摘 要

传统自密实混凝土胶凝材料含量较高，容易对环境造成污染，同时细骨料一般为天然河砂，天然河砂作为短期不可再生资源，过量使用也会对环境造成破坏。本文结合广西地区材料的特点，采用体积法设计机制砂自密实混凝土，通过对粗骨料体积率最大化、砂体积率优化、大粒径骨料掺量优化使性能和经济效益最大化，同时降低对环境的负荷。

研究结果表明机制砂生态自密实混凝土的工作性能随着粗骨料体积率的上升而下降，随着砂体积率的增加，先增加后下降，掺入大粒径骨料会使混凝土的工作性能下降。抗压强度和静弹模量随着粗骨料体积率、砂体积率的增加都会出现峰值，粗骨料体积率0.36时，砂体积率为0.42时，力学性能最佳。机制砂自密实混凝土中大粒径骨料掺量为4%~6%时，力学性能达到最佳。机制砂生态自密实混凝土的收缩性能和抗渗性能都要优于常规自密实混凝土。

最终设计出粗骨料体积率为0.36，砂体积率为0.42，大粒径骨料掺量4%，粉煤灰掺量20%，粗骨料级配3:7的机制砂生态自密实混凝土配方。其坍落扩展度达到620mm，T₅₀₀测试时间为5.34s，间隙通过性为15mm，H2/H1为0.9，28d强度达到65.3MPa，静弹模量达到47.1GPa，强度等级达到C50标准。相比于项目部原C50普通混凝土每方节省9元左右，具有较好的经济效益。

关键词：自密实混凝土；机制砂；工作性能；力学性能；耐久性能；工程应用

Abstract

The content of traditional self-compacting concrete cementitious materials is high, and it is easy to pollute the environment. At the same time, the fine aggregates are generally natural river sands. Natural river sands are used as short-term non-renewable resources, and excessive use will also cause damage to the environment. Combining the characteristics of materials in Guangxi, this paper adopts the volume method to design self-compacting sand with mechanism. Through maximizing the volume ratio of coarse aggregate, optimizing the sand volume rate, and optimizing the size of aggregates with large grain sizes, the performance and economic benefits are maximized. Reduce the load on the environment.

The results show that the performance of the mechanical sand self-compacting concrete decreases with the increase of the volume fraction of coarse aggregates, increases first and then decreases with the increase of the volume fraction of the sand, and the workability of the concrete will be mixed with large-diameter aggregates. decline. Compressive strength and static modulus of elasticity will appear with the increase of the volume fraction of coarse aggregate and the volume ratio of sand. When the volume ratio of coarse aggregate is 0.36, when the volume ratio of sand is 0.42, the mechanical properties are the best. The self-compacting concrete of mechanical sand has better shrinkage and impermeability than conventional self-compacting concrete.

The final designed volume of coarse aggregate was 0.36, sand volume rate was 0.42, large particle size aggregate amount was 4%, fly ash content was 20%, and coarse sand aggregate grading 3:7 was used as the mechanism sand ecological self-compacting concrete. formula. Its slump expansion reaches 620mm, T500 test time is 5.34s, gap passability is 15mm, H2/H1 is 0.9, 28d strength reaches 65.3MPa, static modulus of elasticity reaches 47.1GPa, and strength grade reaches C50 standard. Compared with the original C50 concrete of the project department, each party saved about 9 yuan, which has good economic benefits.

Keyword：self-compacting concrete, manufactured sand, working performance, mechanical properties, durability, engineering application

