1.2　国内外研究现状及存在的问题

1.2.1　国内外研究现状

自密实混凝土的概念最早于1986年由日本学者提出,随后自密实混凝土得到学术界以及很多大型建筑公司的关注和开发,到目前为止,有关自密实混凝土的国际会议已举办多次,第一次是在1999年9月13—15日于瑞典首都斯德哥尔摩举行。第二次和第三次分别是在2001年和2003年在日本举行。由于我国在自密实混凝土方面的研究和使用量越来越大,2005年我国中南大学等单位在湖南长沙举办了自密实混凝土设计、性能及应用国际会议,2009年在北京又举办了第二届自密实混凝土国际会议。在这些国际会议上,来自欧洲、日本及北美等国家和地区的相关领域专家进行了精彩的研讨及交流,围绕着自密实混凝土的原料和配合比设计、工作性能、结构性能、施工及应用以及硬化自密实混凝土等主题对自密实混凝土技术新发展、新突破、新问题展开讨论和交流,极大地促进了自密实混凝土的进一步推广和应用。

1.2.1.1　定义

关于自密实混凝土的第一篇论文,发表于第二届东亚及太平洋地区结构工程和施工会议的论文集中。自密实混凝土的概念由Ozawa在1992年5月土耳其伊斯坦布尔召开的CANMET和ACI国际会议上向世界范围推广。自密实高性能混凝土也称为高流态混凝土、高工作性混凝土、自流平混凝土、自填充混凝土、免振捣混凝土等,是在较低水胶比下具有很高的流动性而不泌水、不离析,能够不经振捣仅靠自重流平并能充满模板和包裹钢筋的新型混凝土。它具有良好的工作性能、力学性能和耐久性能,而且能够解决传统混凝土在施工中的漏振、过振及钢筋密布难以振捣等问题,可以保证预埋件、钢筋、预应力孔道等的位置不因振捣而移位。

从材料方面看,由于采用了高性能外加剂和大掺量工业废料作掺和料,使得低水泥用量、低水胶比的混凝土配制成为可能,从而提高了硬化混凝土的力学性能及耐久性能;从设计上来看,由于自密实混凝土能在自重作用下穿越钢筋密集区,并且还能保持混合料的均匀性,为密集配筋结构设计的实现提供了可靠的保障;从施工上来看,不仅可以缓解熟练施工人员日益短缺的危机,而且消除了振捣带来的噪声,减弱了施工人员的劳动强度,避免了由于振捣不充分而存在的施工隐患,保证了工程质量,加快了施工进度,提高了现代化和文明施工的管理水平;从混凝土供应商来看,不仅可以提高泵车的使用效率,而且减少了混合料对泵车的磨损,提高了设备的使用效率[64]。

1.2.1.2　配合比设计

混凝土配合比设计就是要根据原材料的技术性能及施工条件,合理选择原材料,并确定能满足工程要求的技术经济指标的各组成材料用量[65]。自密实混凝土包括填充性、抗离析性及间隙通过性等3个方面的内容[66,67]。跟普通的混凝土相比,自密实混凝土的特点是在初始新拌阶段能依靠自重作用而充模、密实,不需额外的人工振捣。

国外的一些学者提出了自密实混凝土的配合比设计方法,在日本的东京大学最早进行了自密实混凝土的配合比的设计研究工作,提出了原型模型方法[68],Okamura等提出了自密实混凝土的配制技术原则:粗骨料的体积占总固体体积的50%;细骨料占砂浆体积的40%;水胶比(体积比)取决于水泥的性质,根据胶凝材料性质调整,为0.9～1.0;超塑化剂的掺量和最终的水胶比依据拌和物的自密实性来决定,该方法适用于水胶比小于0.3及大掺量掺合料混凝土。Bui等[69]发展了考虑骨料间作用的浆体流变模型,他们认为对于SCC,浆体的特性至关重要,基于最小坍落流动度、最小表观黏度以及最佳流动度—黏度比三准则,通过浆体的流变特性预测SCC的性能是一种合理的方法。Saak等人[70]的浆体流变模型分别考虑骨料级配和浆体组成,再根据两者的关系进行自密实混凝土的配合比设计。Reinhardt[71]也将SCC看作由固体相的骨料和流体相的浆体组成的两相系统,通过考虑过量浆体的浆体流变模型进行配合比设计。Edamatsu等[72]日本学者提出了基于砂浆的变形及与粗骨料之间相互作用的配合比设计方法。Kasemsamrarm等泰国学者[73]基于自密实混凝土拌和物间隙通过性、抗离析性及流动性提出了设计方法。Sedran等[74]开发了基于混凝土拌和物各组分对自密实工作性贡献的可压缩密实模型。Oh等[75]提出了过剩浆体层厚度与屈服剪切应力、黏度系数经验关系的流变模型。瑞典水泥和混凝土研究院(CBI)[76]基于钢筋净距与粒径粒度比率和堵塞体积率之间的关系提出了自密实混凝土的配合比设计方法。

