自密实混凝土（SCC）工作性能和配合比设计研究进展

刘思国，朱德华，丁一宁

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2.大连理工大学结构工程研究所，辽宁大连 116024）

0 引言

自密实混凝土 （Self-Compacting Concrete，SCC） 是一种高性能混凝土，具有高工作性能和高耐久性，并能满足不同抗压强度等级要求[1]。自面世后受到国际上广泛关注和深入研究[1-4]，被誉为混凝土技术中里程碑式的成果[4]。

与普通混凝土相比，SCC 具有明显优势[2，4，6，8-9，22]，如：密实性和均质性好，并且钢筋和混凝土界面区得到改善；适用于浇筑形状复杂或配筋密集的构件和结构；使用粉煤灰、粒化高炉矿渣及各类尾矿石粉大量取代水泥，环保节能；浇筑速度快，节约劳动力；减少振捣噪音污染，改善施工环境；有利于推动商品混凝土的应用和建筑施工机械化。

然而SCC的工作性能对固体颗粒级配、拌合水量和化学添加剂性质等因素均较为敏感。目前在我国港口工程中，由于现场环境恶劣，并且有SCC配制经验的技术人员数量还较少，有效控制SCC的施工质量成为难点之一，这制约了SCC在港口工程中的应用。

本文详细总结SCC工作性能和基于工作性能的配合比设计研究进展，介绍国内外工程应用实例，并列出需要解决的关键技术问题，供实际工程参考。

1 SCC工作性能研究进展

1.1 SCC的工作性能

工作性能也称工作度或和易性，在我国被定义为混凝土拌合物易于施工操作（搅拌、运输、浇筑、捣实）并能获得质量均匀和成型密实的性能，包括流动性、黏聚性和保水性三个方面的含义[5]。

不同研究者对SCC工作性能研究的侧重点不同。Okamura和Ozawa认为[6-8]新拌的SCC不仅要求浆体和砂浆具有高变形能力，同时要求混凝土流经钢筋限制区时具有抵抗粗骨料和砂浆离析的能力。Grunewald等人认为[9]SCC应该具有高流动性和中等的黏度，流动时不发生堵塞，浇筑时混凝土能靠自身排除内部的空气。Khayat等人认为[10]SCC有3个基本标准：高变形能力、高通过能力或受限变形能力、以及高抗离析能力。EFNARC（2002） 标准对SCC工作性能的总结得到了较为广泛的认可，即：SCC应具有满足要求的填充成型性能、间隙通过性能和抗离析性能[4]。这里，填充成型性能指SCC在自身重力作用下流进并完全填充模板内所有空间的能力，反映了新拌SCC在非限制状态下的流动性能。间隙通过性能指SCC流过钢筋间隙等狭窄开口不离析和不堵塞的能力，反映了新拌SCC在受限制时的流动性能。混凝土抗离析性能指在运输和浇筑时SCC保持结构均质性的能力，反映了新拌SCC的稳定性。

1.2 SCC工作性能评价方法

为评价SCC工作性能，各国研究者已提出十余种测试方法[2-4，6-7，9-11，16，20-22，24]，表 1 所列为较常见的 SCC 工作性能特性试验方法及其判断标准[2-4，10，16，22]，其中坍落流动度试验、J-Ring试验、L-Box试验和U-Box试验仪器制作费用低，操作简单，适用于现场检验自密实混凝土拌合物的工作度，应用较为普遍，见图1。

