郑 丽 陈露一 黄有强 张志豪

(1.中铁大桥科学研究院有限公司 武汉 430034； 2.桥梁结构健康与安全国家重点实验室 武汉 430034)

随着中国基础建设的不断发展，混凝土结构逐渐朝着复杂化、高强度、高性能的方向迈进，各种大跨和新型结构桥梁不断出现，对混凝土的性能也提出了更高的要求。一些钢筋混凝土结构为了保证较好的稳定性，往往需要配筋稠密且复杂，然而这种环境下混凝土难以振捣，有的特种薄壁结构、高细结构、浅埋暗挖工程、隧道和地下结构，振捣可操作空间有限，施工非常困难，施工质量也难以保证。因此，这一类混凝土结构在浇筑时需要混凝土具有好的施工性能和自填充性能，能够通过钢筋密集、结构截面比较复杂的工程部位。

自密实混凝土(self-compacting concrete，SCC)，是指在浇筑过程中无需施加任何振捣，仅依靠混凝土自重就能完全填充至模板内任何角落和钢筋间隙的高性能混凝土[1]。利用其自密实的工作特性，自密实混凝土可以在不利的施工条件下密实成型，避免因振捣不足而造成空洞、蜂窝、麻面等质量缺陷，同时有效提高了浇筑速度，简化了混凝土结构的施工工艺，降低了施工噪声，节约了施工成本和劳动力，也改善施工环境和现场周边环境[2]。

目前自密实混凝土配合比的设计方法有很多，其中可概括为固定砂石体积含量法、骨料比表面积法，以及全计算方法、改进全计算法4种方法。但是大量试验证明，采用现有的配合比设计方法设计出的自密实混凝土的配合比，往往都需要先经过试拌，查看其工作性能，再进一步根据其强度来确认最终配合比，其配合比设计的工作量往往是普通混凝土的好几倍，难以快速准确配制出满足要求的自密实混凝土，同时原材料的变动，也会对自密实混凝土产生很大的影响，甚至可能需要重新确定混凝土的配合比。因此，合理控制自密实混凝土原材料品质，优化配合比设计方法，对自密实混凝土的配制具有重要意义。

1 自密实混凝土配合比设计方法

1.1 骨料比表面积法

骨料比表面积法是王海娜等[3]在原材料基础上，建立骨料比表面积计算方法及富余浆量计算模型，理论研究原材料条件下的自密实混凝土配合比设计时，提出的自密实混凝土配合比设计步骤。此方法提出了砂富余系数说法，认为砂子填充完石子空隙后，若无富余量，则石子接触面上无砂子起“滚珠”作用，则混凝土流动性不能满足，因此砂子一定有富余。与普通混凝土相比，自密实混凝土砂率应更高，因此砂的富余系数一般取上限1.20～1.25。

1.2 固定砂石体积含量法

目前JGJ/T 283-2012 《自密实混凝土应用技术规程》中所采用了固定砂石体积含量法，此方法给出了单位体积(m3)混凝土中砂石的体积含量范围，认为粗骨料的体积含量和砂在砂浆中的体积含量是影响拌合物流动性的重要参数，这与普通混凝土有着明显的区别。由于砂石参数取值的确定过于经验化，也未考虑到原材料质量变化对自密实混凝土的影响，因此，设计出的配合比均需要进行适配调整。

1.3 全计算法

全计算法是由陈建奎[4]提出的，将推导出的高性能混凝土单位体积(m3)用水量和砂率的计算公式，与传统水胶比定则结合，计算出混凝土各组分用量的计算方法。全计算法的基本观点认为，混凝土各组分具有体积加和性，干砂浆填充石子空隙，水填充干砂浆空隙，而干砂浆由胶凝材料、砂和空隙组成。

由于高流变性能要求，自密实混凝土配合比需要有较小的粗骨料体积含量和足够的砂浆，而全计算法计算出的浆骨比不能满足此要求。同时全计算法计算出的砂率会随用水量的降低而降低，造成混凝土的砂率偏小、石子的松堆体积偏大、浆体含量较少的现象。因此，全计算法可以用于大多数高性能混凝土的配合比设计，但用于自密实混凝土配合设计时，存在一定的缺陷。

