自密实混凝土工作性能试验方法综述

姚楚康,汪永剑

(1.广东水电二局股份有限公司，广东 广州 511340；2.广东省新材料与结构工程技术研究中心，广东 广州 511340；3.广东省水利水电工程技术研究中心，广东 广州 511340)

高性能混凝土拌合物的工作性比强度还重要，是保证混凝土施工质量的关键[1]。对于自密实混凝土(Self-compacting Concrete，简称SCC)，其工作性更是配合比设计、施工过程中的关键性控制指标。SCC拌合物除应满足对凝结时间的要求外，还应满足自密实性能的要求，即要求SCC具有良好的流动性、填充性、间隙通过性和抗离析性。

对于高流动性的SCC，为了保证混凝土在运输、浇筑过程和浇筑后不泌水、不离析，通常要求其有一定的粘度。由于SCC粘度较大，即使与普通混凝土坍落度相同，其坍落速度和过程往往呈现较大的差异。而且多数自密实混凝土的坍落度都接近坍落度筒的高度，彼此差异很小，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动性混凝土的工作特性[2-3]。为了能更好准确、合理、快捷地评价SCC拌合物的工作性，国内外研究人员进行了大量的研究，提出了一系列的试验方法，可分为经验检验方法和流变性能测试方法两类。

1 经验检验方法

1.1 坍落扩展度试验[4-13]

坍落扩展度试验是将混凝土拌合物按要求装满坍落度筒(上直径为100 mm，下直径为200 mm，高度为300 mm，理论容积为5.5 L)，观察提起坍落度筒后混凝土在平板上流动情况。通常以坍落扩展度(SF)、扩展时间(T50)及视觉稳定性指数(VSI)表示混凝土的填充性和抗离析性能。

坍落扩展度试验由于设备简单、操作简便，在SCC等大流动性混凝土的配合比设计及现场施工质量控制中得到普遍应用，国内外相关标准规范均将其作为SCC工作性能评价的基本方法之一，一般要求采用盛料容器装料后再一次性装满坍落度筒，无插捣或振动，测量停止扩展后坍落扩展度，但部分规范在一些细节之处存在差异，如文献[4]规定，用铲子将混凝土分3次加入，每次加入量为坍落度筒体积的1/3(约1.85 L)，中间间隔30 s，无插捣；文献[7]的扩展度试验中要求分3层装料(分别约2.6 L、1.8 L、1.1 L)，每层均匀插捣25次，保证捣实后高度为筒高的1/3；而文献[13]可根据混凝土类型及状态选择装料方式和插捣次数；对坍落度筒提起的时间和高度的规定也各不相同，提起时间从1～3 s、≤5 s到3～7 s不等，这些差异可能导致测试结果之间的偏差，影响其对比性。

1) 坍落扩展度SF

SF为坍落扩展面最大直径和与最大直径呈垂直方向直径的平均值，SF能直观反映拌合物的流动性、填充性，是表征SCC工作性能的基本指标之一。通常以拌合物停止流动时的SF作为测试值，但文献[7]中也可以扩展50 s时的SF作为测试值。

不同规范对SF大小等级的划分有所差异[4-6，8-9，12，14-15]，但总体而言，为保证SCC自密实性能要求，SF一般不宜小于550 mm，否则需采取辅助振捣措施以保证成型质量；对于结构形状复杂、表面光洁度要求高、长度大、壁厚薄或难振捣的构件，SF应大于650 mm；SF大于750 mm，在泵送和浇筑中易发生材料分离现象，因此，SF一般控制在550～750 mm之间。

2) 扩展时间T50

T50(或T500)是指自提起坍落度筒至扩展面直径达到500 mm的时间，T50随SCC粘度的增加呈现递增趋势，粘度越大，拌合物的流动性和填充性能下降，但稳定性、抗离析性能提高，T50一般宜控制在2～6 s，最大不宜超过20 s。