Van K.Bui等人[3]认为自密实混凝土的坍落流动直径D应≥600 mm，否则脱模后混凝土表面质量较差；坍落流动时间T500不宜超过12 s。

表1 自密实混凝土工作性能试验方法和判断标准

图1 试验装置示意图（单位：mm）

Khayat等人[10]试验对比研究了评价自密实混凝土动态稳定性的现场试验方法，包括坍落流动度试验、V型漏斗流动时间试验、J环试验、L槽试验、U型管试验及压力泌水试验，得到如下结论：1） 坍落流动度试验适于评价自密实混凝土非限制变形能力，评价抗离析性能时须结合其它试验方法；2）J环试验、L槽试验、U型管试验适于评价自密实混凝土限制性变形能力或通过钢筋间距的能力，三者试验结果具有较好的相关性；3） 推荐使用L槽试验和坍落流动度试验进行施工现场质量控制，评价自密实混凝土限制性和非限制性变形能力；4）J环试验与坍落流动度试验也可用于评价自密实混凝土的变形能力和通过钢筋间距的能力；5）与J环试验相比，L槽试验可提供反映配合比黏度的流动时间值，在中等流变学参数（g=0.3~1.7 N·m，h=17~27 N·m·s） 下，自密实混凝土L槽流动时间在4~8 s之间；6）T500、V型漏斗流动时间试验、L槽试验以及U型管试验均可用于评价黏性，当变形能力一定时，流动时间越长配合比黏性越高；7） 压力泌水试验可用于评价悬浊液中浆体保持自由水的能力，由于该实验仅耗时10 min，适合于现场经常性质量控制及定量评价自密实混凝土稳定性。

EI-Chabib 和 Nehdi认为[11]，坍落流动度、T500、T600、V型漏斗流动时间、Orimet流动时间和堵塞率等试验方法可测试自密实混凝土的填充能力和通过能力；T500和V型漏斗流动时间可评价自密实混凝土的黏度；L槽、U型管和J环试验可评价自密实混凝土通过钢筋间距的能力。

目前尚没有广泛使用且相当可靠的试验方法测试自密实混凝土抗离析性能。坍落流动度试验、J环试验、L槽试验、U管试验等提供了一种依靠视觉观察判断离析的非定量方法，例如对于坍落流动度试验，可以观察坍落度筒提起后有没有砂浆析出或骨料堆积。最近出现的捕捉离析机理并定量评价SCC抗离析性能的试验方法包括[11]：沉降柱试验 （Settlement Column）、渗透仪试验 （Penetration Apparatus）和筛稳定性试验（Sieve Stability Test）等。但是这些试验方法有的要消耗大量的混凝土，有的需要较长时间且难于操作，而且需更多的实验室和现场数据证明其结果的可靠性。

上述方法很大程度上是以随意定义的比例为基础的定性测量手段，每种试验只能测得一种值，所测值是特定试验下的特征值，各特征值彼此不同，每种测量结果都不是混凝土的基本特性。尚没有单一的试验方法可以全面描述SCC工作度特性，所以应使用两种或两种以上的试验方法测试每种配合比的不同工作度参数。

1.3 影响SCC工作性能的主要因素

影响 SCC 工作性能的主要因素包括[2，4，6，7-10，12-13，16-17，19-22，24]：1） 粗骨料用量、最大粒径、级配、形状；2） 粉体材料用量、级配；3） 固体颗粒的吸水率、保水性；4） 拌合水用量和自由水量；5）化学添加剂（如高效减水剂、增稠剂等）用量及其对拌合水和不同粉体的作用机理。其中，固体颗粒包括骨料和粉体材料。

1.3.1 固体颗粒的影响

新拌的SCC常被分成两相：砂浆相和粗骨料相[3，12-13]。砂浆相黏度相对较低而SCC流动性高，由于不同组分间密度不同，流动时不同固体颗粒（粗骨料、细骨料和粉体材料）间将发生摩擦和碰撞，增加了混凝土内部流动的阻力，降低了混凝土的填充能力和流动速度。当混凝土流经限制区域时，各种颗粒间碰撞的可能性增加，颗粒间摩擦力也随之增加，使混凝土流动屈服应力增加。骨料颗粒之间的碰撞和接触频率会随颗粒之间相对距离的减小而增加，进一步导致混凝土变形时内部应力增加。

研究表明[2，4，6，8]，混凝土流动需要的能量被增加的内应力消耗，导致骨料颗粒堵塞甚至离析。如果自密实混凝土抗离析性能差，将导致混凝土中粗骨料不均匀分布，浇筑时发生堵塞或形成蜂窝，最终降低结构或构件的力学性能和耐久性。

避免离析的方法主要包括调整固体颗粒级配，特别是粗骨料的级配和最大粒径，减少粗骨料用量，增加浆体黏度等。Okamura[6]、Yurugi[14]和Ambroise[15]等人认为将粗骨料含量降低到一定值，是避免这种堵塞的有效方法。配合比中减小粗骨料体积，增加细骨料和浆体体积，可提高混凝土的填充能力；使用连续级配的水泥和填充料可减少颗粒间的摩擦[16]。石灰石粉、矿渣水泥、粉煤灰和硅粉等填充料可改善粒径分布和颗粒密实程度，因此增加新拌自密实混凝土的稳定性，同时混凝土的黏性也增加[16]。使用2种或3种粉体时，还应考虑粉体吸水性能和化学添加剂与粉体作用效果对混凝土工作度损失和水化温度的影响[17]，因为这直接影响到混凝土的硬化后性能和耐久性。

