自密实混凝土（SCC）设计要求和塑性收缩|塑性|桥面板|混凝土|设计要求|速度|钢筋|骨料

讲座讨论了自密实混凝土 (SCC) 的概念，以及 SCC 的各种新鲜状态和硬化状态特性。还详细讨论了确保 SCC 流动性的设计要求。讲座简要介绍了 SCC 的各种应用及其施工相关的挑战。塑性收缩和离析是 SCC 施工中的潜在问题。还详细解释了确保 SCC 混合物的流动性、通过能力和离析潜力的各种实验室测试。

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引言今天我们将开始一个关于自密实混凝土的新话题。上一章详细介绍了高强度混凝土以及开发高强度混凝土所需的配合比设计方法。自密实混凝土也需要了解如何优化颗粒成分的堆积，以及如何设计浆体的流变性以确保混凝土系统的流动性。我们将首先定义什么是自密实性，然后讨论新拌混凝土的特性、自密实混凝土的设计思路以及硬化状态的讨论，因为从技术上讲，自密实混凝土在新拌状态下具有特殊性，但在硬化状态下与普通混凝土差别不大，最后还会有一些基于颗粒堆积和流变性的设计案例研究。

自密实混凝土是一种现在在建筑行业中广泛使用的技术。其理念是在混凝土自重下进行压实，无需外部振动。关于自密实混凝土的指南有很多。EFNARC指南大约在2005年或更早的时候发布，最后一个版本应该是在2005年。它提供了如何设计和测试自密实混凝土以用于施工的基本理解。

自那时以来，许多用于自密实混凝土的测试也被标准化，今天许多这些测试方法都已成为标准测试方法。那么，它与普通混凝土配合比设计有何不同？首先，你需要使用更优化的粒径分布，最好是比普通混凝土更小的粗骨料，因为你希望系统具有更好的流动性，但更重要的是系统中细料的存在。细料可以是惰性填料，也可以是水泥的补充胶凝材料，以增加胶凝成分的比例，从而提供自密实性。

这是普通混凝土和自密实混凝土之间的主要区别。通常，自密实混凝土中细骨料与粗骨料的比例也高于普通混凝土。在普通混凝土中，我们讨论的细骨料与粗骨料的比例大多是30:70或40:60，而在自密实混凝土中，细骨料与粗骨料的比例接近50:50。因为如果系统中有太多的粗骨料，会有很高的屈服应力。为了避免极高的屈服应力，你可以减少系统中粗骨料的比例，增加细骨料的含量。

自密实混凝土由于其流动性，可以实现其他混凝土无法实现的多种可能性。对于大多数具有复杂形状的特殊混凝土结构，自密实混凝土是当今的首选。例如，如果你有这样的结构，混凝土在流动时需要克服多个障碍，几乎不可能进行振动，自密实混凝土是一个非常好的选择。

实际上，在大多数情况下，如果你能设计出自密实的混凝土，它可以减少实际放置混凝土所需的能量。高工作性还确保你不会浪费太多时间修复由于工作性差而导致的缺陷，如蜂窝状结构等，这些问题在普通混凝土中经常发生。因此，可以说自密实混凝土是最适合满足建筑师需求的混凝土，尤其是那些设计了螺旋或螺旋楼梯等结构的建筑师，这些结构用普通混凝土很难实现。

在应用方面，传统混凝土在施工时，搅拌车将混凝土倒在这里，有人将混凝土耙到不同的位置，还有人在现场使用振动器。你可以看到现场有很多人。而在自密实混凝土中，你只需要一个人操作溜槽，将混凝土简单地倒入所需位置。在某些情况下，你只需在一个位置倒入混凝土，混凝土会流到模板的所有角落并自行压实，无需移动溜槽。因此，你可能不需要像传统混凝土那样多的工人。

在印度，L&T公司早在2001年就在其位于金奈的研发中心进行了自密实混凝土的开创性工作。这是他们用自密实混凝土完成的第一个模拟结构，他们在各个位置引入了挡板，在某些位置插入了管道，目的是在这里倒入混凝土，使其绕过所有这些障碍，然后从另一侧流出。他们只在一个位置倒入混凝土，直到整个结构填满，混凝土从另一侧流出。拆除模板后，他们发现这些位置都填充得很好。

