随着我国高速公路建设中心不断向西南地区发展，许多特大型桥梁建设在群山林立、河流纵横的山谷高原地貌之上。普通混凝土在浇筑钢筋错综复杂、超高薄壁结构的特大型桥梁工程时，不易振捣，常常因为流动性不佳，很难密实填充模板，从而造成混凝土结构强度不足，外观质量参差不齐。近些年来，自密实混凝土（SCC）因具有良好的流动性、扩展度与抗离析能力，可以依靠自身重力填充模板，无需振捣，被广泛应用在薄壁结构且配筋复杂的桥梁工程中。
然而自密实混凝土的推广与应用仍需解决许多问题，首先自密实混凝土对原材料的种类与质量极为敏感，不同的原材料对SCC的流动性、坍落度等会产生不可预估的影响。其次自密实混凝土的配合比设计方法与普通混凝土大不相同，目前仍无统一配制方法。
此外，自密实混凝土为了满足较高的流动性，往往使用了较多的胶凝材料，从而导致SCC的早期硬化和后期养护过程中更容易发生收缩现象。若收缩控制不当很容易引起混凝土表面产生裂缝，从而影响结构耐久性和平整度，降低结构外观的整体质量。针对上述问题，本文首先对制备SCC所需的各种原材料的性能进行测试，并基于致密堆积理论配制C30自密实细石混凝土，通过加入复合膨胀剂补偿SCC的收缩。然后通过调整粉煤灰种类与掺量、水胶比等方式优化SCC的性能。最后，对不同掺量的CEA膨胀剂进行SEM扫描电镜试验，从微观层面研究SCC水化产物及界面过渡区的形貌特征。 试验采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，密度为3.09g/cm3、初凝时间181min、终凝时间255min；Ｆ类Ⅱ级粉煤灰与Ｆ类Ｉ级粉煤灰，密度分别为2.46，2.57g/cm3、细度分别为15.3％，8.2％；
机制砂采用Ⅱ区中砂，表观密度为2.69g/cm3，级配曲线见图1；粗骨料为5～16mm连续级配碎石，掺配比例为5～10mm:10～16mm＝2:8，表观密度为2.691g/cm3，级配曲线见图2。膨胀剂采用复合膨胀剂（CEA膨胀剂），主要成分为CaO（氧化钙）与C4A6S（硫铝酸钙）；外加剂采用高性能聚羧酸减水剂。1.2 基于致密堆积理论制备C30自密实细石混凝土 目前JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》中SCC配合比设计的建议方法为固定砂石体积法，该方法主要通过固定骨料的体积来确定水灰比，未直接考虑混凝土的流变性，也未考虑到骨料的分布与形状，同时该方法在实际操作过程中也需要一些经验参数，这可能导致不同工程中的参数选择存在差异，降低了方法的通用性。考虑到制备C30自密实混凝土，强度要求不高，且要考虑经济性原则，尽可能在满足设计强度与工作性能的前提下降低胶凝材料用量。因此选用计算简便易行的致密堆积法制备C30自密实混凝土。致密堆积理论通过优化骨料的堆积比例，使混凝土中的颗粒达到最大程度的紧密堆积，从而实现自密实混凝土良好的工作性能。基于致密堆积理论制备SCC需测定出致密堆积因子α、β与水泥浆体扩大系数犖值。如图3所示，用粉煤灰填充机制砂，测定不同混合比例粉煤灰与机制砂的容重Uａ，当混合料致密堆积状态下的容重Uａ达到最大时，粉煤灰所占比例为致密堆积因子α。同理，如图4所示，用致密堆积状态的粉煤灰与机制砂填充碎石，通过试验寻找粉煤灰、机制砂与碎石混合料最大容重犝ｂ，对应的混合比例即为堆积因子β。综上所述，通过试验得到粉煤灰填充机制砂的最佳比例α＝0.132，粉煤灰与机制砂填充碎石的最佳比例β＝0.456，三者混合料的最大容重犝ｂ＝2095kg/m3。 水泥浆体扩大系数犖值根据经验一般为1.1～1.7，对不同犖值的SCC混凝土进行坍落度与扩展度试验，测试结果见图5。