1.3.2 拌合水用量和自由水量的影响

Ozawa K.证明SCC的坍落流动度与配合比中的自由水量有关[7]，对于新拌的普通混凝土，当用水量超过配合比中所有固体颗粒的保水性后，固体颗粒间距和颗粒间的润滑效果随自由水量的增加而增加，自由水量与使用不同变形测量实验测得的变形值有唯一关系。

基于Ozawa K.的研究，Kasemchaisiri和Tangtermsirikul认为[17]配合比中自由水量是影响新拌混凝土塑性流动的主要因素，系统而细致地分析了配合比各组分对拌合物变形性能的影响后，他们建立了预测SCC坍落流动度模型；同时还发现配合比自由水量与SCC坍落流动时间T500有关，进而建立了预测SCC坍落流动时间的计算公式；试验结果表明这两个模型在适用范围内具有相当高的精度。但是使用Kasemchaisiri和Tangtermsirikul的模型并不容易，需要测定固体颗粒的粒径分布和吸、保水率以及胶凝材料和填充料的化学组成，而且计算较为繁琐，当选用了一种新的粉体材料时会导致模型不能应用。

Sonebi等人[16]使用因子分析方法[18]设计试验，研究了用水量、高效减水剂用量和粗骨料体积对新拌SCC坍落流动度D、T500、T600、V型漏斗流动时间、Orimet流动时间和L-box堵塞率的影响。对20组配合比得出的新拌混凝土工作性能试验结果采用最小二乘法拟合各变量系数，使用基于学生分布的t检验值评价各变量的显著性，得出计算拌合物静置5 min后各工作度参数的统计模型，这些计算式均是较为冗长的三次多项式，适用于用水量为188~208 L/m3、高效减水剂用量为3.8~5.8 kg/m3、粗骨料用量为220~360 L/m3的SCC。在适用范围内该组模型的精度可达到基本要求。

1.3.3 化学添加剂的影响

当水泥浆中加入高效减水剂（Superplasticizer，SP）后，部分拌合水被释放出来，可明显增加拌合物的工作性能[5，17]。这是由于SP属表面活性剂，由憎水基团和亲水基团所组成，受水分子作用表面活性剂憎水基团指向水泥颗粒，而亲水基团背向水泥颗粒，使水泥颗粒表面作定向排列而带有相同电荷，这种电斥力作用远大于颗粒之间分子引力而使水泥颗粒形成的絮凝结构被分散为半絮凝结构；同时SP可使水泥颗粒表面形成溶剂化水膜，在颗粒间起润滑作用，也有利于拌合物的流动[5]。但是在运输过程中SP能破坏混凝土内气泡的稳定性，影响硬化混凝土的最终含气量，Siebel研究指出[19]SP导致表观直径＞0.5 mm的气孔体积增加，表观直径＜0.3 mm的气孔体积减少，与不使用SP的低黏性混凝土相比，使用SP的新拌混凝土空气含量肯定增加，当SP掺量较大时，这种现象尤为明显[20]。与引气剂相比，使用SP的混凝土中多形成开放的气孔，使用引气剂的混凝土中多形成封闭的气孔。

使用增稠剂（Viscosity Modifying Admixture，VMA） 是增加混凝土黏性的一种方法[16，20-21]，用于混凝土中的增稠剂一般是纤维素衍生物、多聚糖等抗分散剂。增稠剂的作用模式取决于聚合物的类型和集度，例如，卫兰胶聚合物分子附着于水分子周围，因此可以吸附部分拌合水，增加拌合水的黏度。增稠剂可提高浆体悬浮骨料颗粒及保持自由水的能力，减少SCC运输、浇筑直至开始硬化过程中各组分发生分离的风险，因此SCC的黏度和抗离析能力均得以改善。