国内学者也提出了多种配合比设计方法。武汉工业大学的陈建奎[77]教授提出的全计算法是高性能混凝土的一种设计新方法。北方工业大学的姜德民、高振林采用定量设计方法,对高性能自密实混凝土进行配合比设计[78],可以推导出单方用水量和砂率的计算公式。但是计算所得的浆集比和砂率都偏低,很难满足自密实的要求,对自密实混凝土配合比的计算不适合。中南大学余志武等[79]提出了改进全计算法,它是结合固定砂石体积含量法对全计算法进行改进的基础上提出的,该方法的主要特点是:砂石计算引进固定砂石体积含量计算的方法,保留用水量计算公式,其计算公式及步骤简单,公式所代表的物理意义明确。天津大学吴红娟[80]提出了一种新的自密实混凝土配合比设计方法——参数法。参数法中主要有4个参数,分别是粗骨料系数α、砂拔开系数β、掺合料系数γ和水胶比,用来控制配合比中材料的质量。简易配合比设计方法由我国台湾国立云林科技大学所的苏南教授[81]提出。该方法简单易行,新颖独特。所设计出的混凝土砂率大而粗骨料及胶凝材料用量少,有利于提高拌和物的流动性和穿越钢筋间隙的能力,并且节约了成本,但是该方法只适用于配制中低强度的SCC[82]。浙江大学王海娜[83]在原材料的基础上建立了骨料比表面积计算方法以及富余浆量计算模型,该方法的创新之处是对富余浆量和骨料比表面积理论进行了研究,结合孔隙率、骨料的用量及比表面积建立了富余浆量计算模型。缺点是在实际的计算过程中,程序较为繁琐。

综上所述,目前已有的设计方法在综合反映混凝土工作性、强度等级及耐久性之间的关系或者是实用性等方面仍存在差距,目前还缺乏被广泛认同的自密实混凝土配合比设计方法。

1.2.1.3　制备技术

自密实混凝土制备技术的指导思想是在自密实混凝土的配制过程中,通过胶结材料、粗细骨料及外加剂的选择,以及合理的配合比设计使自密实混凝土的屈服应力足够小,并且同时具有一定的塑性黏度,在不出现离析、泌水等问题的情况下具有良好的流变性能。原材料的选择依据是,对于水泥的矿物组成对高效减水剂的适应性影响较大,一般C3A含量低,并且标准稠度用水量低的水泥更加适宜配制自密实混凝土;微细掺和料具有“微填效应”、“界面效应”、“活性效应”和“减水效应”等诸多效应,可以说,在现代混凝土中各种微细掺和料的应用是混凝土技术发展的核心和关键。微细掺和料可以大幅度降低新拌自密实混凝土的屈服应力,并且可以改善流变性能,降低水化放热量,还可以改善孔结构和力学性能,粉煤灰和矿粉是目前应用比较广泛的两种主要的微细掺和料;细骨料的选用原则是,形状和级配良好、含泥量低、细度模数在中砂范围内;粗骨料应该尽量减小针片状含量,并且控制石粉和黏土等杂质含量;自密实混凝土中用到的外加剂种类很多,在选用时要综合考虑这些外加剂的复合性能,减水剂宜选用与水泥相容性好、减水率大的聚羧酸系列;为了防止混凝土发生离析,还需加入增黏剂。随着各种高分子外加剂以及矿物掺和料在混凝土中的逐步应用,自密实混凝土形成了三大制备技术途径,即粉体体系、增黏剂体系以及两者并用体系[84-87]。化学外加剂对混凝土技术的发展起到了非常大的作用,在不久的将来,自密实混凝土技术将会取得更大的突破,得到更广泛的应用。

1.2.1.4　流变性能

按流变学理论[88],自密实混凝土拌和物基本符合宾汉姆流体模型,流变方程为:τ=τ0+ηγ,τ0由材料之间的摩擦力和附着力引起,是阻碍塑性变形的最大应力,支配了拌和物的变形能力,当τ>τ0时,混凝土产生流动。η是反映流体在各平流层之间产生的与流动方向相反的阻止其流动的黏滞阻力,它决定了拌合物的流动能力,当η越小,在相同外力作用下流动就越快。采用矿物质掺和料改善胶凝材料级配及高效减水剂增塑都可以降低η值,使混凝土拌和物达到自密实所需要的流动性。必须合理平衡屈服剪切应力值和黏度值,才能使其达到所要求的“自密实”。