由图5可知，随着水泥浆体扩大系数N值增加，SCC工作性能也逐步提升，且N值在1.1～1.4阶段工作性能提升较为明显。当N值超过1.4后，提升效果大大减弱。当N＝1.4时SCC的工作性能能够满足施工要求，因此水泥浆体扩大系数N取1.4。结合施工经验，水胶比选取0.37，外加剂掺量1％，基于致密堆积理论计算得到的C30自密实细石混凝土配合比见表1。以基准配合比为准，保持胶凝材料总量、水胶比、砂率等不变，改变粉煤灰掺量与种类，研究粉煤灰对SCC性能的影响。不同粉煤灰的SCC配合比见表2。 基于致密堆积理论计算出的C30自密实混凝土中粉煤灰掺量为20％，为探究不同粉煤灰种类对SCC性能的影响，因此在保持20％粉煤灰掺量的前提下，采用同厂的Ｆ类Ｉ级粉煤灰，设置了第3组对照组。此外通过改变Ⅱ级粉煤灰掺量分别为10％，20％，25％，30％，研究粉煤灰的最佳掺量。粉煤灰对SCC性能影响见表3，工作性能变化趋势见图6，力学性能变化趋势见图7。由图6可见，粉煤灰掺量的增加一定程度上增加了SCC的流动性与填充能力，20％掺量的Ⅱ级粉煤灰的第2组比10％的对照组坍落度增加了10.4％，Ｖ形漏斗与犜500的时间分别缩短了30.8％与33.3％。这与粉煤灰的物理性质有关，球状颗粒的粉煤灰能够填充水泥与集料间的孔隙，从而提高混凝土的润滑性，进而增强其流动性和填充能力。第3组与第2组相比，使用Ｉ级粉煤灰的需水量更低，因此只需加入0.8％的减水剂即可达到与第2组大致相同的流动性，同时因用水量降低，故抗压强度也比同时期的Ⅱ级粉煤灰更高。但考虑到施工经济性原则，因此在实际施工选择中还是选用更加便宜高效的Ⅱ级粉煤灰，且掺量控制在20％内较合适。 由图7可见，随着粉煤灰掺量的增加，SCC前期的抗压强度也随之降低，但后期强度增加较为明显。第2组7，28，60d的抗压强度比第1组分别降低了7.9％，3.6％，0.3％，添加粉煤灰降低了水泥早期的水化反应，因此早期抗压强度的降低较为明显。然而随着时间推移，粉煤灰与水泥发生二次反应，形成了更强的水泥基质，从而在后期使得抗压强度明显提升。自密实细石混凝土胶材用量偏大，因此不可避免地产生更为显著的自收缩与干燥收缩。为了尽可能地减少SCC的收缩现象，通常做法是加入膨胀剂。本节研究加入复合膨胀剂对C30自密实细石混凝土性能的影响，不同膨胀剂SCC胶材用量见表4，性能测试结果见表5，工作性能变化趋势见图8，力学性能变化趋势见图9。由图8可知CEA膨胀剂的加入对SCC的工作性能产生了负面影响。第4组，即添加8％掺量膨胀剂的情况下，相对于第1组，坍落度和扩展度分别降低了13.2％，3.8％，Ｖ形漏斗与犜500的时间分别增加了33.3％，70％。其主要原因还是CEA膨胀剂早期的膨胀反应也需要水，因此减少了水泥净浆中的水，降低了净浆对集料的包裹能力，进而影响了SCC的流动性和填充性能。由图9可见，加入膨胀剂也降低了SCC的抗压强度，第4组加入8％掺量的膨胀剂，7，28，60d的抗压强度分别为30.6，39.2，42.7MPa，相较于第1组，分别降低了20.3％，14.1％，13.1％。当膨胀剂掺量超过8％以后，SCC抗压强度的下降更为明显，第5组10％掺量的膨胀剂，7，28，60d的抗压强度分别为26.1，34.1，37.4MPa，相较于第1组，分别降低了32.1％，25.2％，23.8％。过量膨胀剂有可能产生较大的膨胀力，会破坏SCC内部结构。因此CEA膨胀剂掺量宜控制在8％。 