2 基于工作性能的SCC配合比设计

目前尚没有SCC配合比设计的标准方法，许多研究机构、外加剂生产商、预拌混凝土公司和混凝土制品预制公司均开发出自己配合比设计方法[2，6-8，22-24]。

设计和制备SCC最常用的思路是把新拌混凝土分成砂浆相和粗骨料相，通过大量的工作性能试验，分别对浆体组成和骨料级配进行优化。对于砂浆相，首先考虑最低强度要求和耐久性要求确定水泥用量和水胶比，通过掺入各种矿物掺合料优化浆体组成，添加塑化剂（减水剂或高效减水剂）和增稠剂调节砂浆的流变学特性，使其达到工作度要求；骨料级配的优化则主要通过选择合适的最大骨料直径和细粗骨料比得到合适的堆积密度。这类基于工作性能试验的方法可称为经验方法，以3个典型实例予以说明。

1） 实例1。Okamura[6，8]指出由于自密实性能对水-粉体材料比非常敏感，因此SCC的水-粉体材料比是由工作度确定的，这与普通混凝土的水灰比根据强度计算得出不同。Okamura和Ozawa在1995年提出[6]一种简单的自密实混凝土配合比设计方法。思路是固定粗骨料和细骨料用量，使用高效减水剂同时保持低水-粉体材料比，通过调整水-粉体材料比和高效减水剂用量得到具有自密实特性混凝土，这里粉体材料包括胶凝材料和矿物填充料。Okamura建议使用坍落流动度试验、U-Box试验和Funnel试验检验新拌混凝土的通过能力、流动性能和黏性，以确定水-粉体材料比和高效减水剂用量。该方法包括如下4个步骤：

①混凝土中粗骨料用量固定为实体体积的50%。

②细骨料用量固定为砂浆体积的40%。

③水-粉体材料体积比取为0.9~1.0，可根据粉体材料特性调整。

④确定高效减水剂用量和最终水-粉体材料比，确保新拌混凝土的自密实性能。

2） 实例2。N.Bouzoubaa等人认为[24]自密实混凝土仅需少量振捣或根本不用振捣即可靠自身重力流动并密实，同时具有足够的黏性避免离析或泌水。参照20世纪80年代CANMET设计的高粉煤灰掺量混凝土（High Volume Fly Ash Concrete），Bouzoubaa通过加入F级粉煤灰（ASTM，CaO占13.4%，Na2O占4%，比表面积3 060 cm2/g，比重2.08），配制出一系列高粉煤灰掺量的自密实混凝土（High Volume Fly Ash SCC，HVFA SCC），配合比的设计要点可总结为：

①水灰比为0.35~0.45。

②胶凝材料用量为400 kg/m3左右，其中粉煤灰取代率为40%~60%。

③细骨料和粗骨料各占骨料总质量的50%，粗骨料与混凝土的体积比为0.32。

该系列HVFA SCC具有良好的流动性和黏性，28 d抗压强度约为35 MPa。其中水灰比为0.45、粉煤灰取代率为50%的HVFA SCC最经济，价格仅比具有相同抗压强度的普通混凝土价格高2.6%，可称之为经济自密实混凝土（Economical SCC）。

3） 实例 3。Kasemchaisiri和 Tangtermsirikul研究[17]各组分性质和用量对SCC工作度（主要是坍落流动度和坍落流动时间）的影响时，使用的自密实混凝土配合比设计方法的步骤为：

①调整浆体体积与密实堆积骨料项孔隙体积的比值（1.4~1.8）。

②调整水灰比（0.25~0.45）。

③调整减水剂用量（0~2.0%）。

④固定砂率为0.5，这一砂率略微大于由密实堆积骨料项的最小孔隙量确定的砂率值。

⑤调整粉煤灰用量。

研究结果表明，他们试验得到了满足RILEMTechnical Committee-174要求的自密实混凝土。

3 SCC的工程应用和关键技术问题

3.1 SCC的工程应用

自1988年日本人使用市售材料配制出可自密实的混凝土后，SCC在实际结构中的应用从无到有逐渐增多[1-4，6-8，25]。1990 年 SCC 在日本得到首次应用，1991 年用于一座预应力斜拉桥的承压桥塔，1992年用于斜拉桥的主柱（轻骨料自密实混凝土）。1998年日本明石海峡大桥使用SCC锚固，所用粗骨料最大粒径40 mm，混凝土下落落差达3 m，但是没有出现离析，工程最后评估为：使用SCC缩短锚固建筑工期达20%，从2.5 a缩短到2 a。大阪天然气公司大型液化天然气储蓄罐的墙壁使用SCC浇筑，施工中由于每批次混凝土高度增加，混凝土批次从14次减少到10次，混凝土施工工人由150人减少到50人，结构建筑工期从22个月减少为18个月。日本神户水底隧道也采用了SCC。