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1.自密实混凝土 1

1.1.1.自密实混凝土国内外研究进展 1

1.2.选题的背景和意义 2

1.3.研究的内容和方法 3

1.3.1.研究的内容 3

1.3.2.研究的方法 3

第2章 原材料与试验方法 5

2.1.原材料 5

2.1.1.胶凝材料 5

2.1.2.细骨料 6

2.1.3.粗骨料 7

2.1.4.外加剂 7

2.1.5.试验用水 7

2.2.试验方法 7

2.2.1.原材料性能测定试验方法 7

2.2.2.自密实混凝土工作性能测定试验方法 7

2.3.3.自密实混凝土硬化后性能指标测试方法 9

第3章 机制砂生态自密实混凝土材料设计 10

3.1.设计方法 10

3.2.配合比 11

3.3.工作性能优化设计 12

3.3.1.粗骨料体积率对机制砂自密实混凝土工作性能的影响 12

3.3.2.砂体积率对自密实混凝土工作性能的影响 15

3.3.3.大粒径骨料掺量对自密实混凝土工作性能的影响 18

第4章 机制砂生态自密实混凝土硬化后各项性能研究 21

4.1.机制砂生态自密实混凝土力学性能研究 21

4.1.1.粗骨料体积率对机制砂自密实混凝土力学性能的影响 21

4.1.2.砂体积率对机制砂自密实混凝土力学性能影响研究 22

4.1.3.大粒径骨料掺量对机制砂自密实混凝土力学性能影响研究 24

4.2.机制砂生态自密实混凝土耐久性能研究 26

4.2.1.机制砂生态自密实混凝土干缩性能对比研究 26

4.2.2.机制砂生态自密实混凝土氯离子渗透性能对比研究 27

第5章 机制砂生态自密实混凝土工程应用与经济效益 28

第6章 结论 30

致谢 31

参考文献 32

第1章 绪论

1.1.自密实混凝土

自密实混凝土（Self-Compacting Concrete，简称SCC）是一种重点强调工作性的高性能混凝土，也称免振捣混凝土，是由日本东京大学教授Okamura在1986年提出的，旨在提高混凝土结构密实度和耐久性，同时减少混凝土施工对技术人员的依赖，加快施工进度^[1] 。Okamura在1988年第一次制备出自密实混凝土，1995年给出了自密实混凝土的设计原理模型，他们认为可以通过减少骨料比例、增加胶凝材料用量、使用超塑化剂来实现混凝土的自密实性能^[1]。其自密实过程如图1.1所示，胶凝材料与细骨料形成砂浆，砂浆中堆积着粗骨料，在重力作用下，砂浆带动骨料一起流动，填充满整个钢筋结构并达到密实效果，因此自密实混凝土必须拥有足够的流动性能、优良的间隙通过性能、强大的抗离析能力^[2]，而且由于其较普通混凝土有较高的胶凝材料含量，浆体富余较多，强度一般不低。

图1.1 自密实过程

日本也是率先将自密实混凝土应用于实际工程的。例如20世纪跨度最大（主跨1991m）的悬索桥—明石海峡大桥的两个锚锭分别使用了15万方和24万方强度等级为C25的自密实混凝土，自密实混凝土的应用使得施工时间从两年半缩短到两年，施工效率加快了20%^[3]。大阪天然气公司利用12000立方自密实混凝土修建了直径大于80m的液化天然气池，自密实混凝土的应用使得工期缩短了4个月，操作工人减少到50人，相当于普通混凝土生产的人工的1/3。神户隧道沉管隧道夹层，普通混凝土很难填充到夹层钢板，而浇注自密实混凝土就可以达到目的。如果没有自密实混凝土技术这些工程能否完工都是问题，充分证明了自密实混凝土的优良性能，发展这项技术是大势所趋。

1.1.1.自密实混凝土国内外研究进展

冰岛雷克雅未克大学教授Wallevik O H^[4]于2009年提出生态自密实混凝土概念，要求粉体含量不能高于315kg/m³。西班牙学者Carro-López D^[5]研究了自密实混凝土的流动性经时损失随再生细骨料含量的变化，以坍落扩展度、J环和L型仪等工作性能为指标，验证了50%以上的细骨料取代率会导致90min之后自密实混凝土丧失流动性，随着细骨料含量提高，自密实混凝土的工作性能下降。Mostafa J^[6]对比研究了掺F类粉煤灰、纳米SiO₂、硅粉自密实混凝土的性能，发现可以用火山灰活性材料代替部分水泥而不改变自密实混凝土的工作性能。Mo K H^[7]等将废弃的油棕壳制成轻骨料，细骨料采用机制砂，用部分矿渣取代水泥，制备出的自密实混凝土强度和收缩能够媲美常规自密实混凝土。Prakash N^[8]利用机制砂代替河砂，采用颗粒填料的方法对粉末和骨料组合进行了优化，在简单的实证检验的基础上，优化了化学掺合剂(超塑化剂、粘度改性剂)制备出符合低、中等强度的自密实混凝土。Carro-López D^[9]等人采用机制砂(0%、20%、50%和100%)和天然粗骨料混合设计出一种等效砂浆，但是其力学性能会有所降低。

我国的自密实混凝土发展也是紧跟世界步伐的，各大高校都在研究如何使用机制砂替代天然河砂配制符合要求的自密实混凝土。2007年，同济大学蒋正武^[10]等对河砂经验配比进行了修正，得到机制砂自密实混凝土配方，降低粗骨料的粒径，同时增加外加剂掺量，制备出C50机制砂自密实混凝土，扩展度达到600mm。武汉理工大学李北星^[11]教授等复掺膨胀剂和磨细矿渣制备出C60机制砂自密实混凝土，胶凝材料用量535kg/m³，扩展度能达到650mm以上。贵州工业大学冯贵芝^[12]采用了贵州地区的材料（包括水泥、粗骨料、机制砂、粉煤灰、矿粉等）配制自密实混凝土，耐久性能和工作性均能符合自密实混凝土的基本要求，但相比于河砂略低。这些都为机制砂生态自密实混凝土的开发提供了宝贵的经验，并加速了河砂资源匮乏地区建设工程的进步。

