文章编号:1671-9662(2006)06-0064-03
自流平混凝土原理探讨及性能评价
张国强，马先伟
(平顶山工学院土木工程系，河南平顶山467001)
摘 要: 通过对自流平混凝土成型原理、特点以及现有评价方法的探讨，指出了工程应用实践中所存
在的问题，提出了生产工艺改进措施。
关键词: 自流平混凝土；原理；特点；评价方法
中图分类号: T U528.59 文献标识码:A
在建筑工程的混凝土施工中，尤其是高层建筑的箱基底板及节点处、建筑复杂结构处、隧道的衬砌中，往往因为结构配筋稠密复杂，断面狭小，振动棒不易插入，难以振捣成型；在施工中容易产生漏振、过振，引起混凝土不密实；混凝土在振捣过程中还易引起钢筋、预埋件、预留空洞的移位，从而影响混凝土结构的强度和耐久性；在城市施工中，有些工程要求降低施工噪声，有些工程要求大面积浇筑、搭脚手架工作量大且工期要求紧迫，因此就要求混凝土具有免振捣、自动快速的充满模板的性能。
1988年日本首先研制出自流平(免振)混凝土。自流平混凝土是在浇注时仅靠自身重力无需经任何振捣而达到自动流平、密实成型的混凝土。它具有高流动性、高抗离析性、高填充性和良好的钢筋间隙通过性能，以及良好的力学性能和耐久性能，减少施工噪音，防止因振捣不善出现的结构离析与质量事故。
1 自流平混凝土成型和密实的原理
新拌混凝土混合料可以看成是(粗、细)集料悬浮于水泥浆中的混合体系，按流变学理论，属宾汉姆流体，其流变方程
为τ=τ0+η(dv/dt )，式中:τ为剪切应力,τ0为屈服剪切应力，是阻止塑性变形的最大应力，它支配了拌和物的变形性
能，是由于材料之间的附着力和摩擦力引起的，在外力作用下混凝土拌合物内部产生的剪切应力τ≥τo 时，混凝土产生流动;η为粘度系数，是流体各平流层之间产生的与流动方向相反的粘滞阻力，反映了混凝土拌合物内部阻止其流动的
一种性能。η越小，在相同外力作用下流动速度越快。屈服剪切应力τ0和塑性粘度μ是反映混凝土拌合物工作性的两个主要流变参数。
对于混凝土混合料这种带有分散粒子而形成的凝聚结构流体而言，其τ与μ随着剪切应力或速度梯度而变化，实质上是随着凝聚结构的破坏程度而变化。振动密实成型的原理就在于：振源不断地做功，一方面破坏了水泥水化初期形成的凝聚结构，胶体粒子扩散层中的弱结合水在振动的干扰之下解吸附，变成自由水，混合料呈现塑性性质，胶体由凝胶转变为溶胶；另一方面，振动所做的功破坏了粗颗粒之间的粘结力和机械啮合力，大大降低了内阻，使混合料易于流动，而对于自流平混凝土而言，成型和密实过程同时发生，并且依靠混合料自身的高流动性填充外部与内部空隙。这就要求：一方面，混合料必须具备较低的屈服剪切应力τ和塑性粘度μ，才能具备高流动性，无需振动即能充填外部与内部空隙；另一方面，混合料在密实成型的过程中必须保持均匀、无离析、无泌水现象。采用传统的增加单位用水量以及使用超塑化剂的方法，使得混合料的屈服剪切应力和塑性粘度大大降低，在一定范围内可改善混合料的流动性，但是塑性粘度降低到一定程度时，混合料抵抗离析的性能急剧下降，粗集料发生聚集，混合料的流动性降低，而不能达到自密实的效果。因此配制自流平混凝土的关键就在于采取有效方法获取流动性与抗离析性的和谐统一。
2 自流平混凝土的特点
新拌的自流平混凝土作为粒子悬浮体，必须具有良好的稳定性和流动性才能充分填实混凝土模板中的空隙，并在不需要任何外部能量的作用下达到密实固化。为达到自流平，混凝土必须具备以下三个特性。
2.1 高流动性
流动性是表征自流平混凝土工作性能的重要性能指标之一，它指分散体系中克服内阻力而产生变形的性能。屈服应力是阻碍浆体进行塑性流动的最大剪切应力，在新拌混凝土的分散体系中，剪切应力主要由以下几个方面组成：粗集收稿日期:2006-11-10
第一作者简介：张国强(1965-)，男，河南平顶山人，平顶山工学院土木工程系副教授，主要从事结构工程的教学与科研。
第15卷第6期2006年11月 平顶山工学院学报Journal of Pingdingshan Institute of T echnology V ol.15N o.6N ov.2006