当然，你可以看到有些位置混凝土根本无法到达，这在许多结构中是现实的可能性，尤其是今天我们在进行抗震加固设计时，钢筋的拥挤程度可能非常高，混凝土根本无法通过。因此，在设计混凝土时必须格外小心，确保放置混凝土的策略能够解决这个问题。即使在实验室规模的实验中也会出现这样的间隙，你可以想象在现实生活中会发生什么。

他们还在校园内建造的寺庙柱子中使用了自密实混凝土，获得了非常好的光滑表面和锐利的边缘。你可以在教科书、研究论文和互联网上找到许多著名的应用案例。

最早的应用之一是在日本，明石海峡大桥使用了大量的自密实混凝土。大阪的液化天然气罐墙也使用了自密实混凝土。日本是第一个使用自密实混凝土的国家，你可能会在文献中看到冈村的名字，他是日本科学家之一，最早在20世纪80年代提出了自密实性的概念。由于日本当时面临熟练工人的短缺，对混凝土的需求增加，因此在20世纪80年代末，自密实混凝土作为一个概念首次引入建筑行业。主要是因为日本当时面临熟练工人的短缺，因此需要一种无需多人干预即可自行工作的混凝土，这就是自密实混凝土的需求来源。

自那时以来，世界各地已经有许多项目使用了自密实混凝土。在印度，也有许多项目使用了自密实混凝土。今天，它几乎在许多基础设施应用中被常规使用。那么，挑战是什么呢？

我们已经讨论了流变学、高强度混凝土设计等许多概念，这些概念也将应用于此，但主要的挑战是你需要优化配合比设计以获得所需的新拌混凝土特性。你希望混凝土具有流动性，但同时不希望它发生离析。因此，你需要对流变性进行明智的控制，以确保在推动时流动性发生，但在混凝土静止时不发生离析。

所有这些内部结构的建立和通过施加应力（即泵送和推动混凝土）去除内部结构的概念，基本上直接适用于自密实混凝土。由于你只能通过在混合物中加入大量细料来获得流动性，因此系统中也有更高的开裂倾向。因此，在设计自密实混凝土时，抵抗新拌混凝土开裂是一个重要的考虑因素。当然，最终你需要获得适当的硬化混凝土特性，包括强度、弹性模量、耐久性等。

所有这些仍然需要实现，你需要满足自密实混凝土设计的结构需求，同时考虑这些特定的新拌混凝土特性。因此，自密实混凝土也可以被称为“足够复杂的混凝土”。为什么？首先，因为我们处理的混合物成分不常用，配合比设计通常是特殊的，混凝土搅拌必须正确进行，以确保高效减水剂的有效性。需要考虑流动保持性，例如在哈利法塔的例子中，自密实混凝土的特性需要在600米垂直高度的出料点获得，因此控制流动保持性需要许多特殊的混凝土施工策略。

运输也需要特殊处理，因为如果你以不正确的搅拌速度运输流动性混合物，可能会在搅拌车内引起离析。模板设计也需要特别注意，因为当你像倒水一样倒入模板时，接缝处会有大量泄漏，如果模板设计不好，会有显著的浆液泄漏。不仅如此，如果你有模板，并且填充的是像自密实混凝土这样液体的东西，模板上还会有静水压力。

我在现实生活中见过这种情况，我们尝试用自密实混凝土做一个约2米高的模拟结构，当我们开始填充混凝土时，模板侧面没有得到良好支撑，混凝土的压力太大，模板就倒塌了，混凝土直接流了出来。因此，设计模板非常重要。在普通混凝土中，混凝土只有在振动时才会移动，一旦静止，它会形成内部结构，不会对模板产生太大压力。但对于像自密实混凝土这样流动性强的材料，你需要注意这一点。

放置也需要特别注意，因为你希望在放置过程中避免离析。如果你从高处倒入这种流动性混凝土，会发生什么？它会开始分离。因此，我们有倒入高度的要求。现场通常遵循的倒入高度是多少？大约1.5米。如果从超过1.5米的高度倒入，流动性混凝土通常不会发生离析。如果超过这个高度，离析的可能性很大。在这种情况下，你需要采用特殊手段，如导管，以便你可以将导管推入钢筋之间，填充混凝土，然后向上移动。

