118.5MPa;碎石b:5~16mm连续级配石灰石，压碎值为16%，母岩强度119MPa。

2. 混凝土的配制及其性能探讨
2.1试验方法
1)混凝土扩展度、T500试验方法参照《自密实混凝土设计与施工指南》(CCES02)进行。
2)混凝土倒置坍落度筒排空时间试验方法参照《高强混凝土应用技术规程》(JGJ/T281)进行。
3)抗压强度试验方法参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081)进行。
2.2试验配合比
混凝土试验配合比见表2，分别研究降粘增强剂掺量与碎石最大粒径对高强自密实混凝土拌合物性能及抗压强度的影响，其中胶凝材料总量680Kg/m3，砂率随水胶比的增加而增加，水胶比增加0.02，砂率相应增加0.02。

2.3.1降粘增强剂的影响
表3及图1~图8为水胶比0.20、0.22及0.24时混凝土坍落扩展度、倒置坍落度筒排空时间、T500及28d抗压强度试验结果。

表3与图3、图4试验结果表明:
1)水胶比0.22时，随着胶凝材料中降粘增强剂掺量的增加，减水剂用量明显降低，同时混凝土坍落扩展度与混凝土28d抗压强度大幅增加，倒置坍落度筒排空时间和T500显著降低。S5与S6对比可知，碎石最大粒径9.5mm，降粘增强剂等质量取代10%粉煤灰，且减水剂用量降低了36%，坍落扩展度增加120mm，倒置坍落度筒排空时间降低53s，T500降低至41s，28d抗压强度提高13.7MPa;S7与S8对比可知，碎石最大粒径16mm时，降粘增强剂掺量增加5%同时减水剂用量降低29%，坍落扩展度增加25mm，倒置坍落度筒排空时间降低4s，T500降低2s，28d抗压强度提高4.2MPa。2)水胶比0.22，碎石最大粒径9.5mm，降粘增强剂掺量10%时，混凝土各项性能均能满足设计要求。

图7为降粘增强剂掺量10%时，不同水胶比混凝土拌合物坍落扩展度及T500的变化量，试验结果表明水胶比越低，降粘增强剂对混凝土拌合物降粘作用越明显。
图8为水胶比对降粘增强剂增强作用的影响规律，试验结果表明，1)降粘增强剂掺量10%，水胶比0.22时混凝土抗压强度增长最大，水胶比0.20时抗压强度增长最小。2)水胶比0.20，进一步提高降粘增强剂掺量至15%可大幅度提高混凝土强度。水胶比过低时，较低的降粘增强剂掺量对混凝土强度提升作用不明显，需要增大降粘增强及掺量才能显著提升混凝土强度。
降粘增强剂CABR-J需水量低，颗粒粒径小，其"减水-分散作用"和微集料填充效应可减少胶凝材料絮凝结构和粉体空隙中积聚的自由水，从而提高混凝土拌合物体系的有效水胶比，提高混凝土拌合物的流动性，降低其塑性粘度。降粘增强剂的化学降粘作用改善了混凝土拌合物浆体的表面张力，也能进一步降低混凝土拌合物的塑性粘度。
降粘增强剂CABR-J的"减水作用"释放了絮凝水和空隙填充水，增加了胶凝材料水化用水，提高了混凝土化学结合水的数量，使低水胶比、超低水胶比混凝土有足够的水分参与水化反应，水化更充分，从而保证了混凝土的强度。降粘增强剂的微集料填充效应对混凝土内空隙的细化、填充作用进一步提升了混凝土的强度。
2.3.2碎石最大粒径的影响
图9为碎石最大粒径与混凝土坍落扩展度和T500的关系，其中a)、b)分别为水胶比0.2，降粘增强剂掺量15%时以及水胶比0.22，降粘增强剂掺量10%时，碎石最大粒径变化对混凝土坍落扩展度和T500试验结果的影响。

表3及图9试验结果表明，随着碎石最大粒径的增加，混凝土坍落扩展度增加，T500及倒置坍落度筒排空时间降低。S3与S4对比可知，水胶比0.20，降粘增强剂掺量15%，碎石最大粒径由10mm增加为15mm时，混凝土坍落扩展度增加25mm，T500降低7s，倒置坍落度筒排空时间降低9s。S6与S7对比可知，水胶比0.22，降粘增强剂掺量10%，碎石最大粒径由10mm增加为15mm时，混凝土坍落扩展度增加15mm，T500降低2s，倒置坍落度筒排空时间降低3s。
碎石粒径的越大，比表面积越小，"包裹"碎石所需浆体的数量越少，用以维持混凝土内骨料滑动的浆体数量相对增加，骨料间摩擦阻力降低。在浆体数量不变的情况下，碎石粒径增加，可提高混凝土拌合物的流动性，降低混凝土粘度[4]。
图10为碎石最大粒径与混凝土28d抗压强度的关系，其中a)、b)分别为水胶比0.2，降粘增强剂掺量15%时以及水胶比0.22，降粘增强剂掺量10%时，碎石最大粒径变化对混凝土28d抗压强度试验结果的影响。

表3及图10试验结果表明，随着碎石最大粒径的增加，混凝土28d抗压强度增大。S3与S4对比可知，水胶比0.20，降粘增强剂掺量15%，碎石最大粒径由9.5mm增加至15mm时，混凝土28d抗压强度增加12.4MPa。S6与S7对比可知，水胶比0.22，降粘增强剂掺量10%，碎石最大粒径由9.5mm增加至16mm时，混凝土28d抗压强度增加5.1MPa。
混凝土断裂力学理论研究表明，粗骨料粒径越大，断裂韧度、断裂能、临界应力强度因子越大，粗骨料对裂缝的发展有阻碍作用越强，混凝土的延性和抗压强度越高[5]。
3.小结
1)通过掺入不少于10%的降粘增强剂，配制出了28d立方体抗压强度满足设计要求，坍落扩展度大于700mm，T500<15s，倒置坍落度筒排空时间<15s的高强自密实细石混凝土。
2)提高降粘增强剂掺量，可节省减水剂用量，同时提高混凝土坍落扩展度与28d抗压强度，降低倒置坍落度筒排空时间和T500。
3)水胶比越低，降粘增强剂对混凝土拌合物降粘作用越明显。水胶比过低时，较低的降粘增强剂掺量对混凝土强度提升作用不明显，需要增大降粘增强剂掺量才能显著提升混凝土强度。
4)碎石最大粒径由9.5mm增加至16mm，可进一步提高混凝土的坍落扩展度及28d抗压强度，降低混凝土的倒置坍落度筒排空时间与T500。采用最大粒径为10mm的碎石配制高强自密实混凝土的难度更大。
参考文献
[1] OKAMURA Hajime,OUCHI Masahiro. Self-compacting concrete: development, present use and future[A]. In: SKARENDAHL A, PETERSSON O eds. Proceedings of 1st International RILEMSymposium on Self-Compacting Concrete [C]. Paris: RILEM Publication SARL,1999.3–14.
[2]杨欢，牛季收.自密实高性能混凝土的研究现状 [J].硅酸盐通报，2015(S1): 0207-0211.
[3]刘运华，谢友均，龙广成.自密实混凝土研究进展[J].硅酸盐学报，2007(05): 0671-0679.
[4]巴恒静，张武满. 骨料对高性能混凝土流变参数的影响[J].混凝土，2003(06): 0007-0009
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