周 濟，陳宗平,2，唐際宇,3，陳宇良

（1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.南寧學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530200；3.中建八局廣西分公司，廣西 南寧 530004；4.廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 柳州 545006）

自密實混凝土（self-compacting concrete，SCC）作為一種高流動性能混凝土，在澆筑過程中無需振搗，依靠混凝土自身重力就可將支護模具填滿，防止混凝土由于振搗引起的離析和泌水[1]，這是近幾十年來混凝土材料最具有革命性的發(fā)展[2].隨著建筑高度的不斷攀升以及現(xiàn)代施工的不斷需求，混凝土泵送技術(shù)應(yīng)運而生，為高層建筑的高效快速施工提供了保障[3].據(jù)世界高層建筑與都市人居學(xué)會（CTBUH）統(tǒng)計，目前，全球范圍內(nèi)在建及已建成超400 m的高層建筑為54座，已設(shè)計尚未施工的達到了59座且數(shù)量仍在不斷增加，工程材料與施工技術(shù)的共同革新為建筑行業(yè)的發(fā)展提供了不竭的動力.一方面，超高層建筑泵送SCC解決了高層建筑因配筋復(fù)雜且配筋量大導(dǎo)致的工程施工時振搗困難、施工質(zhì)量難以保證等問題；另一方面，泵送可連續(xù)不斷地供應(yīng)混凝土拌合物，提高施工效率，縮短施工時間[4].

SCC因其工作性要求具有較低的水膠比及較高的漿體含量，因此，硬化后SCC的性能與普通混凝土表現(xiàn)出明顯差異.對于SCC的抗壓強度、彈性模量和收縮徐變性能，文獻[5]的研究結(jié)果表明：隨著SCC漿體含量的增多，其抗壓強度、彈性模量以及抗裂阻力均有所增長，混凝土的收縮變形量也隨之增大，且混凝土脆性增大，開裂齡期提前.Zhao等[6]針對SCC的斷裂力學(xué)性能進行了試驗研究，結(jié)果表明：SCC的斷裂韌度明顯小于振搗混凝土的.近年來，一些學(xué)者[7-8]針對再生骨料SCC力學(xué)性能的研究結(jié)果表明，再生骨料的含量限制在50%內(nèi)可以配制具有良好性能的再生骨料SCC.此外，由于SCC作為一種高性能混凝土，往往會加入多種摻合料，導(dǎo)致其擁有比普通混凝土更加優(yōu)良的抗?jié)B性能[9].為了滿足泵送要求，混凝土往往要具備易于流動、均質(zhì)性、不離析、不泌水、阻力小[10]的特點.泵送SCC亦是如此，這些特征使得泵送SCC在原材料以及配合比設(shè)計上與普通混凝土存在明顯差異，而且超高層建筑泵送SCC在泵送過程中性能的變化也將對其未來的工作性能產(chǎn)生一定程度的影響.

綜上所述，超高層建筑泵送SCC在工作性能、力學(xué)性能以及耐久性能方面均與普通混凝土存在較大差別.由于混凝土的性能直接影響到工程質(zhì)量及后期服役狀態(tài)，因此，有必要開展關(guān)于超高層建筑泵送SCC短期內(nèi)力學(xué)性能時變規(guī)律的研究，特別是施工期內(nèi)的性能變化規(guī)律，揭示其內(nèi)在本質(zhì)將會為超高層建筑的施工階段力學(xué)分析理論的建立提供重要支撐和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有十分重要的研究意義.對于泵送高度超400 m的短齡期泵送自密實混凝土的力學(xué)性能時變規(guī)律研究目前尚屬空白.鑒于此，本文依托中建某局某超高層寫字樓項目（403 m），采用泵送高度超400 m的工程實用SCC制作了96個圓柱體件和24個立方體試件，在短齡期下進行了軸心抗壓、彈性模量以及劈裂抗拉試驗，研究了不同強度等級超高層建筑泵送SCC各力學(xué)性能指標(biāo)隨齡期增長的變化規(guī)律，并提出了相應(yīng)的計算公式，為該類超高層建筑施工階段的安全評估以及長期監(jiān)測提供參考.

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗采用工程同期實用超高泵送高性能SCC，設(shè)計強度為C30和C60，其中，膠凝材料為海螺牌P?O42.5普通硅酸鹽水泥，粗骨料為優(yōu)質(zhì)天然碎石（C30混凝土粒徑為5 ～ 25 mm，C60混凝土粒徑為5 ～ 20 mm），細骨料為優(yōu)質(zhì)河砂和碎石機制砂，摻合料包括礦粉、粉煤灰和硅灰，外加劑選用聚羧酸（PCA），拌合用水采用城市自來水.該批次混凝土施工現(xiàn)場實測坍落度為270 mm，擴展度大于550 mm，混凝土具體配合詳見表1.