为了测定自密实混凝土流变性能的参数,目前已开发了不同的混凝土流变仪,但是还没有标准仪器和标准方法。Ferraris、Brower和de Larrard[89-91]通过试验对比了不同试验装置所测得的流变特性参数,发现它们之间存在统计意义上的关系,但绝对值明显不同,用不同流变仪测同一组混凝土的屈服应力其绝对值不同,表明经验公式对混凝土流变仪的种类具有依赖性。可见,不同流变仪测得的参数并没有可比性[92]。因而,为了深入认识自密实混凝土的流变性能,必须开发具有普适性的混凝土流变仪。自密实混凝土与普通混凝土相比,拌和物的流变性能要求更高,并且混凝土体系相对砂浆、净浆体系更为复杂,必须合理平衡屈服剪切应力值和黏度值,才能使其达到所要求的“自密实性”。由于混凝土测试固有的复杂性,大部分学者从侧面对砂浆、净浆体的流变性能进行研究[93-96]。目前,有关自密实混凝土拌和物的流变参数与宏观工作性参数之间的关系等方面的研究成果还很少,并且对于满足自密实性能的屈服应力与黏度值的取值范围也不太清楚,仅仅在Sedran等[74]的论文中有一些介绍,认为黏度和屈服应力分别不大于200Pa·s,400Pa时,拌和物具有良好的流动性。总的来说,采用流变参数来指导工程实践还存在明显的差距,其实用性需要进一步研究。但无论如何,采用黏度和屈服应力这两个流变参数能全面表征混凝土拌和物的流变特性,具有较强的理论意义。

1.2.1.5　工作性能及其评价方法

随着自密实混凝土应用领域的拓展,其工作性能的检测方法及其评价指标逐步成为研究的焦点,为了对实验室及工程应用中自密实混凝土的工作性能进行评价,人们提出了多种测试方法。1998年由日本土木工程师学会组织发行了《高流动混凝土指南》,提出了坍落扩展度、T500、U形箱、V形漏斗等测试方法。2002年2月,欧洲EFNARC[97]组织制定发行的《自密实混凝土规范与指南》除了以上几种测试方法,还增加了Orimet流速仪、J环试验、L形箱试验、GTM稳定性筛分等实验方法。2005年5月由BIBM、CEMBUREAU、EFCA、EFNARC和ERMCO联合发行[98]的《欧洲自密实混凝土指南》进一步增加完善了测试方法,自密实混凝土的测试方法增加至十几种。2006年我国也制定了行业标准《自密实混凝土应用技术规程》(CECS 203:2006)[99]提出了几种自密实混凝土的测试方法。Bartos等[100]对现有的各种测试方法进行了综合整体评价,但是,这些测试方法大部分仅仅来源于实验室的测试结果,并没有经受大规模和广泛的工程实践的考验,因此,这些测试方法还带有明显的局限意义。关于自密实混凝土的工作性能测试,国内外至今尚无统一的标准,基于试验室或是现场检测的方法目前有数十种之多,用这些方法可以进行配合比设计和现场质量检验,但却难以用一种方法来全面反映拌和物的工作性能,一般都需要两种或两种以上方法来评价流动性、填充性、抗离析性和间隙通过性[101]。已有的测试方法对于评价充填性和间隙通过性效果较好,但是对于抗离析性能的测试仍需要商榷和进一步改进,已有的这些测试方法目前只能反映静态情况或仅能反映在局部空间内的竖向运动,不能全面地模拟实际情况。因此,开发更加科学化、标准化、实用化的工作性能测试方法是这一研究领域追求的目标。

1.2.1.6　硬化性能

1.力学性能

对于自密实混凝土力学性能的研究与普通混凝土的研究方法基本一致,研究的内容基本上也是抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度及弹性模量等。Persson[102]的研究表明,在水胶比相同的条件下,自密实混凝土的抗压抗拉强度与普通混凝土相似,强度等级相同的自密实混凝土的弹性模量与普通混凝土的相当。Zhu等[103]通过模拟足尺寸自密实混凝土构件,实验研究表明,普通振捣混凝土构件的强度离散性要大于自密实混凝土,自密实混凝土表现出良好的匀质性。Holschemacher等[104]通过拔出实验表明,由于自密实混凝土明显地改善了钢纤维与基体之间的界面结构,使得其黏结行为明显好于普通混凝土的情况。大连理工大学和中南大学铁道学院[105,106]分别配制了从SCC20～SCC180强度等级的免振高性能混凝土,并对其抗压强度、抗折、劈裂抗拉强度、弹性模量进行了试验研究。中南大学铁道学院和福州大学[107,108]分别对自密实混凝土的黏结锚固性能进行了研究。福州大学和中南大学铁道学院[109,110]对自密实钢筋混凝土梁受剪及受弯性能分别进行了试验研究,得出了相同的结论,自密实混凝土和普通混凝土的抗弯性能并无区别。

