C60超早强自密实混凝土的研究及应用

摘  要：为了满足大量桥梁、高速公路、铁路、机场跑道等抢修工程的需要，本文将自密实混凝土技术和早强混凝土技术相结合，通过使用快硬硫铝酸盐水泥和促凝剂配制出一种超早强自密实混凝土。文中详细研究了促凝剂的掺量对混凝土流动性及早期强度的影响，并进行了混凝土抗渗性和耐冻融性试验。试验结果表明，该混凝土坍落度260mm、扩展度650mm，常温下一小时抗压强度可达30Mpa以上，同时具有很好的抗渗性和耐冻融性。本文还研究了这种混凝土在负温下的强度增长情况，试验结果表明，即使在－30℃的环境温度下，该混凝土仍然可以实现1小时20MPa抗压强度的超早强特性，非常适合严寒及冬季抢修工程的使用。目前该混凝土已经在很多抢修工程进行了大量应用，取得了一定的经济效益和社会效益。

关键词：超早强 ；自密实 ； 促凝剂  ；工程抢修  

前言

  　硫铝酸盐水泥（SAC）作为我国四大特种水泥品种（白水泥、低热大坝水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥）之一，经过三十多年的开发和应用已经形成了一定的生产和使用规模，其中快硬硫铝酸盐水泥（R•SAC）因为其早强、快硬、负温水化、低干缩等特点，在抢修、抢建工程、冬季施工工程等有较大量的应用。

　　自密实混凝土（Self-Compacting Concrete，SCC）的概念最早由日本东京大学的混凝土实验室提出，随即得到了鹿岛（Kajima）、前田工机（Maeda）、大成建设（Taisei）等日本大型建筑公司的认同[1]。自密实混凝土仅靠自重便可流过密集的钢筋并填充整个复杂的模型，同时不离析、不泌水，保持自身的均匀性。这一特性使得自密实混凝土在浇注过程中省去了人工振捣，这不仅节约了人力、减少了噪音污染，而且避免了振捣工人因为漏振或其它操作失误带来的混凝土质量缺陷。同时在一些特殊部位，例如钢管混凝土、钢筋密集的混凝土、形状特殊的预制件等，因为无法进行人工振捣，也必须使用自密实混凝土。正因为以上种种优点，自密实混凝土在日本和欧美等国家发展很快，目前国内发展也较为迅速。

　　本文将自密实混凝土技术和快硬硫铝酸盐水泥混凝土技术相结合，通过使用快硬硫铝酸盐水泥和混凝土外加剂配制出一种超早强自密实混凝土，这种混凝土坍落度260mm、扩展度650mm，常温下一小时抗压强度30MPa以上，适用于机场、铁路、公路和桥梁等抢修、抢建及冬季施工工程。 

1 原材料与试验方法

1.1  原材料

　　水泥：42.5快硬硫铝酸盐水泥，天津华远特种水泥厂，详细性能见表1

　　粉煤灰：II级灰，北京石景山电厂

　　集料：中砂，细度模数2.4；碎石，5mm～25mm连续集配；产地均为河北涿州

　　减水剂：萘系，UNF-5高效减水剂，粉状，产地天津

　　促凝剂：自制

　　拌合水：饮用水



1.2  试验方法

1.2.1 基础配合比

　　参考国内外有关自密实混凝土的学术论文，确定自密实混凝土试验的基础配合比，并进行流动性试验，在此基础上添加促凝剂调节混凝土的凝结时间和小时强度，实验及养护条件按标准要求进行。基础配合比见表2

1.2.2 流动性试验

　　流动性也可以称为自填充性，这一指标用来衡量自密实混凝土在自重下对模型的填充能力。国内一般采用坍落度和扩展度来衡量，要求坍落度不小于250mm，扩展度不小于600mm[2]；而日本一般对坍落度没有要求，要求扩展度不小于600mm，同时要求扩展度达到500mm的时间不高于15秒[3]；流动性有时也采用U型箱试验来测量，通过U型箱两边混凝土的高度差来衡量自密实混凝土的流动性[4]。本文的流动性试验主要通过坍落度、扩展度、U型箱试验来完成，U型箱示意图如图1。坍落度试验的同时观察粗骨料是否被均匀输送到最边缘，拌合物有无离析、泌水、抓底等现象。 




1.2.3 抗压强度、抗渗及冻融循环试验

　　混凝土抗压强度试验按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，试块大小为100mm×100mm×100mm，按标准要求折算成标准试块强度。一小时和两小时强度从加水搅拌开始计算，提前5分钟拆模，其它龄期的试块按照混凝土力学性能检测标准规定执行。 

　　由于硬化后的混凝土的密实性非常好，按照普通方法无法检测其抗渗性，因此抗渗性试验采用1d龄期的混凝土，2.0MPa恒压8小时，然后将抗渗试块劈开，观察水的渗透高度。