表1 泵送SCC配合比Tab.1 Mix proportion of the pumped SCC

1.2 試件設(shè)計與制作

為達到揭示超高層建筑泵送SCC力學(xué)性能隨時間推移變化規(guī)律的目的，本研究以混凝土齡期為主要試驗參數(shù)，對該類型混凝土一年齡期內(nèi)（包括3、7、14、28、60、90、180、360 d）的基本力學(xué)性能進行了系列試驗測試.由于本研究所使用的SCC為工程實用混凝土，根據(jù)工程澆筑實況，所有試件分兩批制作完成.其中，第一批試件采用強度等級為C30的高性能SCC，制作了48個圓柱體試件（150 mm ×300 mm），第二批試件采用強度等級為C60的高性能SCC，制作了48個圓柱體試件（150 mm × 300 mm）以及24個立方體試件（150 mm × 150 mm × 150 mm），所有試件在施工現(xiàn)場同批次免振制作完成.澆筑完成放置24 h后進行脫模，脫模后試件采用與工程實際一樣的養(yǎng)護方式（露天養(yǎng)護），到達設(shè)定的齡期后搬入試驗室進行加載.

1.3 試驗方法

考慮到國內(nèi)外采用不同的標(biāo)準(zhǔn)對混凝土力學(xué)性能進行測定，為了消除差異，本研究參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[11]附錄中的相關(guān)規(guī)定對設(shè)計試件進行基本力學(xué)性能測試，采用尺寸為150 mm ×300 mm的圓柱體試件進行混凝土軸心抗壓試驗和彈性模量試驗，采用尺寸為150 mm × 150 mm ×150 mm的立方體試件進行混凝土劈裂抗拉試驗，每組試驗試件數(shù)量均為3個.試驗采用中科院與SIMENS公司聯(lián)合生產(chǎn)的RMT-301進行加載，為獲取混凝土試件的軸壓荷載-位移曲線，對混凝土進行軸心抗壓試驗時采用位移控制的加載制度，加載速率為0.01 mm/s；混凝土彈性模量試驗和劈裂抗拉試驗采用力控制加載制度，加載速率分別為0.50 MPa/s和0.05 MPa/s，詳細規(guī)定見文獻[11].

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

依據(jù)圓柱體軸壓試驗獲取的荷載-位移曲線數(shù)據(jù)，采用式（1）、（2）轉(zhuǎn)化為應(yīng)力-應(yīng)變曲線，各齡期（T）超高層建筑泵送SCC的軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示.

圖1 軸壓試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curves of specimens under axial compression

式中：σ、ε分別為應(yīng)力和應(yīng)變；F為壓荷載；A為試件截面面積；ΔL和L分別為軸壓位移和試件高度.

由于本文混凝土強度等級定義依據(jù)的是立方體試件的相關(guān)規(guī)定，而圖1中呈現(xiàn)的是圓柱體試件實測的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，按照公式fc1= 0.8fcu轉(zhuǎn)換后的立方體抗壓強度值見表2.表中：fcu、fc1、Ec和ft分別為混凝土立方體軸心抗壓強度、圓柱體軸心抗壓強度、彈性模量和劈裂抗拉強度.

表2 各試件力學(xué)性能指標(biāo)Tab.2 Mechanical property indexes of each specimen

混凝土的實測強度均達到了設(shè)計強度，且C30試件的強度遠遠超過了設(shè)計值.圖1中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線是將每組3個試件的數(shù)據(jù)取平均值后繪制的代表曲線，由圖可見：隨著齡期的增長，超高層建筑泵送SCC的峰值應(yīng)力逐漸增大，由于本研究設(shè)計的是圓柱體試件，破壞時相較于棱柱體試件表面應(yīng)變分布更為均勻，且本研究使用的是高性能混凝土，因此，超高層建筑泵送SCC的峰值應(yīng)變值明顯大于0.002，這一點與已有相關(guān)研究結(jié)論相同[12].此外，試件軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段的斜率隨齡期的增長逐漸增大，表明混凝土的軸壓剛度逐漸增大.而曲線的下降段隨著齡期的增長呈現(xiàn)出更加陡峭的下降趨勢，表明混凝土的脆性隨著齡期的增長而變大.強度等級較高試件的曲線形態(tài)表現(xiàn)更為明顯且齡期更加靠前.