1998年竣工的瑞士Cleuson Dixence水电站隧道长15 820 m，斜井长共计3 920 m，在岩石和钢衬之间浇筑SCC作为衬砌，用量达7.3万m3。2005年竣工的瑞士Loetschberg铁路隧道长34.6 km，共使用约80万m3的SCC。美国西雅图双联广场的62层双联钢管混凝土柱采用超高强的SCC，结构成本降低了30%。意大利圣马力诺世贸中心采用了28 d抗压强度达95 MPa的SCC。

我国自1995年开始了SCC的工程应用，最初几年仅在深圳、上海、北京用于地下暗挖工程和结构中配筋形状较为密实复杂、无法浇筑或振捣的部位，北京城建集团总公司构件厂1996年为多项工程供应了约1万m3的SCC，主要用于浇筑地下室构件。

近年来，我国SCC应用范围越来越广和用量逐渐增加。南京会议展览中心一期工程4座单层展馆和一座会议中心所有钢管柱均采用C40的SCC浇筑。广东清连一级公路S114线珠坑桥和水晶背桥以及主线的自竹浪桥由于多年通车，浆砌片石拱圈出现裂缝，采用C40的SCC进行了背拱加固。山东淄博天府名城住宅楼属现浇混凝土节能墙体试点工程，墙体中间预置钢丝网架聚苯板，钢丝网架内细钢丝纵横交错无法使用振捣棒，2007年工程开始采用C25的SCC浇筑，至2008年完成浇筑面积超过5万m2。国家体育馆是2008年第29界奥林匹克运动会三大主场馆之一，主体结构中78根型钢混凝土框架柱最大高程为14 m，首层采用C50的SCC浇筑，二层以上采用C40的SCC浇筑。

3.2 需解决的关键技术问题

目前各国SCC用量在混凝土总用量中所占的比重仍非常小。日本是开发和应用SCC最早的国家，Okamura[6，8]指出截至2003年SCC在日本仍属特殊混凝土，仅大型建筑公司使用，这是由于除了一些大规模建筑，使用SCC并非总能降低工程总费用。使SCC成为一种标准的商用混凝土还有许多关键技术问题要解决，概括起来包括：

1） 建立SCC工作性能和流变学特性测评标准方法。

2） 建立SCC配合比设计标准流程。

3） 研究SCC在海洋恶劣环境中的耐久性评价方法。

4） 设计并组建SCC生产、运输和施工的新体系。

4 结语

通过对SCC工作性能和基于工作性能的配合比设计研究进展可以得到如下主要结论：

1） SCC配合比设计需考虑所有固体颗粒（包括胶凝材料、填充料、细骨料、粗骨料和纤维）掺量和性质的影响。被广泛认可的方法是将拌合物分为浆体相和骨料相，分别优化浆体相的流变学特性和骨料相的粒径分布。

2） SCC配合比设计经验方法要点是：在推荐的数值范围内选择粗细骨料用量，然后进行大量工作度试验并根据结果微调粉体材料、拌合水和高效减水剂用量，关键在于选择合适的工作度评价方法。这类方法虽然也是对浆体相和骨料相的优化，但是没有明确的物理模型，对拌合物各组分影响新拌混凝土工作度的机理不甚清楚，因此称为经验方法，其优点是不需繁琐的计算，缺点是耗费大量的人力和材料。

3） 为解决港口工程中因恶劣环境和有SCC配制经验的技术人员数量较少导致的SCC的施工质量和应用难题，需深入研究SCC的工作性能、流变学特性和耐久性，建立适合港口工程的配合比设计标准流程和生产、运输和施工新体系。

[1] 吴中伟，廉慧珍.高性能混凝土[M].北京：中国铁道出版社，1999：175-177.

