自密實混凝土工作性能試驗方法綜述

姚楚康,汪永劍

(1.廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340；2.廣東省新材料與結構工程技術研究中心，廣東 廣州 511340；3.廣東省水利水電工程技術研究中心，廣東 廣州 511340)

高性能混凝土拌合物的工作性比強度還重要，是保證混凝土施工質量的關鍵[1]。對于自密實混凝土(Self-compacting Concrete，簡稱SCC)，其工作性更是配合比設計、施工過程中的關鍵性控制指標。SCC拌合物除應滿足對凝結時間的要求外，還應滿足自密實性能的要求，即要求SCC具有良好的流動性、填充性、間隙通過性和抗離析性。

對于高流動性的SCC，為了保證混凝土在運輸、澆筑過程和澆筑后不泌水、不離析，通常要求其有一定的粘度。由于SCC粘度較大，即使與普通混凝土坍落度相同，其坍落速度和過程往往呈現較大的差異。而且多數自密實混凝土的坍落度都接近坍落度筒的高度，彼此差異很小，因此，采用普通混凝土工作性能表征方法不能完全反映高流動性混凝土的工作特性[2-3]。為了能更好準確、合理、快捷地評價SCC拌合物的工作性，國內外研究人員進行了大量的研究，提出了一系列的試驗方法，可分為經驗檢驗方法和流變性能測試方法兩類。

1 經驗檢驗方法

1.1 坍落擴展度試驗[4-13]

坍落擴展度試驗是將混凝土拌合物按要求裝滿坍落度筒(上直徑為100 mm，下直徑為200 mm，高度為300 mm，理論容積為5.5 L)，觀察提起坍落度筒后混凝土在平板上流動情況。通常以坍落擴展度(SF)、擴展時間(T50)及視覺穩定性指數(VSI)表示混凝土的填充性和抗離析性能。

坍落擴展度試驗由于設備簡單、操作簡便，在SCC等大流動性混凝土的配合比設計及現場施工質量控制中得到普遍應用，國內外相關標準規范均將其作為SCC工作性能評價的基本方法之一，一般要求采用盛料容器裝料后再一次性裝滿坍落度筒，無插搗或振動，測量停止擴展后坍落擴展度，但部分規范在一些細節之處存在差異，如文獻[4]規定，用鏟子將混凝土分3次加入，每次加入量為坍落度筒體積的1/3(約1.85 L)，中間間隔30 s，無插搗；文獻[7]的擴展度試驗中要求分3層裝料(分別約2.6 L、1.8 L、1.1 L)，每層均勻插搗25次，保證搗實后高度為筒高的1/3；而文獻[13]可根據混凝土類型及狀態選擇裝料方式和插搗次數；對坍落度筒提起的時間和高度的規定也各不相同，提起時間從1～3 s、≤5 s到3～7 s不等，這些差異可能導致測試結果之間的偏差，影響其對比性。

1) 坍落擴展度SF

SF為坍落擴展面最大直徑和與最大直徑呈垂直方向直徑的平均值，SF能直觀反映拌合物的流動性、填充性，是表征SCC工作性能的基本指標之一。通常以拌合物停止流動時的SF作為測試值，但文獻[7]中也可以擴展50 s時的SF作為測試值。

不同規范對SF大小等級的劃分有所差異[4-6，8-9，12，14-15]，但總體而言，為保證SCC自密實性能要求，SF一般不宜小于550 mm，否則需采取輔助振搗措施以保證成型質量；對于結構形狀復雜、表面光潔度要求高、長度大、壁厚薄或難振搗的構件，SF應大于650 mm；SF大于750 mm，在泵送和澆筑中易發生材料分離現象，因此，SF一般控制在550～750 mm之間。

2) 擴展時間T50

T50(或T500)是指自提起坍落度筒至擴展面直徑達到500 mm的時間，T50隨SCC粘度的增加呈現遞增趨勢，粘度越大，拌合物的流動性和填充性能下降，但穩定性、抗離析性能提高，T50一般宜控制在2～6 s，最大不宜超過20 s。