我们在IIT Tirupati的建设中遇到了这个挑战。那里的建筑设计为清水混凝土，清水混凝土意味着拆模后就是最终表面，不需要额外的表面处理。因此，你需要获得具有非常好特性的混凝土，以确保表面没有明显的蜂窝状结构或气孔。混凝土必须完美无缺。

在这种情况下，他们在从高处倒入混凝土时遇到了一些困难。墙高约4.3米，最初的策略是从顶部倒入自密实混凝土，但他们发现这样做时，混凝土在边缘和底部附近没有得到适当的压实。然后他们采用了将一些钢筋推到中心，插入导管，然后在混凝土填充整个墙体时慢慢提起导管的策略，最终取得了非常好的效果。因此，你需要采用特殊的放置策略，以获得正常的硬化混凝土。

与其他硬化混凝土相比，它不会有任何不同，但由于你获得了出色的密实性，它的渗透性可能会比普通混凝土低。但这不是它的设计目的。我们总是假设硬化混凝土的特性是系统中水胶比的函数。水胶比越低，耐久性越好，水胶比显然也与强度有关。因此，你所做的所有特殊处理都是为了获得相对正常的混凝土。

这就是为什么自密实混凝土是足够复杂的。我们必须使用高剂量的高效减水剂。我们有时或大多数时候需要在系统中加入粘度改性剂（VMA）。为什么？因为我们希望混凝土静止时不发生离析，VMA在这方面非常有帮助。当然，我们需要使用不同类型的填料，以获得适合自密实的混凝土。

这就是自密实混凝土复杂性的一个方面。然后，自密实混凝土也可能是自裂混凝土。这显然是因为它含有大量细料，这些细料会增加在塑性阶段出现裂缝的倾向，即早期阶段。我们称之为塑性收缩。就像我们讨论硅灰时提到的那样，硅灰是一种极细的成分，会增加毛细管压力。这种毛细管张力的增加在干燥时会导致系统中出现大量裂缝。这是一个地铁项目的例子，混凝土的桥面板在浇筑后约一个月出现了严重的裂缝。为什么是一个月后？因为在此之前没有人检查过。裂缝可能在混凝土浇筑后3到6小时内出现，塑性收缩裂缝显然在混凝土生命的早期出现，可能在浇筑后1到1.5小时内就开始出现。

由于使用了大量细料，塑性收缩裂缝的可能性非常高。我们通常使用粉煤灰作为混凝土的成分，因为粉煤灰可以改善工作性，有利于自密实性。当你将这些材料与高剂量的高效减水剂结合使用时，混凝土的凝结速度会变慢。因此，混凝土在早期干燥阶段无法充分发展强度以克服开裂倾向。

这就是为什么我们希望在自密实混凝土铺设后立即保护它的原因。铺设、压实和完成后，我们需要保护表面不受蒸发的影响。为什么会发生塑性收缩？如果你记得我们最初的讨论，是因为混凝土中水分的蒸发速度超过了泌水上升到表面的速度。由于这些混合物中含有大量细料，泌水很少，因此表面可能没有得到保护。缓慢的凝结和大量的细料是塑性收缩的理想配方，特别是在低相对湿度和高风速的条件下进行施工时。

在这个项目中，施工工作是在8月进行的。8月在金奈并不是一个干燥的季节，当然也不是一个湿润的季节。其次，8月的温度通常在30摄氏度以上。为了避免这些问题，大多数情况下混凝土施工是在夜间进行的。因为夜间温度较低，蒸发速度较慢，工作性保持性也更好。在这种情况下，他们在凌晨3点开始铺设桥面板，但由于体积较大，实际施工延续到了上午9到10点。他们完成了表面处理后离开了现场，没有人检查发生了什么。

第二天他们回来开始正常养护，没有特别注意表面。养护工作由现场工人进行，他们开始浇水和养护。大约一个月后，他们注意到桥面板底部漏水，水从这些裂缝中涌出。你可以看到水从这些裂缝中滴落，那些白色斑点是什么？是从混凝土中浸出的氢氧化钙，暴露在空气中转化为碳酸钙。因此，你可以清楚地看到这些裂缝中发生了浸出。