1.4 改进全计算法

改进全计算法是由中南大学余志武等[5]结合固定砂石体积含量法的特点，对全计算法用于计算自密实混凝土配合比时进行改进而提出的配合比设计方法。此方法中混凝土的配制强度、水胶比、用水量和胶凝材料及矿物掺合料用量的计算方法沿用了全计算法中的计算公式，砂石用量则采用了固定砂石体积含量法的计算方法计算，最终计算出自密实混凝土的配合比。

改进全计算法仍存在原本高性能混凝土配合比设计方法的一些缺点，一般高性能混凝土配合比设计跟自密实混凝土配合比设计的侧重点有较大差别，其设计方法中通常对混凝土拌合物工作性能体现不足，因此无法保证一次性成功配制。

由于设计理念的不同，4种自密实混凝土配合比设计方法设计出的自密实混凝土差异性也较大，为了进一步了解骨料比表面积法、固定砂石体积含量法、全计算方法，以及改进全计算法在制备高强度自密实混凝土时的准确性，拟采用这4种配合比设计方法配制C50、C60强度等级的自密实混凝土，得到适用于配制高强度自密实混凝土的配合比设计方法。

2 自密实混凝土的配制实例

2.1 原材料

配制自密实混凝土所用原材料信息，见表1。

表1 混凝土原材料基本信息

2.2 C50、C60自密实混凝土配合比的设计

根据4种配合比设计计算公式，计算出C50、C60等级强度自密实混凝土配合比，具体配合比见表2。其中：A为采用骨料比表面积法计算出的配合比；B为采用固定砂石体积含量法计算出的配合比；C为采用全计算法计算出的配合比；D为采用改进全计算法计算出的配合比。表3为自密实混凝土工作性能指标要求，对8组混凝土的工作性能和抗压强度进行测试，结果见表4。

表2 不同配合比设计方法设计出的C50、C60配合比

表3 自密实混凝土拌合物工作性能指标要求

表4 配制的自密实混凝土工作性能和强度

由表3和表4可知，4种计算方法设计出的混凝土配合比，总胶凝材料用量及砂率有较大差异，尤其是全计算法计算出的配合比，砂率偏小，没有充足的砂浆来包裹石子，导致混凝土产生了泌浆的现象，另外3种计算方法设计的混凝土，工作性能差异较大，但基本都可以达到规定的性能要求。在混凝土力学性能方面，4种计算方法设计出的混凝土水灰比偏大，强度偏低，无法达到相应的强度等级，因此需要对混凝土配合比进行优化，在保证自密实混凝土工作性能的前提下，提高混凝土的强度。

为了确定出满足要求的C50、C60自密实混凝土配合比，综合考虑以上8组配合比的工作性能和力学性能，1B和2B 2组混凝土的28 d强度最高，因此以这2组配合比为基准，进行优化。增加胶凝材料用量或降低水胶比是提高混凝土强度的有效途径。1B和2B 2组配合比中，考虑到胶凝材料用量较大，因此，采用降低混凝土水胶比的方式来提高混凝土的强度。为了使混凝土中的石子能够完全被砂浆包裹，同时又有适量的浆体可作为石子间的“润滑剂”，以保证混凝土的高流动性和填充性，在降低水胶比后，需要相应的提高砂率，以确保混凝土中的浆体总量。相较于水泥，矿粉粒径更小，活性更高，具有较好的黏聚性，在C50混凝土配合比中，由于水胶比和砂率较大，混凝土容易产生离析、泌浆的现象，通过提高矿粉的掺量，改善混凝土工作性能的同时，也保证了混凝土的强度。

优化后的配合比见表5。分别采用SC50、SC60表示C50、C60自密实混凝土，其工作性能和抗压强度见6。

表5 优化后的C50、C60自密实混凝土配合比

表6 优化后的的C50、C60自密实混凝土工作性能和强度

由表6可知，通过优化配合比，配制出的C50、C60自密实混凝土其工作性能和力学性能均满足了配制要求。图1、图2分别为C50、C60自密实混凝土扩展度和J环扩展度图。由图1、图2可知，2组混凝土工作状态优良，工作性能更稳定。