料与砂浆相对流动产生的剪应力；粗集料由于自身重力作用而产生的剪应力，以及粗集料间相对移动所产生的剪应力等。混凝土屈服应力既是混凝土开始流动的前提，又是混凝土不离析的重要条件。粘度系数是指分散体系进行塑性流动时应力与剪切速率的比值，它反映了流体与平流层之间产生的与流动方向相反的粘滞阻力的大小，其大小支配了拌和物的流动能力。因此，剪应力支配了拌和物流动性的大小，而剪应力的大小取决于分散体系中固、液相比率，即水灰比的大小。因此胶结料用量不能太少，低于450kg/m 3时，几乎无法保证混凝土成型的质量，一般不宜少于500kg/m 3。同时，活性掺合料的掺入可以减小浆体的剪切应力，增大流动性。掺加细度小、级配好的粉煤灰或矿渣是改善自流平
混凝土性能的重要措施之一。
2.2 稳定性
自流平混凝土拌和物需要高的流动性而不发生离析。在自流平混凝土配合比设计中，如何调整用水量与超塑化剂用量，使流动性和抗分散性达到平衡是关键。一般自流平混凝土的配制应结合工程实际所需的性能，确定混凝土流动性和抗分散性之间的平衡关系，以选择适当的水灰比和超塑化剂掺量，自流平混凝土宜采用缓凝高效减水剂。
2.3 通过钢筋和模板中的任何间隙时，不产生阻塞
当混凝土拌和物流动通过钢筋间隙时，粗集料的相互作用引起其相对位置的改变，正是相对位移存在不仅引起浆体中粗集料之间的压应力，而且引起剪应力。剪应力的增大使混凝土拌和物发生塞流，无法通过钢筋间隙。因此，自流平混凝土配合比设计中，粗集料的体积含量是控制新拌混凝土可塑性的一个重要因素。试验表明，在一定截面发生堵塞主要是由于骨料间的相互接触引起，当粗集料超过一定含量时，无论浆体是否有适宜粘度，均会发生堵塞。其有效办法是增大砂率，砂率低于45%，容易产生缺陷，一般为50%左右。
3 工作性能试验及评定方法
自流平混凝土的工作性能包括流动性、填充性及钢筋间隙通过性以及抗离析性。
3.1 流动性试验
图1 Orimet 仪示意图
一般混凝土的流动性用坍落度的大小表示，但对于自流平混凝土，坍落度的大
小难以确切地表示混凝土流动性的高低。因为同样坍落度的混合料，其扩展度却
有较大的差别，因此一般选用扩展度作为其流动性指标，采用的实验方法是坍落度
桶法。
扩展度是通过从坍落筒上提开始计时，流至直径为50cm 时的时间来计量的。
从流变力学的角度来看，扩展度是可以反映混凝土拌合物的粘度系数η的，但其对
试验要求较高。扩展后的混凝土越接近圆形、最大直径与最小直径差越小则表明
其越接近匀质，变形能力良好，而观察在不发生离析情况下的形状，直径大则表明
间隙通过能力强。
3.2 粘性试验
Orimet 仪是由英国学者Bartos 提出的高流动性混凝土拌合物粘性测试方法(见
图1)，其原理为：高流动性混凝土拌合物不发生离析的条件下，在自重作用下从竖
管中流出，流出速度主要受拌合物粘度系数η的影响。测定竖管中混凝土全部流出
的时间t ，得出混凝土拌合物所需的流出速度V 0=V L /t (l/s ),V 0值越大，则粘度系数越小，反之则大。
图2 U 型管和倒坍落度筒3.3 抗离析性试验 (1)混凝土抗离析性可以通过U 型仪试验测定左右两腔粗集料含
量差△G 来判别。如果混凝土拌合物抗离析性欠佳，先装入的那一腔
混凝粗集料会下沉，左右两腔混凝土的粗集料相对含量会有较大差别,
△G 的值就较大，这样就能判别混凝土拌合物的抗离析性能。
(2)在坍落度和扩展度的试验中，对台板应作如下处理：台板底部
四角装调节螺丝，保证试验时台板的水平，围绕台板中心直径300mm
和500mm 处做两个同心圆标记。试验完毕，从300mm 圆内、300～
500mm 之间和500mm 以外各取拌合物3kg ，测定该三部分5mm 筛的筛
余量，评定拌合物的抗离析性和匀质性。实验时，进行目测，如果拌合
物中粗集料不堆集，而且扩展边缘无砂浆析出，则均质性好。
3.4 钢筋间隙通过性试验 用混凝土流变性能测定仪测定，它由立筒和水平槽组成，立筒和水平槽交接处留有高80mm 的开口，设置4<12螺纹钢筋，开口处装有活门，活门处钢筋净距只有45mm ，水平槽边缘有间距为100mm 的刻度(如图3)。
第15卷第6期 张国强等：自流平混凝土原理探讨及性能评价 65
图3 L 型流动测定仪示意图
将混凝土装满立筒后，打开活门，混凝土通过钢筋流出,
测定拌合物流动速度(流动距离/流至该距离的时间)、立筒
内混凝土坍落的高度和水平槽尾混凝土高度。通过这两个指
标，可以定量测定拌合物的充填性、间隙通过性以及流动性,
能够综合评定自流平混凝土的流变性能。流动速度可以准确