2.2 軸心抗壓強度

結(jié)合表2中的數(shù)據(jù)，繪制超高層建筑泵送SCC軸心抗壓強度隨齡期的變化趨勢如圖2（a）所示.

國內(nèi)外相關(guān)研究文獻中均提出了混凝土抗壓強度隨齡期增長的計算公式，其中，朱伯芳[13]提出的混凝土軸心抗壓強度計算式為

式中：fcu,28為28 d齡期混凝土抗壓強度；λ為與水泥品種有關(guān)的系數(shù)，對于普通硅酸鹽水泥，λ= 0.172 7.

Taerwe[14]提出的混凝土軸心抗壓強度計算式為

式中：s的取值與混凝土的種類有關(guān)，對于32.5R級普通硅酸鹽水泥，s= 0.25，對于42.5R級普通硅酸鹽水泥，s= 0.20.

利用式（3）、（4）算得的超高層建筑送SCC軸壓強度結(jié)果與實測結(jié)果的對比如圖2（b）所示.

由圖2（a）可見：隨著齡期的增長，混凝土軸壓強度的增大趨勢逐漸降低.通過分析可知，超高層建筑泵送SCC的早期強度發(fā)展較快，14 d時的強度已能達到28 d強度的80%左右甚至更高，這為超高層建筑的快速施工提供了保證.同時，超高層建筑泵送SCC在360 d時的強度約為28 d強度的1.2倍，后期強度也表現(xiàn)出良好的發(fā)展趨勢，這些優(yōu)良的性能均得益于混凝土中多種摻合料的引入.此外，各組試件軸壓強度的誤差分析表明混凝土的軸壓強度指標(biāo)較為穩(wěn)定.

圖2 軸心抗壓強度隨齡期的變化Fig.2 Variations of axial compressive strength with age

由圖2（b）可見：當(dāng)T> 28 d時，式（3）的計算結(jié)果普遍大于實測結(jié)果，且強度等級越高、齡期越長的試件兩種結(jié)果差異越明顯；式（4）的計算結(jié)果則可以較好地反映超高層建筑泵送SCC短齡期的強度變化，但當(dāng)T≤ 28 d時，計算結(jié)果大于實測結(jié)果，在兩種強度等級下均較為明顯，不能很好地反映短齡期內(nèi)超高層建筑泵送SCC的強度變化規(guī)律.因此，上述兩種計算方式均存在一定的不適用性，這是由于加入的多種摻和料對超高層建筑泵送SCC的各齡期軸壓強度產(chǎn)生了影響.

為此，本文基于實測結(jié)果并結(jié)合已有公式進行擬合，相對軸壓強度（各齡期下強度與28 d強度的比值）隨齡期變化規(guī)律的擬合結(jié)果與實測結(jié)果對比情況如圖3所示，得到超高層建筑泵送SCC抗壓強度平均值隨齡期增長的計算式為

圖3 相對軸壓強度隨齡期變化的擬合結(jié)果Fig.3 Fitting results of relative axial compression strength changing with age

由圖3可見：擬合結(jié)果較好地反映了各齡期下超高層建筑泵送SCC相對軸壓強度隨齡期的變化規(guī)律，這表明式（5）具有良好的適用性；當(dāng)T≤ 28 d時，軸壓強度處于快速增長階段；當(dāng)28 d

2.3 靜力彈性模量

彈性模量作為混凝土一個重要的力學(xué)性能指標(biāo)，對評價混凝土結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的變形能力有著重要意義，然而，混凝土的彈性模量隨著水泥的水化作用也產(chǎn)生變化，靜力受壓彈性模量依我國試驗規(guī)范中方法測得.

結(jié)合表2中的數(shù)據(jù)，繪制超高層建筑泵送SCC彈性模量隨齡期的變化趨勢如圖4（a）所示.

國內(nèi)外相關(guān)研究文獻中均提出了混凝土彈性模量隨齡期增長的計算公式，其中，朱伯芳[13]提出的混凝土彈性模量計算式為

式中：E0為混凝土的最終彈性模量，E0可以取1.05倍的360 d彈性模量值.

文獻[14]中提出的混凝土彈性模量隨齡期增長的計算式為

式中：Ec,28為28 d齡期混凝土的彈性模量.

運用式（6）、（7）算得的超高層建筑泵送SCC彈性模量結(jié)果與實測結(jié)果的對比如圖4（b）所示.