坍落扩展度试验中的T50、L型箱的T60等基于时间的测试方法，通常采用人眼判断，测试结果受人为因素的影响大，存在不确定性[16]。建议利用智能手机录制试验过程，以便后期通过重复读数或图像分析对试验结果进行校核。吕淼[17]利用智能手机作为视频图像采集设备，记录SCC的流动过程状态，并在Matlab软件中利用光流法对SCC的流动状态(混凝土边缘)进行自动识别，结合透视变换，实现了对坍落扩展度和扩展时间的精确读取。

3) 视觉稳定性指数VSI

通过观察坍落扩展面拌合物泌水情况和骨料分布状态，分析视觉稳定性指数[10]或拌合物离析程度[15]，可初步定性判断其抗离析性能。为了实现定量分析，Gökçe[18]设计了带同心圆环格栅的间隔筛试验装置(3-Compartment Sieve，见图1)，将坍落扩展面中心ф500 mm区域划分为3个面积相等的区域，以间隔筛内中心区域与外缘区域之间粗骨料质量的差值与其平均值的比例表征混凝土坍落扩展过程的动态稳定性。筛网孔径宜为粗骨料最大粒径的0.5～0.625 倍。

图1 间隔筛装置示意

1.2 V漏斗试验[5，7，9，12，19-21]

V漏斗试验是将拌合物装满V漏斗静置1 min后，打开漏斗出料口底盖并计时，测量拌合物全部流出(从上部观察出料口透光)的时间，该时间能反映SCC的抗离析性、填充性(粘度、流动性)，以4～25 s为宜。

国内外相关规范中的V漏斗形状类似，倾斜面坡度均为2:1，但漏斗容积和出料口的截面尺寸有所差异。其中，文献[7， 12， 19]中漏斗的理论容积约10.5 L(见图2 a)，而文献[5， 9]中漏斗的理论容积约9.6 L(见图2 b)，上述2种漏斗容积相差约9%，而出料口断面尺寸相同(均为65 mm×75 mm)，因此，其测试结果之间必然存在差异；此外，日本土木学会标准中还提及一种V75型漏斗[20-21]，其出料口尺寸为75 mm×75 mm，容积约10.01 L(见图2 c)。

a

b

c

该方法操作较简便，适用于试验室配合比设计和现场施工质量控制。但因骨料尺寸对测试结果影响较大，粒径过大易造成阻滞，导致流出时间显著偏大、结果失真，因此，骨料粒径不宜大于20 mm[7](或22.4 mm[19])

1.3 L型箱试验[4，12，22]

L型箱由竖直段、水平段及连接处的闸板和钢筋栅组成。在L型箱竖直段装满混凝土(约12.90 L)，静置1 min后提起闸板，混凝土在自重作用下通过钢筋栅流向水平段，水平段与竖直段端头处混凝土高度的比值为通过能力比，比值越接近1，则混凝土流动性、间隙通过能力越好。对于SCC，通常要求通过能力比不小于0.8。其间隙通过能力取决于钢筋栅的类型，钢筋栅由3根或2根Φ12光圆钢筋组成，对应间隙净距分别为41 mm×4或59 mm×3。水平段端头填充高度(最大高度约92 mm)和从提起活动门到混凝土流动至水平段端头(流动距离约60 cm)的时间T60，也可以反映混凝土的填充性和抗离析性能。该方法操作较简单，适用于试验室配合比设计和现场施工质量控制。

1.4 U型箱填充试验[4-5，9，23]

U型箱填充试验是最早的SCC评价方法之一，能评价SCC的间隙通过性能、填充性能，操作较简单，适用于试验室配合比设计和现场施工质量控制。

U型箱按箱体形状可分为U形和箱形2种(见图3)，箱体高为680 mm，宽为200 mm，长为280 mm，箱体中间采用隔板隔开分成A、B两室，底部留190 mm高的连通区域，并设置钢筋制成的格栅型障碍和间隔门。将A室装满混凝土，静置1 min后，打开间隔门，混凝土在自重下穿过钢筋格栅障碍流向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。对于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]；间隙通过性能等级根据格栅障碍的类型进行划分。