的反应拌合物的钢筋间隙通过性和流动性，试验中的v 150应
该大于50mm/s (即通过时间不多于3s ),v 400应该大于
33mm/s (通过时间不多于12s )，若低于此值，则表明拌合物的
粘性阻力较大，钢筋间隙通过性较差，达不到自流平混凝土的
要求。
4 生产自密实混凝土的工艺措施
4.1 自流平混凝土的坍落度损失及其控制 自流平混凝土一出现，其坍落度经时损失问题就被提了
出来。试验表明，自流平混凝土的坍落度损失程度，与高效减水剂的掺加方法、水泥品种、施工温度、搅拌工艺等有关。坍落度经时损失的主要原因是：随着水泥的水化反应，高效减水剂被水泥的水化产物大量吸附，而使分散作用降低，表现为自流平混凝土的坍落度随时间的增长而逐渐减小。研究表明，抑制自流平混凝土坍落度经时损失的措施有:①高效减水剂采用分次添加的方法;②加入少量的缓凝剂;③开发新品种的高效减水剂或用部分矿物外加剂取代高效减水剂。
4.2 水泥裹砂工艺的探索
一般情况下，由于集料含水量的不同以及搅拌方法的不同，自流平混凝土的性能也显著不同。如果砂子处于表面干燥状态，刚搅拌好的混凝土，内部会产生很多气泡，使水分显著上浮，底部则产生分层和沉降。为了解决自流平混凝土的泌水和离析问题，日本人首先提出了水泥裹砂工艺。水泥裹砂工艺，就是在集料表面包上一层低水灰比的水泥浆，形成一种皮壳状态，以提高混凝土的各种性能。大量试验表明，造壳搅拌的砂子，其表面含水量以15%～25%较为合适。5 自流平混凝土在某工业厂房中的应用
自流平高性能混凝土(S LC )在某工业厂房的基础平台(C20)、梁、板，以及一次性浇注6m 高的柱(C25)中的应用如表1、表2所示。
表1 某工业厂房自流平混凝土施工配合比(kg/m 3)
水泥(P Ⅱ52.5)粉煤灰(Ⅰ级)
石灰石粉中砂石子(5～20mm )水JM -S LC 290185508108101709.98
表2 混凝土经时变化测试
时间(min )
坍落度(mm )扩展度(mm )高差(mm )0
27066531202656503
结果表明，用JM -S LC 外加剂配制的S LC 具有普通混凝土无法比拟的高流动性，自动穿越钢筋密集处(如梁、柱以及梁与梁的结合部位)后，仍保持混合料的均匀性；能够自动填充具有复杂形状的模内空间(如封闭的楼梯部位)，浇注后混凝土不泌水、不开裂。对硬化后混凝土取芯结果表明，混凝土上下均匀，未发生分层现象，采用预拌混凝土的方式浇注，从成型到现场浇注的时间间隔为1.50～2.0h ，混凝土初凝时间较长(10～12h )，但初凝与终凝之间间隔较短(1～2h )，混凝土强度发展迅速,7d 即达到100%设计强度。整个施工过程不仅大大缩短了施工时间，而且减轻了工人的施工强度，避免了振动噪音，实现了文明施工。
6 存在的问题探讨
以高性能矿物外掺料技术，在实验室配制自流平混凝土并非难事，然而在实际使用过程中所暴露出来的种种问题，还需要研究人员和工程技术人员的共同努力来解决。比较突出的有:
(1)国内现有的关于自流平混凝土的配合比设计方法，尚缺乏对不同设计、施工要求以及使用不同外加剂情况的综合考虑。并且仍然缺乏关于自流平混凝土的实验室及现场评估的简便评定方法和统一标准，以及相应的施工指南; (2)自流平混凝土所用的外加剂缺乏相关的标准，给应用带来了较大的困难;
(3)尽管自流平硬化混凝土的性能与普通混凝土相比没有明显区别，然而自流平混凝土的收缩和开裂比普通混凝土显著。如何采用有效措施避免其后期收缩开裂，是自流平混凝土研究领域密切关注而尚未有效解决的重大问题。参考文献
(下转第72页)
应的试验室，以满足各种性能混凝土配制和拌制的要求；有污水处理和回用装置，严格控制粉尘、噪声和水质的污染。从工艺、材料和设备上采取有效措施、提高混凝土耐久性，降低商品混凝土成本。
(6)在商品混凝土工程的合同中应有耐久性条款
目前我国正处于计划经济向市场经济转轨的过渡时期，若不把经济杠杆作用引人工程耐久性之中，是无法激励工程技术人员提高耐久性的。承包单位和搅拌站是不愿花费人力、财力进行耐久性预防的
研究或采取措施的。若能在设计和施工经费中抽取少量费用进行耐久性的预防研究和设立长期耐久性的奖励基金，是十分必要的。
(7)建立重大砼工程和砼原材料的数据库