坍落擴展度試驗中的T50、L型箱的T60等基于時間的測試方法，通常采用人眼判斷，測試結果受人為因素的影響大，存在不確定性[16]。建議利用智能手機錄制試驗過程，以便后期通過重復讀數或圖像分析對試驗結果進行校核。呂淼[17]利用智能手機作為視頻圖像采集設備，記錄SCC的流動過程狀態，并在Matlab軟件中利用光流法對SCC的流動狀態(混凝土邊緣)進行自動識別，結合透視變換，實現了對坍落擴展度和擴展時間的精確讀取。

3) 視覺穩定性指數VSI

通過觀察坍落擴展面拌合物泌水情況和骨料分布狀態，分析視覺穩定性指數[10]或拌合物離析程度[15]，可初步定性判斷其抗離析性能。為了實現定量分析，G?k?e[18]設計了帶同心圓環格柵的間隔篩試驗裝置(3-Compartment Sieve，見圖1)，將坍落擴展面中心ф500 mm區域劃分為3個面積相等的區域，以間隔篩內中心區域與外緣區域之間粗骨料質量的差值與其平均值的比例表征混凝土坍落擴展過程的動態穩定性。篩網孔徑宜為粗骨料最大粒徑的0.5～0.625 倍。

圖1 間隔篩裝置示意

1.2 V漏斗試驗[5，7，9，12，19-21]

V漏斗試驗是將拌合物裝滿V漏斗靜置1 min后，打開漏斗出料口底蓋并計時，測量拌合物全部流出(從上部觀察出料口透光)的時間，該時間能反映SCC的抗離析性、填充性(粘度、流動性)，以4～25 s為宜。

國內外相關規范中的V漏斗形狀類似，傾斜面坡度均為2:1，但漏斗容積和出料口的截面尺寸有所差異。其中，文獻[7， 12， 19]中漏斗的理論容積約10.5 L(見圖2 a)，而文獻[5， 9]中漏斗的理論容積約9.6 L(見圖2 b)，上述2種漏斗容積相差約9%，而出料口斷面尺寸相同(均為65 mm×75 mm)，因此，其測試結果之間必然存在差異；此外，日本土木學會標準中還提及一種V75型漏斗[20-21]，其出料口尺寸為75 mm×75 mm，容積約10.01 L(見圖2 c)。

a

b

c

該方法操作較簡便，適用于試驗室配合比設計和現場施工質量控制。但因骨料尺寸對測試結果影響較大，粒徑過大易造成阻滯，導致流出時間顯著偏大、結果失真，因此，骨料粒徑不宜大于20 mm[7](或22.4 mm[19])

1.3 L型箱試驗[4，12，22]

L型箱由豎直段、水平段及連接處的閘板和鋼筋柵組成。在L型箱豎直段裝滿混凝土(約12.90 L)，靜置1 min后提起閘板，混凝土在自重作用下通過鋼筋柵流向水平段，水平段與豎直段端頭處混凝土高度的比值為通過能力比，比值越接近1，則混凝土流動性、間隙通過能力越好。對于SCC，通常要求通過能力比不小于0.8。其間隙通過能力取決于鋼筋柵的類型，鋼筋柵由3根或2根Φ12光圓鋼筋組成，對應間隙凈距分別為41 mm×4或59 mm×3。水平段端頭填充高度(最大高度約92 mm)和從提起活動門到混凝土流動至水平段端頭(流動距離約60 cm)的時間T60，也可以反映混凝土的填充性和抗離析性能。該方法操作較簡單，適用于試驗室配合比設計和現場施工質量控制。

1.4 U型箱填充試驗[4-5，9，23]

U型箱填充試驗是最早的SCC評價方法之一，能評價SCC的間隙通過性能、填充性能，操作較簡單，適用于試驗室配合比設計和現場施工質量控制。

U型箱按箱體形狀可分為U形和箱形2種(見圖3)，箱體高為680 mm，寬為200 mm，長為280 mm，箱體中間采用隔板隔開分成A、B兩室，底部留190 mm高的連通區域，并設置鋼筋制成的格柵型障礙和間隔門。將A室裝滿混凝土，靜置1 min后，打開間隔門，混凝土在自重下穿過鋼筋格柵障礙流向B室。通常以填充高度(B室中混凝土的高度)和填充高度差(A、B室混凝土的高度差)表征其填充性能。對于SCC，填充高度一般不宜小于320 mm[5-9](300 mm[21])，填充高度差一般不宜大于30 mm[4]；間隙通過性能等級根據格柵障礙的類型進行劃分。