图1 C50自密实混凝土工作状态

图2 C60自密实混凝土工作状态

通过以上C50、C60自密实混凝土配合比试验，可以得到以下2个结论：①采用4种自密实混凝土配合比设计方法配制高强度自密实混凝土时，混凝土强度是主要难点，为了达到配制要求，需要对初始配合比进行优化。相对而言，宜采用固定砂石体积含量法配制高强度自密实混凝土，设计出的混凝土最接近最优配合比，可减少适配的工作量；②配制C50、C60自密实混凝土时，需要对混凝土的胶凝材料总量、水胶比及砂率进行控制，以确保混凝土的工作性能和强度。C50等级混凝土的胶凝材料用量宜控制在(520±10) kg/m3，水胶比控制在0.30左右；C60等级混凝土的胶凝材料用量宜控制在(540±10) kg/m3，水胶比控制在0.28左右，2种等级混凝土的砂率皆控制在0.52左右，可有效保证混凝土的工作性能和强度，提高C50、C60自密实混凝土的配制成功率。

2.3 自密实混凝土的耐久性及体积稳定性

按照GB/T 50082-2009 《普通混凝土长期性能和耐久性测试方法》中的电通量法和快冻法，对配合比优化后的C50、C60自密实混凝土的抗氯离子渗透性和抗冻性进行测试，抗氯离子渗透性试验结果见表7、抗冻性试验结果见图3；按照接触法，对混凝土的土干燥收缩率性进行测试，测试结果见图4。

表7 氯离子电通量实验结果

图3 混凝土抗冻性能

图4 自密实混凝土干燥收缩性能

由表7试验结果可知，C50、C60自密实混凝土的电通量都在1 000 C以下，抗氯离子渗透性评价均为“极低”等级，可以满足一般铁路、公路施工规范的要求。

由图3可知，随着冻融循环次数的增加，混凝土的相对动弹性模量逐渐降低，质量损失率逐渐增加，C50自密实混凝土抗冻性能够达到F300等级，C60自密实混凝土抗冻性能够达到F400等级，抗冻性能优异，高强度自密实混凝土具有较高的耐久性。

由图4可知，随着养护龄期的增加，混凝土的收缩率逐渐增大，早期收缩较剧烈，当养护至60 d时，收缩速率逐渐趋于0，混凝土基本不再收缩，SC50、SC60的60 d最终收缩率分别为314×10-6，272×10-6，文献[6-9]调研显示，普通C50、C60的60 d干燥收缩率一般在(200～300)×10-6之间。相较于同强度等级的普通混凝土，自密实混凝土胶凝材料用量大，但干燥收缩率与普通混凝土差别不大，说明优化配制的C50、C60自密实混凝土体积稳定性与同强度等级下的普通混凝土相当。

3 结语

自密实混凝土相对于普通混凝土，工作性能要求高，原材料品质要求严格，在进行自密实混凝土配合比设计前，需要对原材料进行严格的筛选，尤其是砂石材料的选择。本文通过配制C50、C60高强度自密实混凝土及其性能研究，得到了以下结论。

1) 采用骨料比表面积法、固定砂石体积含量法、全计算方法，以及改进全计算法4种的自密实混凝土配合比设计方法配制高强度自密实混凝土时，设计出的混凝土水胶比偏低，相对而言，采用固定砂石体积含量法计算出的配合比更准确，但还是需要对配合比进行优化。

2) 配制高强度自密实混凝土时，需要对混凝土的主要胶凝材料总量、水胶比和砂率进行控制，保证混凝土的工作性能和强度同时，提高配制C50、C60自密实混凝土的成功率。试验结论显示：C50、C60自密实混凝土的胶凝材料用量最好控制在(520±10)kg/m3、(540±10)kg/m3，水胶比分别控制在0.30，0.28左右，砂率控制在0.52左右。

3) 高强度自密实混凝土具有优异的抗冻性能，C50等级混凝土抗冻性能够达到F300等级，C60等级混凝土抗冻性能够达到F400等级；抗氯离子渗透性也可满足大部分设计规范的要求；体积稳定性与同强度等级下的普通混凝土相当。