建立重大砼工程的数据库。我国各建筑工程特别是大型工程可能已有自己的历史档案资料，但均分散保存，信息交流也不够。例如美国在1982年由国家科学基金支持建立了“建筑与工程性能信息中心”(AEPI,Architecture and En2gineering Per formance In formation Center)，已收集4万多案例。建立这样的数据档案中心并规范化对我国经济建设的发展将能提供宝贵的信息资料。
商品混凝土的出现是在建筑产业发展到一定程度的产物，它满足了建筑产业工业化、规模化以及环保等方面的要求；同样的，商品混凝土应用中存在的问题，也是市场化进程中产生的现象。对于商品混凝土存在的耐久性不够、新标准执行不及时，施工过程中管理不完善等问题，应提高从业人员的业务水平，规范管理机制，加强新技术、新标准规范的更新以及可操作性，从根本上解决问题。
参考文献
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Problems in present commodity concrete
ZHANG Y u2jun1,J ING Y an2
(1.Civilwork Department o f Jianan Company,Pingdingshan467000,China;
2.Yucheng Supervision Company o f Pingdingshan,Pingdingshan467001,China)
Abstract:Along with the rapid development of architecture industry,comm odity concrete is widely used in urban construction,which has produced g ood s ocial efficiency and economic efficiency.But because of equipment level,technology and management system and s o on,there is s ome problems in comm odity concrete industry.The author,carried on the analysis to the application situation of present comm odity concrete,and proposed several opinions,according to the author’s experience,which supplies reference for the practitioner. K ey w ords:commercial concrete;mixing plant;construct control
(上接第66页)
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Study of mechanism and evaluating methods of perform ance
of self-leveling cement concrete
ZHANG G uo2qiang,MA X ian2wei
(Pingdingshan Institute o f Technology,Pingdingshan467001,China)
Abstract:Based on the discussion of self-leveling mechanism of cement concrete,the characteristic and evaluating methods of self-leveling cement concrete,this paper pointed out the problems in engineering in practice and corresponding measures.
K ey w ords:self-leveling cement concrete;mechanism;principle;evaluating methods
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