不同规范对格栅障碍中钢筋直径、数量及分布的规定有所差异。其中文献[4]中规定U型箱(U形)的钢筋栅由3根Φ12 mm或2根Φ12 mm光圆钢筋构成，间隙净宽平均分布，分别为41 mm×4、59 mm×3；文献[5， 23]中U型箱(U形、箱形)的钢筋栅由5根Φ10 mm或3根Φ13 mm钢筋构成，钢筋间净间距均为35 mm，间隙净宽分别为35 mm×4+5 mm×2、35 mm×2+45.5 mm×2；文献[9]中U型箱(U形、箱形)的钢筋栅由5根Φ10 mm或3根Φ13 mm钢筋构成，钢筋间间距均为35 mm，间隙净宽分别为25 mm×6、22 mm×2+58.5 mm×2。另外，由于缺乏具体规定，不同厂家制作的U型箱箱体中隔板及间隔门的厚度也可能有所差异。

a U形

b 箱形

1.5 J环试验[6-9，24-26]

J环(J型环)试验是在坍落扩展度试验的基础上衍生出的试验方法，将直径300 mm的J环套在坍落度筒外侧，通过对比增加J环障碍前后的坍落扩展度差、J环外缘(或直径300 mm处)与中心部位高差及扩展时间T50变化表征拌合物的间隙通过性能。一般坍落扩展度差值不宜大于50 mm[8-9，26]，障碍高差不宜大于40 mm[6]。

应注意的是，不同规范中J环上布置钢筋的直径和数量有所区别。文献[7-9， 26]中，J环上均匀布置16根Φ16 mm的钢筋，相邻钢筋之间间隙净宽为42.5 mm，适用于骨料粒径不大于20 mm的混凝土拌合物。文献[6]中J环有2种：Ⅰ型J环(16根Φ18 mm钢筋，间隙净宽40.5 mm)、Ⅱ型J环(8根Φ18 mm钢筋，间隙净宽为96.8 mm)，分别适用于骨料粒径不大于20 mm、40 mm的混凝土。文献[25-26]中J环也有2种规格，窄间距型的J型环与文献[6]中的Ⅰ型J环一致；而宽间距型J环，均匀布置有12根Φ18 mm钢筋，间隙净宽为59.6 mm。另外值得注意的是，J环试验中，文献[10-11， 26]中规定坍落度筒倒置，而文献[6-7， 25-26]中坍落度筒正向放置；混凝土一般要求一次性装满坍落度筒，但文献[26]中规定，必要时可分3层装入，每层用捣棒均匀插捣5次。

1.6 离析率筛析试验[6-8， 27]

离析率筛析试验又称GTM筛稳定性试验或浆体筛分法[28-29]，文献[27]中的试验方法规定：取10±0.5 L混凝土试样置于带盖容器中，静置15±0.5 min后，将容器移至套筛(5 mm方孔筛+托盘)上方500±50 mm的高度处，一次性连续均匀地倾倒4.8±0.2 kg混凝土试样(含泌水)于筛上。静置120±5 s后，称量通过筛孔流到托盘上浆体的总质量，其与过筛混凝土总质量的比例为混凝土拌合物离析率，通常将其分为2个等级[6，8，12，14]：≤20%、≤15%。

a 文献[27]

b 文献[6-7]

文献[27]中要求带盖容器(见图4 a)的内径不小于200 mm，容积不小于11 L，但未明确限定其形状尺寸。由于SCC流动性好，倾倒过程易超出4.8±0.2 kg的范围，为使取样更加方便和规范化，文献[6-7]中增加了一个由2节组成的10 L盛料器(Φ208 mm×294 mm，见图4 b)，其中上节高度为60 mm，理论容积为2.0 L。若混凝土表观密度为2 400 kg/m3，则上节部分混凝土的重量约为4.9 kg，满足4.8±0.2 kg的要求，但并未规定试样倾倒的高度。该方法操作较复杂，耗时稍长，适用于试验室检测。