[2] Grauers M.SCC-Brite EuRam Final Technical Report-Rational Production and Improved Working Environment Through Using Self Compacting Concrete[R].London：Brite EuRam，2000.

[3] Bui V K，Akkaya Y，Shah S P.Rheological Model for Self-Consolidating Concrete[J].ACI Materials Journal，2002，99（6）：549-559.

[4] EFNARC 2002，Specification and Guidelines for Self-Compacting Concrete[S].

[5] 王立久，李振容.建筑材料学[M].北京：中国水利水电出版社，1997：84-88.

[6] Okamura H，Ouchi M.Self-Compacting Concrete[J].Journal of Advanced Concrete Technology，2003，1（1）：5-15.

[7] Ozawa K，Maekawa K，Okamura H.Development of High Performance Concrete[J].Journal of the Faculty of Engineering，1992，41（3）：149-157.

[8]Ouchi MOkamura H.Self-Compacting High Performance Concrete[J].Progressin Structural Engineering and Materials，1998，1（4）：378-383.

[9] Grunewald S，Walraven JC.Parameter-Study on the Influence of Steel Fibers and Coarse Aggregate Content on the Fresh Properties of Self-Conpacting Concrete[J].Cement and Concrete Research，2001，31：1 793-1 798.

[10]Khayat K H，Assaad J，Daczko J.Comparison of Field-Oriented Test Methods to Assess Dynamic Stability of Self-Consolidating Concrete[J].ACIMaterials Journal，2004，101（2）：168-176.

[11]EI-Chabib H，Nehdi M.Effect of Mixture Design Parameters on Segregation of Self-Comsolidating Concrete[J].ACI Materials Journal，2006，103（5）：374-383.

[12]Saak A W，Jennings H M，Shah S P.New Methodology for Designing Self-Compacting Concrete[J].ACI Materials Journal，2001，98（6）：429-439.

[13]Su N，Hsu K C，Chai H W.A Simple Mix Design Method for Self-Compacting Concrete[J].Cement and Concrete Research，2001，31：1 799-1 807.

[14]Yurugi M，Sakata N，Iwai M，et al.Mix Proportion for Highly Workable Concrete[R].Dundee UK：Proceedings of the International Conferenceon Concerete2000，1993.

[15]Ambroise J，Rols S.Self-Leveling Concrete Design and Properties[J].Concrete Science and Engineering，1999，1：140-147.

[16]Sonebi M，Grunewald S，Walraven J.Filling Ability and Passing A－bility of Self-Consolidating Concrete[J].ACI Materials Journal，2007，104（2）：162-170.

[17]Kasemchaisiri R，Tangtermsitikul S.Deformability Prediction Model for Self-Compacting Concrete[J].Magazine of Concrete Research，2008，60（2）：93-108.

[18]Khayat K H，Ghezal A，Hadriche M S.Factorial Design Models for Proportioning Self-Consolidating Concrete[J].Materials and Structures，1999，32：679-686.

[19]Siebel E.Air-Void Characteristics and Freezing and Thawing Resistance of Superplasticized Air-Entrained Concrete With High Workability[C]//ACI.Superlasticizers and Other Chemical Adimixturesin Concrete.Michigan：Farmington Hills，1989.

[20]Khayat K H，Assaad J.Air-Void Stability in Self-Consolidating Concrete[J].ACI Materials Journal，2002，99（4）：408-416.

[21]Shindoh T，Matsuoka Y.Development of Combination-Type Self-Compacting Concrete and Evaluation Test Methods[J].Journal of Advanced Concrete Technology，2003，1（1）：26-36.

[22]The SCC European Project Group.The European Guidelines for Self-Compacting Concrete：Specification，Production and Use[R].UK：BIBM，CEMBUREAU，EFCA，EFNARCand ERMCO，2005.

[23]Ferrara L，Park YD，Shah SP.AMethod for Mix-Design of Fiber-Reinforced Self-Compacting Concrete[J].Cement and Concrete Research，2007，37：957-971.

[24]Bouzoubaa N，Lachemi M.Self-Compaction Concretein Corporating High Volumes of Class FFly Ash Preliminary Results[J].Cement and Concrete Research，2001，31：413-420.

[25]丁一宁，董向军，王岳华.纤维自密实高性能混凝土在结构补强中试验研究[J].大连理工大学学报，2006，46（1）：59-62.