不同規范對格柵障礙中鋼筋直徑、數量及分布的規定有所差異。其中文獻[4]中規定U型箱(U形)的鋼筋柵由3根Φ12 mm或2根Φ12 mm光圓鋼筋構成，間隙凈寬平均分布，分別為41 mm×4、59 mm×3；文獻[5， 23]中U型箱(U形、箱形)的鋼筋柵由5根Φ10 mm或3根Φ13 mm鋼筋構成，鋼筋間凈間距均為35 mm，間隙凈寬分別為35 mm×4+5 mm×2、35 mm×2+45.5 mm×2；文獻[9]中U型箱(U形、箱形)的鋼筋柵由5根Φ10 mm或3根Φ13 mm鋼筋構成，鋼筋間間距均為35 mm，間隙凈寬分別為25 mm×6、22 mm×2+58.5 mm×2。另外，由于缺乏具體規定，不同廠家制作的U型箱箱體中隔板及間隔門的厚度也可能有所差異。

a U形

b 箱形

1.5 J環試驗[6-9，24-26]

J環(J型環)試驗是在坍落擴展度試驗的基礎上衍生出的試驗方法，將直徑300 mm的J環套在坍落度筒外側，通過對比增加J環障礙前后的坍落擴展度差、J環外緣(或直徑300 mm處)與中心部位高差及擴展時間T50變化表征拌合物的間隙通過性能。一般坍落擴展度差值不宜大于50 mm[8-9，26]，障礙高差不宜大于40 mm[6]。

應注意的是，不同規范中J環上布置鋼筋的直徑和數量有所區別。文獻[7-9， 26]中，J環上均勻布置16根Φ16 mm的鋼筋，相鄰鋼筋之間間隙凈寬為42.5 mm，適用于骨料粒徑不大于20 mm的混凝土拌合物。文獻[6]中J環有2種：Ⅰ型J環(16根Φ18 mm鋼筋，間隙凈寬40.5 mm)、Ⅱ型J環(8根Φ18 mm鋼筋，間隙凈寬為96.8 mm)，分別適用于骨料粒徑不大于20 mm、40 mm的混凝土。文獻[25-26]中J環也有2種規格，窄間距型的J型環與文獻[6]中的Ⅰ型J環一致；而寬間距型J環，均勻布置有12根Φ18 mm鋼筋，間隙凈寬為59.6 mm。另外值得注意的是，J環試驗中，文獻[10-11， 26]中規定坍落度筒倒置，而文獻[6-7， 25-26]中坍落度筒正向放置；混凝土一般要求一次性裝滿坍落度筒，但文獻[26]中規定，必要時可分3層裝入，每層用搗棒均勻插搗5次。

1.6 離析率篩析試驗[6-8， 27]

離析率篩析試驗又稱GTM篩穩定性試驗或漿體篩分法[28-29]，文獻[27]中的試驗方法規定：取10±0.5 L混凝土試樣置于帶蓋容器中，靜置15±0.5 min后，將容器移至套篩(5 mm方孔篩+托盤)上方500±50 mm的高度處，一次性連續均勻地傾倒4.8±0.2 kg混凝土試樣(含泌水)于篩上。靜置120±5 s后，稱量通過篩孔流到托盤上漿體的總質量，其與過篩混凝土總質量的比例為混凝土拌合物離析率，通常將其分為2個等級[6，8，12，14]：≤20%、≤15%。

a 文獻[27]

b 文獻[6-7]

文獻[27]中要求帶蓋容器(見圖4 a)的內徑不小于200 mm，容積不小于11 L，但未明確限定其形狀尺寸。由于SCC流動性好，傾倒過程易超出4.8±0.2 kg的范圍，為使取樣更加方便和規范化，文獻[6-7]中增加了一個由2節組成的10 L盛料器(Φ208 mm×294 mm，見圖4 b)，其中上節高度為60 mm，理論容積為2.0 L。若混凝土表觀密度為2 400 kg/m3，則上節部分混凝土的重量約為4.9 kg，滿足4.8±0.2 kg的要求，但并未規定試樣傾倒的高度。該方法操作較復雜，耗時稍長，適用于試驗室檢測。