1.7 自密实混凝土静态离析柱试验[9，30]

静态离析柱试验用的圆柱筒由内径为200 mm、高度分别为165 mm、330 mm、165 mm的上、中、下3个圆环重叠组成，其理论容积为20.7 L。试验时，将混凝土拌合物在2 min内不分层一次装满圆柱筒。静置15±1 min后，先后收集上、下环中的混凝土，放置在4.75 mm筛上用清水冲洗除去混凝土中的浆体和细骨料，下部、上部圆环内对应粗骨料的饱和面干质量的差值与其平均值的比例即为静态离析率，一般要求不大于10%[9]。

文献[9]与文献[30]中关于试验步骤的描述稍有差异。文献[30]中规定，达到规定静置时间后，先分别收集上、下圆环中的混凝土，再进行筛洗；而根据文献[9]的描述，需将上环中的混凝土收集、筛洗后，再收集并筛洗下环中的混凝土，因此，在上环混凝土筛洗过程中环内粗骨料继续沉降的影响，下环中的粗骨料含量可能偏大，影响试验结果的对比性。另外，由于上、下圆环容积约5.2 L，上、下各环中混凝土重量可达12.5 kg，采用4.75 mm筛进行筛洗，粗骨料筛分及擦拭工作量大，效率较低，适用于试验室检测SCC的静态抗离析性能。

1.8 拌合物稳定性跳桌试验[4，8]

拌合物稳定性跳桌试验[4]或粗骨料振动离析率跳桌试验[8]，所用的检测筒由内径为115 mm，高度均为100 mm的上、中、下3节组成，理论容积约3.1 L。按规范要求将SCC拌合物用料斗装满稳定性检测筒。将检测筒放置在振幅25±2 mm的跳桌上，以1次/s的频率跳动25次后，分别收集各节筒内拌合物，并置于5 mm的圆孔筛中用清水筛洗。下、上节对应粗骨料湿质量的差值与3节中粗骨料湿质量的平均值的比例，即为粗骨料振动离析率，一般要求不大于10%[4，8]。应注意，该试验用跳桌与水泥胶砂流动度测定仪(跳桌)[31]的振幅(10±0.2 mm)并不相同。该方法操作较复杂，耗时较长，适用于试验室检测SCC的动态抗离析性能。

1.9 Orimet试验[3，32-34]

P.J.M. Bartos[32-33]研制的Orimet漏斗原理与V型漏斗类似，其腔体由长圆柱体(Φ120 mm×660 mm)和倒圆锥台卸料口(下直径80 mm，高度60 mm，圆锥面坡度为3:1)构成，其理论容积为7.9 L(见图5 a)。距倒圆锥台上表面100 mm处还设有2根Φ12 mm相互垂直的钢筋。将拌合物装满Orimet漏斗，打开活动门，记录混凝土流空的时间。

安明哲[34]等人针对我国高流动性混凝土骨料粒径不稳定，骨料超径对流出时间影响大的问题，对Orimet漏斗的尺寸及其构造进行了一下优化调整，其上部圆柱尺寸为Φ150 mm×600 mm，下部倒圆锥台形卸料口下直径为120 mm，高度为60 mm，圆锥面坡度为4:1，理论容积为11.5 L(见图5 b)。

a

b

1.10 O型漏斗试验[20，35]

O型漏斗试验是日本土木学会标准[20]中提及的试验方法，O型漏斗与V型漏斗试验原理及方法相同，可表征拌合物的抗离析性、填充性(粘度、流动性)，其腔体由上部倒圆锥台和下部圆柱构成，倒圆锥台上直径为230 mm，下直径为75 mm，高为465 mm，锥面坡度为6:1，下部圆柱尺寸为Φ75 mm×150 mm[35]，理论容积为9.9 L(见图6)。O型漏斗流出时间一般控制在4～20 s[20]。

1.11 倒置坍落度筒排空试验[7，36-37]