这是最初分享的照片，他们希望我们来检查。当我们到达桥面板时，发现桥面板有显著的裂缝，这些裂缝随着时间的推移延伸到了底部。这是危险的，因为表面裂缝不一定会延伸很多，但在这种情况下，裂缝至少在某些位置延伸到了底部，水能够涌出。因此，这需要处理，虽然不是结构问题，因为结构上混凝土很强，钢筋可以承受弯曲，但裂缝会严重影响耐久性。

在我们参与的其他项目中，防止自密实混凝土开裂的措施是确保在铺设后立即有一组工人在现场。当裂缝出现时，用木抹子轻轻擦拭表面，裂缝就会消失。这需要在裂缝容易出现的初期（大约2到3小时）积极进行，裂缝会消失。另一种策略是在铺设和完成表面后立即用塑料薄膜覆盖表面，防止蒸发。

在我们建设NAC2大楼时也遇到了这个问题。在NAC2的下层板中，结构有很大的板。这是建筑的前部，建筑大致呈L形。他们在这里放置了一辆混凝土车，从这里倒入混凝土，另一辆车在这里倒入，然后移动以确保整个板面覆盖。这个过程花费了几个小时。在下层板施工时，出现了大量塑性收缩裂缝，他们必须处理这些裂缝以确保长期不会出现问题。处理裂缝后，需要进行水池试验，看看水是否能通过裂缝。

当他们到达屋顶时，我们采用了策略，承包商在现场召集了至少20到30名工人，准备好木抹子，确保当裂缝出现时，他们会去擦拭。我们积极进行了这项操作，屋顶效果很好，没有出现裂缝问题。这是自密实混凝土，屋顶效果很好，没有出现裂缝问题。希望在建筑实际投入使用时也能保持这种效果，但无论如何，这项操作确实帮助显著减少了裂缝。

另一个可能发生的问题是塑性沉降。让我单独画一下。什么是塑性沉降？现在你有一个这样的板，顶部有钢筋。底部钢筋由于使用了保护块而得以保持。我们通过使用保护块来保持底部钢筋的保护层。对于顶部钢筋，我们通常不会正确测量保护层。我们假设提供了正确的保护层，但实际上并没有真正测量板中的顶部钢筋保护层。

在柱子中，钢筋保护层在所有侧面都能正确保持，但在板中情况并非如此。当我们使用高度流动的自密实混凝土时，骨料在混凝土仍处于塑性状态时会四处移动。例如，如果一块骨料在顶部某处，它可能会从钢筋顶部移到侧面，留下一个看起来像裂缝的间隙。因此，如果在自密实混凝土中使用高度流动的混凝土，可能会出现这种问题。当你看到板的顶部时，如果我看到板的平面图，钢筋所在的位置会出现裂缝。

这是塑性沉降的传统标志。混凝土在钢筋周围下沉，留下钢筋顶部的裂缝。混凝土存在的目的，即防止钢筋腐蚀，现在因为裂缝在钢筋顶部而失去了作用。因此，塑性沉降裂缝在自密实混凝土中可能是一个现实问题。我们的混凝土研究小组的Gettu教授在2005-2006年间用自密实混凝土建造了整栋房子。这可能是自密实混凝土在住宅建设中的第一个真正的大规模应用。

当时，他通过经验了解到高度流动的自密实混凝土存在塑性沉降裂缝的问题。他的许多问题出现在使用高度流动自密实混凝土的屋顶板上。从那时起，我们在IIT Madras图书馆外的冷却装置板中使用自密实混凝土时也注意到了同样的问题。我们使用高度流动的自密实混凝土时，出现了塑性沉降裂缝。这不是收缩，而是由于混凝土下沉引起的沉降。

你需要避免这种情况。如何做到这一点？你需要确保顶部保护层大于骨料尺寸。因为如果保护层大于骨料尺寸，骨料会稳定，否则骨料会下沉或移到侧面。但我们多久检查一次顶部保护层？并不是每次都能实际检查。因此，使用小骨料总是有帮助的，但更重要的是，当你开始处理板时，你需要将混凝土的流动性限制在不会引起这种问题的水平。

因此，选择流动性较小的混凝土用于板。我稍后会回到这一点，讨论如何为特定应用决定自密实混凝土的特性。

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