不同內(nèi)摻材料自密實混凝土的研究現(xiàn)狀

肖良麗，劉鴻明，駱　恒

(武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，武漢 430065)

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不同內(nèi)摻材料自密實混凝土的研究現(xiàn)狀

肖良麗，劉鴻明，駱恒

(武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，武漢 430065)

摘要：自密實混凝土內(nèi)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(xué)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(nèi)摻材料的發(fā)展概況。較詳細綜述了不同內(nèi)摻材料自密實混凝土性能研究的最新成果。在此基礎(chǔ)上，對內(nèi)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(zhì)調(diào)查局2015年1月礦產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，2014年全球生產(chǎn)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)水泥在生產(chǎn)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(chǎn)量及其巨大的CO2排放量給嚴峻的環(huán)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(chǎn)一噸水泥需要消耗4～5 GJ的能量，不利于資源的循環(huán)利用和可持續(xù)發(fā)展。自密實混凝土屬于高性能混凝土的一種，與傳統(tǒng)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(huán)境的負擔。研究環(huán)境友好型水泥基材料是現(xiàn)在的一項熱點問題，水泥取代材料在現(xiàn)代建筑工業(yè)中考慮經(jīng)濟、技術(shù)和生態(tài)方面扮演了重要角色。為了降低生產(chǎn)水泥的能耗和其對環(huán)境的影響，開始研究粉煤灰、礦粉等部分取代水泥的內(nèi)摻材料并將其應(yīng)用于自密實混凝土中。

關(guān)鍵詞：自密實混凝土;內(nèi)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(wěn)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(yīng)滿足普通混凝土拌合物對凝結(jié)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(nèi)克服阻力有流動的能力，能夠流動并填滿模板內(nèi)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(wěn)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(shù)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(fā)展。我國主要是在90年代初期開始引進研究和應(yīng)用自密實混凝土的，經(jīng)過多年的研究與工程應(yīng)用實踐，已經(jīng)在自密實混凝土的配合比設(shè)計、評估方法及工程應(yīng)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(xué)性和耐久性，在講究環(huán)保和可持續(xù)發(fā)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(nèi)摻材料的發(fā)展概況

20世紀五六十年代，生產(chǎn)水泥的技術(shù)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(xiàn)了高效緩凝劑，八十年代開始發(fā)展高性能混凝土，人們把內(nèi)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(nèi)摻材料更加重視，認識到內(nèi)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(yè)廢渣進行環(huán)保利用，直到今天，混凝土內(nèi)摻材料的發(fā)展一直未停歇[8]。目前常用的自密實混凝土內(nèi)摻材料主要有粉煤灰、礦渣粉、硅灰、稻殼灰、石灰石粉等工業(yè)廢料，有效利用工業(yè)廢棄物，既解決了其對環(huán)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(zhì)材料開始被研究并應(yīng)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(fā)達國家，納米材料開始被研究并應(yīng)用于自密實混凝土中，比如納米SiO2和納米TiO2。我國已經(jīng)在礦物內(nèi)摻材料和天然火山灰質(zhì)材料用于混凝土方面制定了相關(guān)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(zhì)材料》JG/T 315—2011等。

3內(nèi)摻材料在自密實混凝土中的最新研究成果

我國對常用內(nèi)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(fā)現(xiàn)新的問題，亟需研究人員解決，而對于新型內(nèi)摻材料自密實混凝土的研究我國剛剛起步，新型內(nèi)摻料料自密實混凝土已經(jīng)成為國外現(xiàn)在研究的熱點之一。下面總結(jié)了近年來國內(nèi)外不同內(nèi)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(xué)性和抗氯離子滲透性的影響。試驗結(jié)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(fù)摻能取得不錯的經(jīng)濟效益和社會效益。

魯文斌[10]研究了復(fù)摻粉煤灰和硅灰在自密實混凝土中的應(yīng)用，研究了粉煤灰的最佳摻量，以及幾種礦物質(zhì)摻合料復(fù)摻的復(fù)合效應(yīng)。試驗結(jié)果表明：粉煤灰和硅灰應(yīng)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(nèi)摻材料復(fù)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(jié)果表明：摻入稻殼灰的自密實混凝土硬化后體積穩(wěn)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(yōu)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(jié)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(yè)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(jié)果表明：隨著工業(yè)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(yīng)力幾乎為零，表明摻入大比例取代水泥的工業(yè)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(xué)性能方面，抗壓強度隨工業(yè)礦渣粉的增加而降低，摻入30%取代水泥的工業(yè)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(jié)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(wěn)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(jié)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(fā)現(xiàn)多孔硅粉對新拌自密實混凝土性能的改善作用略優(yōu)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(fā)現(xiàn)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(xué)性能和輸運性能都有不同程度的改善，尤其是在復(fù)摻硅灰與納米二氧化硅的情形下，還發(fā)現(xiàn)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(fù)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(fù)自密實混凝土上有很大的潛能，但需要優(yōu)化使用。

Granata M F[19]研究了浮石粉作為內(nèi)摻材料對自密實混凝土的流變性能和力學(xué)性能的影響。研究表明：摻有浮石粉的自密實混凝土表現(xiàn)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(xiàn)出更明顯的退化。在力學(xué)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(fù)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(jié)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(fù)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(jié)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(fù)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(jié)與展望

在自密實混凝土中采用工業(yè)廢料或天然火山灰質(zhì)材料作為內(nèi)摻材料，既可以解決其對環(huán)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(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，利用恰當會產(chǎn)生很好的經(jīng)濟效益和社會效益。但是傳統(tǒng)摻合料，如粉煤灰，硅灰等，由于需求量越來越大，其產(chǎn)量已不能滿足工程需要。天然火山灰質(zhì)材料的研究尚未成熟，開發(fā)新型摻合料已是一個迫在眉睫的問題。

從國內(nèi)外近年來對不同內(nèi)摻材料自密實混凝土的研究現(xiàn)狀可以看出，研究人員主要集中于研究內(nèi)摻材料對自密實混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響，而對內(nèi)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(nèi)摻材料的復(fù)合效應(yīng)研究也不夠深入，這些都是內(nèi)摻材料在自密實混凝土發(fā)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(yīng)用前景。

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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