　　冻融循环试验按照GBJ82－85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行，取两组28d龄期的试块，一组进行冻融试验，另一组继续标准养护作为对比组。冻融试验采用标准规定的慢冻法，规则为－20℃冻4h、20℃水中融4h，8h为一个循环。 
 
2 试验结果及分析

2.1  流动性试验

　　按照表2所列混凝土的配合比进行试配试验，混凝土拌合物初始坍落度270mm，扩展度700mm，黏聚性良好，无离析、泌水、抓底现象。U型箱试验时，拌合物从一侧通过钢筋网片流至另一侧，没有骨料堆积现象，两侧高度差为零。

2.2  促凝剂的掺量对混凝土流动性及小时强度的影响

　　在基础配合比的基础上按照水泥质量的百分比掺入促凝剂进行试验。试验中发现虽然混凝土坍落度相同，但是扩展度有大有小，因此对于黏聚性良好的自密实混凝土来说，扩展度数据比坍落度更能真实反应混凝土拌合物的流动性情况。试验结果如图2、3：


   

　　从图2、3可知，随着促凝剂掺量的增加，混凝土拌合物扩展度逐渐减小而1小时抗压强度逐渐增大。当促凝剂掺量达到3％时，扩展度260mm、1小时抗压强度33.2MPa，流动性和小时强度两个指标都比较理想，因此促凝剂掺量选定为水泥量的3％，最终配合比如表3：

2.3 抗压强度、抗渗及冻融试验

　　按照表3的配合比进行试验，1h、2h、1d、28d的抗压强度分别为33.2MPa、42.5 MPa、55.1 MPa、68.5 MPa。取1d龄期的抗渗试块，在混凝土抗渗试验机上2.0MPa恒压8小时后劈开，平均渗透高度只有4.1cm，抗渗性非常好。200次冻融质量损失0.8%、抗压强度损失1.2%；300次冻融质量损失1.1%、抗压强度损失2.9％。

2.4  温度对小时抗压强度的影响

　　调整水温和料温，保证混凝土拌合物的温度分别为10℃和20℃，成型后立刻带模放入低温试验箱中，低温试验箱温度分别调节为0℃、－10℃、－20℃、－30℃，测量1小时抗压强度，结果如图4：

 
   
　　由图4可知，随着环境温度的降低，混凝土1小时抗压强度也降低。但是只要保证拌合物初始温度不小于20℃，即使是在－30℃环境温度下，超早强混凝土的1小时抗压强度也能达到20MPa以上，这一点说明了超早强混凝土非常适合严寒地区和冬季的抢修工程。 

3 工程应用

3.1  西直门立交桥抢修工程 

　　北京市西直门北立交桥内环通道桥位于西、北二环交界处，是北京市区交通系统的重要组成部分。2001年北京市市政工程管理处检测发现二环路内环主路桥病害严重，桥梁处于危险状态，立即采取了支护措施。2006年4月有关部门对该桥梁继续了复核检测并制订了抢修加固方案。该桥每小时的交通量约2500辆，如果采用常规的方法进行断路施工，工期太长，会对二环路乃至整个北京市区的交通产生极大的负面影响。 

　　经过甲方、设计、施工等单位多次讨论，决定采用中冶集团建筑研究总院工程材料院研制的C60超早强自密实混凝土对桥梁进行加固。混凝土除了水以外的其它组分在工厂预拌均匀，现场直接加水搅拌。具体施工方案为：

 （1） 夜里11点半进行断路施工，次日凌晨6点开放交通；

 （2） 施工时首先将桥面破损的混凝土剔除，厚度约10cm；

 （3） 进行垂直钻孔植筋并铺设水平钢筋；

 （4） 涂刷水性环氧混凝土界面处理剂；

 （5） 混凝土搅拌、铺摊、抹平，初凝后进行拉毛处理。

　　整个加固工程持续两周，混凝土用量约500m3，现场取样1小时抗压强度接近40MPa，完全满足通车要求。加固后的桥面经过一个月左右的观察，无有害裂缝产生，受到了甲方、设计和施工方的一致好评。随后该材料还在京沈高速、机场高速、四环路健翔桥等多个工程进行了应用，均取得了很好的效果。

4 结论

 （1） 通过使用快硬硫酸酸盐水泥和促凝剂可以配制出1小时抗压强度大于30MPa的C60超早强自密实混凝土；

 （2） 由于该材料的超早强、自密实等特点，可以大量缩短抢修时间，非常适合在高速公路、立交桥、铁路、机场跑道等抢修工程中使用；

 （3） 该材料在－30℃环境下仍可以实现超早强，适合在严寒及冬季抢修工程中使用；

 （4） 该材料的推广使用，不仅能产生企业经济效益，也可以产生很大的社会经济效益。