圖4 彈性模量隨齡期的變化Fig.4 Variations of elastic modulus with age

由圖4（a）可見：隨著齡期的增長，混凝土彈性模量的增大趨勢逐漸降低；當(dāng)T≥ 90 d時，各強度等級下混凝土的彈性模量趨于穩(wěn)定，變化幅度較?。怀邔咏ㄖ盟蚐CC齡期在14 d時的彈性模量已能達到28 d的80%以上，且強度等級越高，彈性模量隨齡期增長越快；超高層建筑泵送SCC在360 d時的彈性模量較28 d時的增長在15%以內(nèi)，因此，混凝土后期彈性模量發(fā)展較為穩(wěn)定.此外，各組試件彈性模量的誤差分析表明超高層建筑泵送SCC的壓縮變形能力較為穩(wěn)定.

由圖4（b）可見：式（6）的計算結(jié)果普遍小于實測結(jié)果，且強度等級越高、齡期越短試件兩種結(jié)果差異越明顯，式（7）的計算結(jié)果可以較好地反映高強度等級超高層建筑泵送SCC彈性模量隨齡期的變化，但對于低強度等級、短齡期試件彈性模量隨齡期的變化規(guī)律則不適用.因此，上述兩種計算方式均存在一定的局限性，不能準(zhǔn)確地反映超高層建筑泵送SCC彈性模量隨齡期增長的變化規(guī)律.

本文基于實測結(jié)果并結(jié)合已有公式進行擬合，相對彈性模量（各齡期下彈性模量與28 d彈性模量的比值）隨齡期變化規(guī)律的擬合結(jié)果與實測結(jié)果對比情況如圖5所示，得到超高層建筑泵送SCC彈性模量平均值隨齡期增長的計算式為

圖5 相對彈性模量隨齡期變化的擬合結(jié)果Fig.5 Fitting results of relative elastic modulus changing with age

由圖5可見，擬合結(jié)果較好地反映了各齡期下超高層建筑泵送SCC相對彈性模量隨齡期的變化規(guī)律，這表明式（8）具有良好的適用性.

2.4 劈裂抗拉強度

結(jié)合表2中的數(shù)據(jù)繪制C60超高層建筑泵送SCC劈裂抗拉強度隨齡期的變化趨勢如圖6（a）所示.本文基于實測結(jié)果進行回歸分析，相對劈裂抗拉強度（各齡期下劈裂抗拉強度與28 d劈裂抗拉強度（ft,28）的比值）隨齡期變化規(guī)律的擬合結(jié)果與實測結(jié)果對比情況如圖6（b）所示，得到超高層建筑泵送SCC劈裂抗拉強度平均值隨齡期增長的計算式為

由圖6（a）可知：隨著齡期的增長，混凝土的劈裂抗拉強度逐漸增大；當(dāng)T≤ 28 d時，混凝土的劈裂抗拉強度增幅較小，而28 d

由圖6（b）可知：擬合結(jié)果較好地反映了各齡期下超高層建筑泵送SCC相對劈裂抗拉強度隨齡期的變化規(guī)律，這表明式（9）具有良好的適用性.

圖6 C60劈裂抗拉強度隨齡期的變化Fig.6 Variations of splitting tensile strength with age

2.5 軸壓剛度及變形性能

本文分析了超高層建筑泵送SCC軸壓剛度和變形性能隨齡期增長的變化規(guī)律.軸壓剛度表征了材料或結(jié)構(gòu)在受力時抵抗彈性變形的能力，取應(yīng)力-應(yīng)變（σ-ε）曲線上升段0.4σ點處的割線模量Es與試件截面面積A的乘積作為試件的軸壓剛度（K=EsA），如表3所示.而應(yīng)變變形能表征了材料吸收能量的能力，通常用材料喪失承載力前的應(yīng)力-應(yīng)變曲線下覆蓋的面積來量度，以單位體積混凝土極限應(yīng)力時單位強度所消耗的應(yīng)變能作為比較參數(shù)[15]，即

式中：Γ為相對韌性；U為應(yīng)變能（N?m）；σ0和V分別為試件的極限應(yīng)力和體積；ε0.85為應(yīng)力下降為極限應(yīng)力的85%時對應(yīng)的應(yīng)變值.

由表3可知：隨著齡期的增長，超高層建筑泵送SCC的軸壓剛度基本上呈增大趨勢，而相對韌性呈減小趨勢，其中，90 d齡期強度等級C60試件試驗過程中存在操作不當(dāng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集有誤，但不影響總體規(guī)律；當(dāng)T≤ 60 d時，超高層建筑泵送SCC的軸壓剛度隨齡期增幅顯著且相對韌性下降也較顯著；當(dāng)60 d 60 d后超高層建筑泵送SCC的抵抗變形以及變形后的韌性都已趨于穩(wěn)定.此外，強度等級為C60的超高層建筑泵送SCC的軸壓剛度與相對韌性均明顯大于強度等級為C60的，這說明隨著強度的增大，超高層建筑泵送SCC的抵抗變形能力以及開裂后的韌性均提高.