1.7 自密實混凝土靜態離析柱試驗[9，30]

靜態離析柱試驗用的圓柱筒由內徑為200 mm、高度分別為165 mm、330 mm、165 mm的上、中、下3個圓環重疊組成，其理論容積為20.7 L。試驗時，將混凝土拌合物在2 min內不分層一次裝滿圓柱筒。靜置15±1 min后，先后收集上、下環中的混凝土，放置在4.75 mm篩上用清水沖洗除去混凝土中的漿體和細骨料，下部、上部圓環內對應粗骨料的飽和面干質量的差值與其平均值的比例即為靜態離析率，一般要求不大于10%[9]。

文獻[9]與文獻[30]中關于試驗步驟的描述稍有差異。文獻[30]中規定，達到規定靜置時間后，先分別收集上、下圓環中的混凝土，再進行篩洗；而根據文獻[9]的描述，需將上環中的混凝土收集、篩洗后，再收集并篩洗下環中的混凝土，因此，在上環混凝土篩洗過程中環內粗骨料繼續沉降的影響，下環中的粗骨料含量可能偏大，影響試驗結果的對比性。另外，由于上、下圓環容積約5.2 L，上、下各環中混凝土重量可達12.5 kg，采用4.75 mm篩進行篩洗，粗骨料篩分及擦拭工作量大，效率較低，適用于試驗室檢測SCC的靜態抗離析性能。

1.8 拌合物穩定性跳桌試驗[4，8]

拌合物穩定性跳桌試驗[4]或粗骨料振動離析率跳桌試驗[8]，所用的檢測筒由內徑為115 mm，高度均為100 mm的上、中、下3節組成，理論容積約3.1 L。按規范要求將SCC拌合物用料斗裝滿穩定性檢測筒。將檢測筒放置在振幅25±2 mm的跳桌上，以1次/s的頻率跳動25次后，分別收集各節筒內拌合物，并置于5 mm的圓孔篩中用清水篩洗。下、上節對應粗骨料濕質量的差值與3節中粗骨料濕質量的平均值的比例，即為粗骨料振動離析率，一般要求不大于10%[4，8]。應注意，該試驗用跳桌與水泥膠砂流動度測定儀(跳桌)[31]的振幅(10±0.2 mm)并不相同。該方法操作較復雜，耗時較長，適用于試驗室檢測SCC的動態抗離析性能。

1.9 Orimet試驗[3，32-34]

P.J.M. Bartos[32-33]研制的Orimet漏斗原理與V型漏斗類似，其腔體由長圓柱體(Φ120 mm×660 mm)和倒圓錐臺卸料口(下直徑80 mm，高度60 mm，圓錐面坡度為3:1)構成，其理論容積為7.9 L(見圖5 a)。距倒圓錐臺上表面100 mm處還設有2根Φ12 mm相互垂直的鋼筋。將拌合物裝滿Orimet漏斗，打開活動門，記錄混凝土流空的時間。

安明哲[34]等人針對我國高流動性混凝土骨料粒徑不穩定，骨料超徑對流出時間影響大的問題，對Orimet漏斗的尺寸及其構造進行了一下優化調整，其上部圓柱尺寸為Φ150 mm×600 mm，下部倒圓錐臺形卸料口下直徑為120 mm，高度為60 mm，圓錐面坡度為4:1，理論容積為11.5 L(見圖5 b)。

a

b

1.10 O型漏斗試驗[20，35]

O型漏斗試驗是日本土木學會標準[20]中提及的試驗方法，O型漏斗與V型漏斗試驗原理及方法相同，可表征拌合物的抗離析性、填充性(粘度、流動性)，其腔體由上部倒圓錐臺和下部圓柱構成，倒圓錐臺上直徑為230 mm，下直徑為75 mm，高為465 mm，錐面坡度為6:1，下部圓柱尺寸為Φ75 mm×150 mm[35]，理論容積為9.9 L(見圖6)。O型漏斗流出時間一般控制在4～20 s[20]。