1.2.选题的背景和意义

随着经济的发展和社会的进步，传统的混凝土已不能完全满足建设的需要，人们迫切的需求工作性能更好、强度更高、耐久性更优异的高性能混凝土。自密实混凝土就是其中的一类高性能混凝土。自密实混凝土的发展极大简化了混凝土的施工工艺，节省了人力，节约了人工成本，减少了振捣所产生的电耗以及噪声污染，并且在某些钢筋密集、结构复杂区域，自密实混凝土能够显著减少这些区域的缺陷^[13]。虽然自密实混凝土工作性能优异，但是相比传统的混凝土，其需要更多的胶凝材料作为保障。比如普通的C50混凝土每方用的胶凝材料大概在480kg/m³，而相同标号下的自密实混凝土需要的胶凝材料却达到550 kg/m³左右，相比之下，每方多达70kg/m³。胶凝材料中，水泥占了大部分的比例，作为混凝土的主要原材料，水泥的生产无可非议是一个高能耗、高排放的产业，带给人们利益的同时也给环境带来了沉重的负荷。另一方面目前配制自密实混凝土的主要是天然砂中的河砂，河砂作为一种短时间内不可再生的资源，已经慢慢枯竭，长时间的开采使得河道改向，地形塌陷，土壤流失，对河流生态系统造成极大的破坏。所以应用机制砂配制自密实混凝土是减少经济和环境损耗，践行绿色可持续发展的必由之路^[14-15]。

1.3.研究的内容和方法

1.3.1.研究的内容

（1）粗骨料体积率设计

根据《JGJT 283-2012 自密实混凝土应用技术规程》规定，普通自密实混凝土的粗骨料体积率在0.31~0.35左右，要提高SCC中粗骨料含量实现其生态性，粗骨料体积率有必要达到0.35以上，所以初步设计粗骨料体积率为0.33、0.35、0.36、0.37、0.38五个参数。

（2）砂体积率设计

由于机制砂颗粒形貌会阻碍流动性，其砂体积率对自密实混凝土整个体系的工作性能有重要的影响，本试验拟定砂体积率为0.41、0.42、0.43、0.44、0.45五个值。

（3）大粒径骨料（20-30mm）掺量优化设计

虽然大粒径（＞20mm）骨料的存在对混凝土工作性能有着不利的影响，但是对体系骨架的建立有着至关重要的作用，可以使整个混凝土体系级配更加合理，更加密实，对力学性能的提高也有帮助。因此可以寻找一个最佳的大粒径骨料的掺量，使得对自密实混凝土工作性能影响不大的前提下，对其他的性能有所提高。初步设计大粒径骨料掺量为0、2%、4%、6%、8%、10%六个参数。

（4）机制砂生态自密实混凝土工作性能测试

自密实混凝土的工作性主要表现在流动性、填充性和间隙通过性等，测试的项目主要包括坍落扩展度、J环扩展度、T₅₀₀、V型漏斗等测试。

（5）硬化后机制砂生态自密实混凝土力学性能与耐久性能测试

力学性能测试包括7d强度、28d天强度、静弹模量，耐久性能测试包括氯离子渗透、收缩试验等。

1.3.2.研究的方法

本文的研究方法如图1.2所示，通过对粗骨料体积率最大化、大粒径骨料掺量优化、砂体积率优化等手段制备机制砂生态自密实混凝土，对比分析后确定最佳配比，将其与实际工程相结合进行经济效益分析。

是

否

工作性能

力学性能

耐久性能

工程应用

经济效益评价

机制砂生态自密实混凝土

粗骨料体积率

大粒径骨料

砂体积率

材料设计

骨料优化

浆体优化

图1.2 技术路线图

第2章 原材料与试验方法

2.1.原材料

2.1.1.胶凝材料

在混凝土中，胶凝材料是最重要的组成部分，主要起着胶结骨料的作用，是混凝土能够成型和形成强度的保障。本试验用的胶凝材料为华新堡垒牌P.O 42.5水泥和广西地区的Ⅱ级粉煤灰。水泥的物理性能和化学组成见表2.1和表2.2，粉煤灰的物理性能和化学组成见表2.3和表2.2。样品图见图2.1。

表2.1 水泥基本物理性能

表2.2 胶凝材料基本化学组成

表2.3 粉煤灰（FA）物理性能指标

图2.1 Ⅱ级粉煤灰试样 图2.2 机制砂试样

2.1.2.细骨料

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