表3 軸壓剛度及相對韌性Tab.3 Axial compressive stiffness and relative toughness

3 力學(xué)性能指標(biāo)換算關(guān)系

3.1 Ec與fcu及fc1間的換算關(guān)系

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）[16]中規(guī)定普通混凝土彈性模量與抗壓強度間的換算式為

式中：a、b均為參數(shù).

結(jié)合本文各齡期下試件的實測數(shù)據(jù)以及高性能SCC相關(guān)文獻中[17-19]的數(shù)據(jù)，對式（11）進行回歸分析，確定參數(shù)a、b的取值，得到不同齡期下超高層建筑泵送SCC的彈性模量與圓柱體的軸心抗壓強度換算式為

圖7為相關(guān)參數(shù)的計算示意圖，本文認為應(yīng)力降至0.85σ0時混凝土喪失承載力.

圖7 Ec和fc1間的換算關(guān)系Fig.7 Conversion relationship between Ec and fc1

圖8為擬合結(jié)果與實測結(jié)果的對比情況，圖中擬合曲線與實測數(shù)據(jù)吻合較好，說明式（12）可以較準(zhǔn)確地反映超高層建筑泵送SCC的彈性模量與圓柱體軸心抗壓強度間的換算關(guān)系，適用于強度等級介于C30 ～ C80間的高性能SCC.

圖8 fc和fc1間的換算關(guān)系Fig.8 Conversion relationship between Ec and fc1

針對混凝土立方體軸心抗壓強度與圓柱體軸心抗壓強度存在以下關(guān)系：

將式（5）、式（14）代入式（12）得到不同齡期下超高層建筑泵送SCC的彈性模量與立方體軸心抗壓強度計算平均值的換算式為

3.2 ft與fcu及fc1間的換算關(guān)系

CEB-FIP模式規(guī)范MC90中規(guī)定混凝土劈裂抗拉強度與抗壓強度間的換算式為

式中：c、d均為參數(shù).

結(jié)合本文各齡期下試件的實測數(shù)據(jù)以及高性能SCC相關(guān)文獻中[18-19]的數(shù)據(jù)，對式（15）進行回歸分析，確定參數(shù)c，d的取值，得到不同齡期下超高層建筑泵送SCC的劈裂抗拉強度與圓柱體軸心抗壓強度計算平均值的換算公為

圖8為擬合結(jié)果與實測結(jié)果的對比情況，在有限的試驗數(shù)據(jù)內(nèi)擬合曲線較好地反映了實測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，可以利用式（16）進行超高層建筑泵送SCC的劈裂抗拉強度與圓柱體軸心抗壓強度間的換算，適用于強度等級介于C30 ～ C80間的高性能SCC.

將式（5）代入式（16）后，則有

同理，將式（13）代入式（17）得到不同齡期下超高層建筑泵送SCC的彈性模量與立方體軸心抗壓強度計算平均值的換算式為

4 結(jié) 論

1）實測的軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線表明超高層建筑泵送SCC的峰值應(yīng)變顯著大于普通混凝土的，峰值應(yīng)力與脆性均隨著齡期的增長而增大.

2）早期14 d內(nèi)為超高層建筑泵送SCC各項性能增長的關(guān)鍵階段.超高層建筑泵送SCC在T= 360 d時的軸心抗壓強度和劈裂抗拉強度分別達到了T= 28 d時的1.16倍和1.30倍以上，其彈性模量在T= 90 d時趨于穩(wěn)定.

3）鑒于已有公式計算結(jié)果與實測結(jié)果差距較大，本文基于試驗結(jié)果提出適用于超高層建筑泵送SCC力學(xué)性能指標(biāo)隨齡期增長的計算公式，為預(yù)測短期性能及評估長期性能提供可靠依據(jù).同時，得出的彈性模量、劈裂抗拉強度與軸心抗壓強度間的換算公式較為準(zhǔn)確地反映了各力學(xué)性能指標(biāo)間的關(guān)系.

4）T≤ 60 d時，隨著齡期的增長，超高層建筑泵送SCC的軸壓剛度基本上呈增大趨勢，而相對韌性呈減小趨勢；T> 60 d時，軸壓剛度及相對韌性變化不大，即超高層建筑泵送SCC的抵抗變形以及變形后的韌性均趨于穩(wěn)定.此外，強度等級的提高增大了超高層建筑泵送SCC的軸壓剛度和相對韌性.

致謝：廣西研究生教育創(chuàng)新計劃資助項目（YCBZ2021020）.