1.11 倒置坍落度筒排空試驗[7，36-37]

倒置坍落度筒排空試驗[7，36]，將混凝土拌合物分2層(每層插搗15次，搗實后1/2筒高)裝入倒置的坍落度筒內，打開密封蓋并計時，測量混凝土拌合物全部排空的時間，對于泵送高強混凝土，排空時間宜控制在5～20 s[36]。

圖6 O型漏斗示意(單位：mm)

該方法操作較簡單，但由于坍落度筒容積相對偏小，且卸料口尺寸較大，因此，對低粘度大流動性混凝土，排空時間短，測試結果的準確性受人為因素影響大，一般僅適用于粘度較高的混凝土。ASTM C995-01[37]利用類似方法檢測纖維增強混凝土的工作性能，測試時將振動器插入裝滿拌合物的倒坍落度筒中，測量其排空時間，但因該方法實際應用很少，于2008年廢止。

1.12 空心筒貫入試驗[38]

文獻[38]中的貫入試驗所用試驗裝置見圖7，空心筒及圓桿的總質量為45±1 g，筒體內徑75±1 mm，壁厚1.5±0.1 mm，高度50±1 mm，筒體上方對稱設有直徑6 mm的圓形排氣孔。試驗時，將拌合物裝滿倒坍落度筒，刮除余料，靜置80±5 s后，使帶圓桿的空心筒體以零初速自由沉入混凝土中，沉降30±2 s時記錄筒體貫入深度。貫入深度越大，表示拌合物抗離析性能越差，宜小于25 mm[38]。該方法操作較簡單，能快速測定SCC的靜態抗離析性能。

圖7 空心筒貫入試驗裝置示意

1.13 離析性探針沉入度試驗[39]

離析性探針沉入度試驗與空心筒貫入試驗原理類似，以環形探針的沉入深度表征拌合物的粘度、抗離析性能。整個探針由Φ2.38 mm的不銹鋼鋼絲制成(見圖8)，總質量約24 g。試驗時，將混凝土拌合物一次性裝滿Φ150 mm×300 mm的圓筒，靜置1 min后，使探針以零初速自由沉入混凝土中，記錄沉降30 s時的沉入深度。從拌合物穩定性方面考慮，沉入深度宜控制在7 mm以下[39]。該測試方法簡單快速，觸變對測試結果影響小，適用于屈服應力較小(<36 Pa)的拌合物，不適用于輕骨料混凝土。

圖8 離析性探針試驗用改良型探針示意

1.14 Kajima box試驗[12，29，40-41]

Kajima box試驗(箱型填充試驗)的箱體尺寸為500 mm×300 mm×300 mm，采用透明樹脂玻璃制作而成，箱體內設置35根Φ20 mm、中心距為50 mm的障礙物(見圖9)。通過填充管向容器中填注一定量混凝土后，測量容器內不同位置拌合物的高度。通過對比障礙區域兩側的高度差，能直觀判斷SCC的間隙通過性能和填充性能。該方法適用于檢測鋼筋密集結構中粗骨料最大粒徑不超過20 mm的SCC的間隙通過性能，但由于試驗所需材料用量較多，箱體重量大，清洗不便，難以用于施工現場混凝土質量的控制。

圖9 Kajima填充箱示意(單位：mm)

1.15 J型流動儀試驗[42]

J型流動儀兩側柱狀容器截面為正方形(見圖10)，左側邊長為120 mm，總高度為955 mm，右側邊長為150 mm，高度為205 mm，其理論容積約20.0 L。試驗前先封閉右側出口處蓋板，將混凝土拌合物從左側裝入并填滿容器后，打開蓋板，測定左側容器內混凝土分別下降至100 mm、200 mm刻度的時間差(At)，并測量拌合物停止流動后左側下降的總高度(S)。S與坍落度的變化趨勢一致，可以反映SCC的變形量；At能反映拌合物的粘度，At越大，說明拌合物粘度越大、抗離析性能越好，而流動性越差。該方法能有效反映坍落度≥180 mm混凝土的工作性，對大流動性混凝土的泵送施工具有重要指導意義，但當流動性增大到一定程度時，試驗結果的變化幅度較小，難以實現定量評價。