2.长期耐久性能

从现有文献看,目前对于自密实混凝土耐久性能的研究主要包括对抗冻性、抗碳化、抗渗性和收缩性能的研究等。Gram和Hela等[111,112]的研究结果表明,不管是引气或非引气自密实混凝土在相同条件下均具有更高的抗冻融性能。Poppe等[113,114]研究表明,自密实混凝土中氯离子的渗透深度小于普通混凝土,同时还研究了密封和非密封条件下,不同自密实混凝土的收缩与徐变性能。结果表明,自密实混凝土的水灰比是影响其收缩、徐变的主要因素。水泥强度等级虽然对其收缩无影响,但是不可忽视其对自密实混凝土基本徐变和干燥徐变的影响作用。此外,环境条件对自密实混凝土的徐变影响显著[115]。一般而言,自密实混凝土采用低水胶比和较大掺量的矿物掺和料等合理的配合比设计,其体积稳定性可以得到较好的控制。

3.微观结构

对于微观结构的研究,目前主要包括对孔结构及界面过渡区的研究。Ye等[116]比较了自密实混凝土、普通混凝土及高性能混凝土的微观结构。结果表明,自密实混凝土的孔径分布、总孔隙率、临界孔径与高性能混凝土相似;而自密实混凝土中的氢氧化钙含量明显不同于普通混凝土和高性能混凝土。自密实混凝土的耐火性能比高性能混凝土差,掺入聚丙烯纤维后,能够提高其抗火性能,改善受火后的微观结构[117]。Zhu等[118]的研究表明,自密实混凝土中基体与骨料界面过渡区的宽度为30～40μm,与普通混凝土基本相同。自密实混凝土具有更为密实、均一的微观结构,这对于自密实混凝土的耐久性能具有重要意义。

1.2.1.7　自密实混凝土的应用

目前已研制成功的自密实混凝土种类有高强自密实混凝土[119]、建筑自密实混凝土[120]、预制轻质自密实混凝土[121]、大体积自密实混凝土[122]、自密实钢纤维混凝土[123]、补偿收缩自密实混凝土[120]、再生骨料自密实混凝土[124]及“三明治”自密实混凝土[125]。圣马力诺世贸中心采用了高强自密实混凝土,28d抗压强度为95MPa,美国西雅图双联广场是至今为止自密实高性能混凝土用于实际结构中强度最高的广场。该工程中由于采用了超高强的自密实高性能混凝土,降低了结构成本30%,这一工程是自密实高性能混凝土在重要结构工程上应用的杰出范例。明石海峡大桥是大体积自密实混凝土成功应用的实例,该桥的两个锚锭分别用了15万m3和24万m3强度为25MPa的自密实混凝土。该桥通过采用自密实混凝土施工新技术,使两个锚锭的施工从2.5a缩短到2a,缩短工期20%。此外,还有很多成功应用的典范。经过十几年的发展,日本、英国、德国、加拿大和美国等国已经普遍使用自密实混凝土,在这些国家自密实混凝土的使用量已占混凝土全部产量的30%～40%。自1993年以来,我国的研究机构也越来越关注自密实混凝土方面的研究,如清华大学、中南大学、原重庆建筑大学和武汉理工大学等相继开展自密实混凝土的配制和性能等研究。随着自密实混凝土研究的进展,自密实混凝土也逐步应用于各种工程中。实践表明,自密实混凝土的力学性能与普通混凝土相似,而其匀质性、耐久性能则明显优于普通混凝土,这为自密实混凝土应用的进一步拓展奠定了坚实基础。显然,自密实混凝土的应用潜力非常巨大。

1.2.2　存在的问题

从以上自密实混凝土的研究现状来看,自密实混凝土在实验研究和工程应用方面都取得了很多成果,而自密实混凝土技术在高速铁路中的应用始于中国,京津城际客运专线、武广客运专线以及京沪高铁将自密实混凝土用于板式轨道道岔板的施工,但板式轨道大量使用自密实混凝土只是在成灌高铁工程。目前,关于充填层自密实混凝土的研究还相对滞后,针对高铁工程充填层这种特殊结构的研究也刚刚起步,表现在对长时间的保坍性、充填性、界面性能、体积稳定性及耐久性能等方面的研究报告、文献及专利比较少,同时对充填层自密实混凝土的性能要求还没有形成统一的认识与规范。伴随着我国高速铁路建设步伐的加快,其应用需求将进一步加大。