倒置坍落度筒排空试验[7，36]，将混凝土拌合物分2层(每层插捣15次，捣实后1/2筒高)装入倒置的坍落度筒内，打开密封盖并计时，测量混凝土拌合物全部排空的时间，对于泵送高强混凝土，排空时间宜控制在5～20 s[36]。

图6 O型漏斗示意(单位：mm)

该方法操作较简单，但由于坍落度筒容积相对偏小，且卸料口尺寸较大，因此，对低粘度大流动性混凝土，排空时间短，测试结果的准确性受人为因素影响大，一般仅适用于粘度较高的混凝土。ASTM C995-01[37]利用类似方法检测纤维增强混凝土的工作性能，测试时将振动器插入装满拌合物的倒坍落度筒中，测量其排空时间，但因该方法实际应用很少，于2008年废止。

1.12 空心筒贯入试验[38]

文献[38]中的贯入试验所用试验装置见图7，空心筒及圆杆的总质量为45±1 g，筒体内径75±1 mm，壁厚1.5±0.1 mm，高度50±1 mm，筒体上方对称设有直径6 mm的圆形排气孔。试验时，将拌合物装满倒坍落度筒，刮除余料，静置80±5 s后，使带圆杆的空心筒体以零初速自由沉入混凝土中，沉降30±2 s时记录筒体贯入深度。贯入深度越大，表示拌合物抗离析性能越差，宜小于25 mm[38]。该方法操作较简单，能快速测定SCC的静态抗离析性能。

图7 空心筒贯入试验装置示意

1.13 离析性探针沉入度试验[39]

离析性探针沉入度试验与空心筒贯入试验原理类似，以环形探针的沉入深度表征拌合物的粘度、抗离析性能。整个探针由Φ2.38 mm的不锈钢钢丝制成(见图8)，总质量约24 g。试验时，将混凝土拌合物一次性装满Φ150 mm×300 mm的圆筒，静置1 min后，使探针以零初速自由沉入混凝土中，记录沉降30 s时的沉入深度。从拌合物稳定性方面考虑，沉入深度宜控制在7 mm以下[39]。该测试方法简单快速，触变对测试结果影响小，适用于屈服应力较小(<36 Pa)的拌合物，不适用于轻骨料混凝土。

图8 离析性探针试验用改良型探针示意

1.14 Kajima box试验[12，29，40-41]

Kajima box试验(箱型填充试验)的箱体尺寸为500 mm×300 mm×300 mm，采用透明树脂玻璃制作而成，箱体内设置35根Φ20 mm、中心距为50 mm的障碍物(见图9)。通过填充管向容器中填注一定量混凝土后，测量容器内不同位置拌合物的高度。通过对比障碍区域两侧的高度差，能直观判断SCC的间隙通过性能和填充性能。该方法适用于检测钢筋密集结构中粗骨料最大粒径不超过20 mm的SCC的间隙通过性能，但由于试验所需材料用量较多，箱体重量大，清洗不便，难以用于施工现场混凝土质量的控制。

图9 Kajima填充箱示意(单位：mm)

1.15 J型流动仪试验[42]

J型流动仪两侧柱状容器截面为正方形(见图10)，左侧边长为120 mm，总高度为955 mm，右侧边长为150 mm，高度为205 mm，其理论容积约20.0 L。试验前先封闭右侧出口处盖板，将混凝土拌合物从左侧装入并填满容器后，打开盖板，测定左侧容器内混凝土分别下降至100 mm、200 mm刻度的时间差(At)，并测量拌合物停止流动后左侧下降的总高度(S)。S与坍落度的变化趋势一致，可以反映SCC的变形量；At能反映拌合物的粘度，At越大，说明拌合物粘度越大、抗离析性能越好，而流动性越差。该方法能有效反映坍落度≥180 mm混凝土的工作性，对大流动性混凝土的泵送施工具有重要指导意义，但当流动性增大到一定程度时，试验结果的变化幅度较小，难以实现定量评价。

图10 J型流动仪(单位：mm)