圖10 J型流動儀(單位：mm)

2 流變性能測試方法

為了能夠準確、直觀表征混凝土的流變特性，國內外研究人員先后提出了多種流變模型，如E.C.Bingham提出的Bingham模型(τ=τ0+μγ)，Feys Dimtri等提出的改進Bingham模型(τ=τ0+μγ+cγ2)，法國學者Larrard F de提出的Herschel-Bulkley模型(τ=τ0+aγb)等[43-44]。與Herschel-Bulkley等模型相比，Bingham模型雖然不能與新拌SCC的變形行為很好匹配[28]，但由于其數據分析處理相對簡單，參數物理意義較明確，在實際應用中仍占有一席之地。根據Bingham模型，剪切應力(τ，Pa)的大小與剪切速率(γ，s-1)成線性比例關系，SCC的流動特性可用屈服應力(τ0，Pa)和塑性粘度(μ，Pa·s)描述，屈服應力指引發流動所需的最小剪切應力，而塑性粘度反映流體流動過程中的阻力，一般SCC的屈服應力為0～60 Pa，塑性粘度為20～120 Pa·s[16，45-47]。

研究發現[17，45，48-49]，SCC的工作性與其流變特性密切相關，其中，屈服應力與坍落度、坍落擴展度等經驗檢驗方法指標之間有良好的相關性，屈服應力越小，流動性能和填充性能越好；而塑性粘度與T50、V型漏斗時間之間存在良好的相關性，塑性粘度以適中為宜，過低則拌合物易泌水離析，粘度過高也對流動性、填充性產生不利影響。根據SCC屈服應力和塑性粘度的適宜取值范圍，結合原材料和配合比參數對屈服應力和塑性粘度的影響，能為混凝土配合比優化提供指導[46]。

測定屈服應力和塑性粘度的儀器通常稱為流變儀或粘度計，流變儀按測試原理不同，可分為旋轉式(同軸圓筒式、葉片式/葉輪式、兩點式、錐板式、圓盤式等)[16，50-51]、落體式(空圓柱儀)[44]、毛細管式(TVC管)[48]等。

由于混凝土流變儀價格昂貴，使用和維護成本高；試驗操作及數據分析處理對操作人員專業技術水平要求較高，因此，流變儀大多用于試驗研究，不便于施工現場使用。雖然屈服應力和塑性粘度能一定程度上反映SCC的流動性、抗離析穩定性，但無法表征其間隙通過性能；另外，目前常用的旋轉式流變儀使用過程中，拌合物會因重力、攪拌離心力的作用而沉降、離析，使試驗結果失真(偏小)[28]，因此，流變性能測試方法也需與經驗檢驗方法聯合使用才全面、準確地反映SCC的自密實性能。

3 結論與展望

1) 采用單一的方法往往難以全面準確的描述自密實混凝土的填充性、間隙通過性和抗離析性，必須組合2種或2種以上的試驗方法才能較準確的判斷其工作性能的好壞。

2) 部分經驗檢驗方法由于試驗操作復雜、測試結果準確性可靠性差、原材料用量大、檢測指標功能單一或原理與其他方法類似等原因，在實際中應用較少。流變性能測試方法也因價格昂貴、操作人員需經專門訓練、缺乏標準規范指導、評價指標體系有待完善等原因現場應用很少。試驗操作較簡便、評價指標體系完善的坍落擴展度、L型箱、U型箱、V型漏斗、J型環試驗等試驗方法仍將是自密實混凝土拌合物工作性測試首選方法。

3) 不同標準規范對自密實混凝土工作性能試驗方法的規定可能存在細節上的差異，而這些儀器設備和試驗步驟上的差異可能影響試驗結果的準確性和對比性。試驗前應確保試驗儀器設備與試驗方法一致，并嚴格按規范要求進行操作。對現有測試方法的進一步規范化、標準化、統一化是目前國內外研究人員應致力解決的問題。

4) 部分現行標準規范對自密實混凝土工作性能評價指標的推薦值或限值要求并不一致，給自密實混凝土的推廣應用帶來不便，建議及時修正和完善，確保指標的科學性、有效性和一致性。