根据规范中要求，在进行SCC配合比设计时需采取多个水胶比的配合比试验，因此在0.37水胶比的基准配合比下设计5组不同水胶比的配合比试验，同时保证用水量不变，改变胶凝材料总量，5组不同水胶比胶材用量见表6，性能测试结果见表7，工作性能变化趋势见图10，力学性能变化趋势见图11。由图10可见，SCC工作性能随水胶比的增大而改善，这与单位体积内胶凝材料用水量的增加有关，0.35水胶比的SCC坍落度仅200mm，与0.37水胶比的SCC坍落度230mm相比下降15％，Ｖ形漏斗通过时间也增加了25％，单位体积内较低的用水量造成了不良的流动性与填充性。 由图11可见，随着水胶比的增大，7，28，60d的抗压强度随之降低，0.39水胶比28d强度为36.5MPa，相比0.35水胶比28d强度降低了19.5％。0.37水胶比28d抗压强度为39.2MPa，相比于0.39水胶比28d抗压强度提升了7.4％，满足工程设计强度需求。因此，0.37水胶比在保证强度要求的前提下，工作性能也较为出色，可作为施工配合比的水胶比使用。将养护到预期龄期的SCC试样破碎后，置于无水乙醇中以终止水化反应。在进行试验之前，从留样的试件中取出具有代表性的样品，进行切割、研磨和抛光等处理，以便在显微镜下观察到薄而平整的表面。将处理好的样品放入JSMIT800型场发射扫描电子显微镜中，放大10000倍，观察7d龄期的不同水化产物及界面过渡区的形貌特征。SEM试样准备过程见图12。结合上节CEA膨胀剂对SCC性能的影响结果与相关工程施工经验，CEA膨胀剂掺量控制在6％～8％之间应用效果较佳。因此本次SEM电镜扫描试验共设置4组，每组CEA膨胀剂掺量分别为0％，6％，8％，10％。观察不同掺量的CEA膨胀剂7d水化产物及界面过渡区的形貌特征。 从微观角度分析CEA膨胀剂的作用机理，与SCC宏观性能相对应。SEM试验结果见图13。由图13ａ）可见，未掺加CEA膨胀剂的SCC内部存在较多孔洞，C-S-H凝胶与粉煤灰之间的孔隙明显，导致SCC收缩现象显著。由ｂ）可见，加入了6％的CEA膨胀剂后，C-S-H凝胶间的孔隙明显减少，但生成的Ca（OH）2较多，SCC结构仍不够稳定。由C）可见，8％掺量CEA膨胀剂SCC的内部结构更加密实，水化反应生成的C-S-H凝胶连接牢固，Ca（OH）2与钙矾石（AFt）等造成混凝土结构不稳定的胶凝材料产物较少。由d）可见，10％掺量CEA膨胀剂SCC内部C-S-H凝胶间孔洞最大，同时已经出现明显裂缝，SCC的力学性质受到明显影响。从微观角度解释了SCC在CEA掺量达到10％时抗压强度明显下降的原因。本文基于致密堆积理论配制了C30自密实细石混凝土，通过改变粉煤灰种类与掺量、加入CEA膨胀剂、调整水胶比等方式对自密实混凝土进行优化，使其工作性能与力学性能满足工程要求。最后通过SEM扫描电镜试验，从微观结构研究加入CEA膨胀剂后，SCC不同水化产物及界面过渡区的形貌特征。得到以下主要结论。 1）基于致密堆积理论，并经过优化后C30自密实细石混凝土的粉煤灰掺量为20％，膨胀剂掺量为8％，水胶比为0.37。2）增加粉煤灰掺量和水胶比都会提升SCC的工作性能，但对力学性能有负面影响。20％掺量的Ⅱ级粉煤灰，与10％掺量相比，其坍落度增加了10.4％，然而，其28d抗压强度为45.6MPa，降低了3.6％。同样，将水胶比从0.35增加到0.37，SCC的坍落度提高了15％，28d抗压强度降低了10.1％。3）加入CEA膨胀剂会降低SCC的抗压强度与工作性能，8％掺量的CEA膨胀剂28d抗压强度为39.2MPa，比未添加膨胀剂的对照组降低了14.1％，坍落度和扩展度分别降低了13.2％，3.8％。通过SEM扫描电镜试验可知，当CEA膨胀剂超过8％后，SCC出现较大的孔隙与裂缝，内部结构破坏。