2 流变性能测试方法

为了能够准确、直观表征混凝土的流变特性，国内外研究人员先后提出了多种流变模型，如E.C.Bingham提出的Bingham模型(τ=τ0+μγ)，Feys Dimtri等提出的改进Bingham模型(τ=τ0+μγ+cγ2)，法国学者Larrard F de提出的Herschel-Bulkley模型(τ=τ0+aγb)等[43-44]。与Herschel-Bulkley等模型相比，Bingham模型虽然不能与新拌SCC的变形行为很好匹配[28]，但由于其数据分析处理相对简单，参数物理意义较明确，在实际应用中仍占有一席之地。根据Bingham模型，剪切应力(τ，Pa)的大小与剪切速率(γ，s-1)成线性比例关系，SCC的流动特性可用屈服应力(τ0，Pa)和塑性粘度(μ，Pa·s)描述，屈服应力指引发流动所需的最小剪切应力，而塑性粘度反映流体流动过程中的阻力，一般SCC的屈服应力为0～60 Pa，塑性粘度为20～120 Pa·s[16，45-47]。

研究发现[17，45，48-49]，SCC的工作性与其流变特性密切相关，其中，屈服应力与坍落度、坍落扩展度等经验检验方法指标之间有良好的相关性，屈服应力越小，流动性能和填充性能越好；而塑性粘度与T50、V型漏斗时间之间存在良好的相关性，塑性粘度以适中为宜，过低则拌合物易泌水离析，粘度过高也对流动性、填充性产生不利影响。根据SCC屈服应力和塑性粘度的适宜取值范围，结合原材料和配合比参数对屈服应力和塑性粘度的影响，能为混凝土配合比优化提供指导[46]。

测定屈服应力和塑性粘度的仪器通常称为流变仪或粘度计，流变仪按测试原理不同，可分为旋转式(同轴圆筒式、叶片式/叶轮式、两点式、锥板式、圆盘式等)[16，50-51]、落体式(空圆柱仪)[44]、毛细管式(TVC管)[48]等。

由于混凝土流变仪价格昂贵，使用和维护成本高；试验操作及数据分析处理对操作人员专业技术水平要求较高，因此，流变仪大多用于试验研究，不便于施工现场使用。虽然屈服应力和塑性粘度能一定程度上反映SCC的流动性、抗离析稳定性，但无法表征其间隙通过性能；另外，目前常用的旋转式流变仪使用过程中，拌合物会因重力、搅拌离心力的作用而沉降、离析，使试验结果失真(偏小)[28]，因此，流变性能测试方法也需与经验检验方法联合使用才全面、准确地反映SCC的自密实性能。

3 结论与展望

1) 采用单一的方法往往难以全面准确的描述自密实混凝土的填充性、间隙通过性和抗离析性，必须组合2种或2种以上的试验方法才能较准确的判断其工作性能的好坏。

2) 部分经验检验方法由于试验操作复杂、测试结果准确性可靠性差、原材料用量大、检测指标功能单一或原理与其他方法类似等原因，在实际中应用较少。流变性能测试方法也因价格昂贵、操作人员需经专门训练、缺乏标准规范指导、评价指标体系有待完善等原因现场应用很少。试验操作较简便、评价指标体系完善的坍落扩展度、L型箱、U型箱、V型漏斗、J型环试验等试验方法仍将是自密实混凝土拌合物工作性测试首选方法。

3) 不同标准规范对自密实混凝土工作性能试验方法的规定可能存在细节上的差异，而这些仪器设备和试验步骤上的差异可能影响试验结果的准确性和对比性。试验前应确保试验仪器设备与试验方法一致，并严格按规范要求进行操作。对现有测试方法的进一步规范化、标准化、统一化是目前国内外研究人员应致力解决的问题。

4) 部分现行标准规范对自密实混凝土工作性能评价指标的推荐值或限值要求并不一致，给自密实混凝土的推广应用带来不便，建议及时修正和完善，确保指标的科学性、有效性和一致性。