1.2.2.1　不能达到长时间长距离灌注要求的工作性能

由于高铁施工的现状,搅拌站一般都位于确定的地点,如图1-9(a)所示,而高铁的施工地点,一般都是在设定的线路上呈线性分布,如图1-9(b)所示,对于施工而言,就存在点线运输距离的不确定性,又由于无砟轨道充填层自身的体积,决定了灌注时所需的方量不大,但是却耗时较长,如图1-9(c)所示,不像大体积工程那样,一次浇筑量大耗时却比较短。因此,对于这种特殊结构的工程,对自密实混凝土的可工作时间要求就比较严格,自密实混凝土需要具备2～3h以上超长时间工作性能,目前在实际施工中存在混凝土的保坍性能一般是1～2h,当时间过长,就会出现图1-9(d)所示的情况,这样,不但浪费了原料,而且也会使施工工期延长。

1.2.2.2　密闭大面积薄板空间充盈性差

CRTSⅢ型板充填层是一种密闭大面积薄板空间结构,厚度为100mm,在这个100mm的空间结构中还包含了上层轨道板上预制的两排门型钢筋,如图1-10(a)所示;下层带钢筋笼的凹槽及土工布以及中间层的钢筋焊网,如图1-10(b)所示,由于结构的特殊性,CRTSⅢ型板结构在三维方向上对混凝土的流态化提出了严格的要求,拌和物需具备极佳的充填性能,自密实混凝土需要具备合适的黏度及流动性,以便在大摩擦阻力的情况下,通过一个100mm的口径向长宽分别为5350mm和2500mm的空间均匀扩散,在水平方向上,边壁需充填饱满,在纵向上,不能产生过高的上浮力而使压紧调平装置失效,在实际施工工程中,如果拌和物的流动性能不合格,就会出现如图1-10(c)、(d)所示的情况,边角不密实,或者是上板不密实,如果拌和物充填不饱满,则会给行车安全造成很大的隐患。

1.2.2.3　轨道板与自密实混凝土界面稳定性差

为了满足高铁的行车舒适和安全性需求,适应高频率荷载的长期运行的服役环境,要求达到精密制造的水平,界面高差需控制在0.3mm以内,连带着对界面层的要求就较高,界面层不能有浮浆产生,并且表面气孔率不大于整板面积的2%,对于开放式的空间结构,表层气泡的排出比较容易,但是针对这种薄板密闭空间在灌注过程中气体的排出就比较困难,在实际灌注过程中,很容易出现如图1-11(a)、(b)所示的情况,表面产生很大的气泡,严重时,会出现浮浆层。浮浆层的出现,在高频率的荷载作用下同样会对列车的行车安全性产生极大的危害。

1.2.2.4　体积稳定性差及耐久性不能保证

随着水泥和混凝土技术的发展,混凝土工程中出现了相当普遍的早期开裂现象。早期指的是混凝土或钢筋混凝土结构在使用荷载作用前,甚至在拆模后就出现了裂纹[126]。混凝土的劣化主要是由于其开裂而导致耐久性破坏,而混凝土的开裂,从变形性能上说是由于混凝土的收缩或局部膨胀引起的,从另一方面说,取决于混凝土自身组成材料及其所处的环境。在自密实混凝土灌注结束后,会出现图1-12(a)、(b)所示的情况,自密实混凝土充填层本身开裂或者自密实混凝土与轨道板产生离缝,裂缝的产生会对充填层的质量产生极大的影响。

混凝土的耐久性,就是在预期的使用年限内,混凝土材料在可预见的使用环境下,保持其良好行为和优良性能的能力。混凝土材料破坏所引起的修理和更换费用在整个施工预算中占有很大的比例,现在工业发达国家占建筑工业总投资40%以上的费用用于现有结构的维护和修理,而只有60%以下的费用用于新设施的建设。同样对于充填层材料,为了减少高铁的使用维修费用,充填层材料需要有高的耐久性和使用寿命。而以上在施工灌注过程中所出现的情况,都对耐久性产生不良的影响。

1.2.2.5　施工工艺不成熟

在最初的施工灌注过程中,由于还处于摸索阶段,未形成成套的灌注施工工艺和设备,往往会产生图1-13(a)、(b)所示的情况,由于灌注高差过大,压紧装置失效,从而使侧板移位,导致充填层灌注失败,需要重新安装模板,进行精调,重新灌注。