改进坍落度法测试自密实混凝土工作性

李亚龙，赵庆新，李化建，何小军，安同力，赵芸平

(1.燕山大学，秦皇岛 066004；2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081；3.丰润建筑安装工程有限公司，唐山 064000；4.唐山学院，唐山 063000)



改进坍落度法测试自密实混凝土工作性

李亚龙1，赵庆新1，李化建2，何小军1，安同力3，赵芸平4

(1.燕山大学，秦皇岛 066004；2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081；3.丰润建筑安装工程有限公司，唐山 064000；4.唐山学院，唐山 063000)

对坍落度筒进行改进，提出了一种自密实混凝土工作性测试方法，可同时表征自密实混凝土工作性的三个方面：流动性、间隙通过性和抗离析性，并能判别引起间隙通过性不良的原因，具有方便、快捷、适合现场应用等特点。改进坍落度筒扩展度SF在600～700 mm之间，流动性较好；拌合物完全出筒时间TF在4～21 s范围内，椭圆度δ≤2.4%，间隙通过性较好；椭圆度δ≤2.4%，视觉稳定性指数VSI≤1，抗离析性较好。SF>700 mm或4 s≤TF≤7 s，要注意观察拌合物离析倾向。TF>21 s，混凝土流动性不足，引发间隙通过性差；δ>2.4%，混凝土粘聚性不足，引发间隙通过性不良。

自密实混凝土； 工作性； 坍落度筒

1 引 言

自密实混凝土(Self-compacting concrete，简称SCC)是一种新型高性能混凝土，这一概念最早由日本学者Okamnra等于1986年提出[1]，随后东京大学Ozawa等[2]开展了相关研究。顾名思义，自密实混凝土仅依靠自重即可通过钢筋填充模板空隙，为了达到预期的性能，自密实混凝土对于工作性要求很高。自密实混凝土拌合物工作性分为三个方面：流动性、间隙通过性以及抗离析性[3-6]，三方面性能都有对应的测试方法，流动性一般用坍落扩展度和T50等方法测试，间隙通过性一般用J环、L型箱等仪器测试，抗离析性采用筛析试验和视觉稳定性指数等方法测试。每种测试方法基本都只能反映自密实混凝土工作性的某一方面，无法全面包含自密实混凝土工作性的三个方面，必须采用两种或三种测试方法才能对自密实混凝土工作性进行较全面的测试与评估[7]。混凝土工作性的三个方面都符合要求才能实现自密实，由于时间空间的限制实验室测试合格的自密实混凝土到达现场并不一定满足要求，现场施工时一旦将工作性未达标的混凝土拌合物进行浇筑，事后又难以进行修复，会严重影响工程质量。因此事前控制自密实混凝土工作性，即浇筑前的工作性测试，显得尤为重要[8]。

为适应现场快节奏、数量巨大的测试工作量，亟待开发一种适合施工现场应用，能够快速并且仅通过一次试验即可同时得到流动性、间隙通过性以及抗离析性的测试方法。龙广成等[5]开发了一种新拌自密实混凝土工作性测试的填充盒试验方法，该方法主要可以检验自密实混凝土填充效果和混凝土表观质量。龙广成等[7]基于对既有成果的分析和试验研究，开发了一种测试自密实混凝土拌合物工作性的一体化试验装置和方法。分别以流出时间T、动态扩展度FSD以及J环内外拌合物的动态流高差BJD等3个指标评价拌合物的流动速率、填充性能以及间隙通过性能。该装置可以测试自密实混凝土流动性和间隙通过性，使用J环评价自密实混凝土的间隙通过性需要根据使用使用环境选用不同钢筋间距的J环[9]。楼建弟等[10]在L型箱上安装两组红外线传感器，通过测试自密实混凝土通过固定间距的时间反映流动性，然后结合L型箱的间隙通过性综合反映自密实混凝土的工作性。该装置仅采用流动速率表征自密实混凝土流动性不够全面，并且未能反映抗离析性，装置较为复杂。

一些学者致力于提出新的简单易行的测试自密实混凝土工作性某一方面的方法，Roussel N[11]采用LCPC盒子测试自密实混凝土流动性，以流动距离表征流动性大小，该方法简单易行，测试原理与坍落扩展度类似，拌合物在重力产生的剪切力作用下发生流动。Behrouz E等[12]采用斜板箱测试自密实混凝土抗离析性，该方法通过多次倾斜斜板箱模拟混凝土实际流动状态，以贯入深度的差值PDI和容积指数VI评价拌合物的抗离析性。另一些学者对传统自密实混凝土工作性测试方法进行改进，以期测试拌合物工作性的更多方面，Nathan T等[13]研究表明坍落扩展度最终流动时间TF与拌合物动态离析相互关联，并提出采用骨料径向分布梯度表征拌合物动态离析，分布梯度越小，拌合物稳定性越好。张勇[14]等采用自密实混凝土扩展度测试时四项结果(扩展度500 mm的时间T500、扩展度600 mm的时间T600、最终扩展时间Tfin、扩展度DF)表征拌合物稳定性，并根据实验结果总结提出满足四项中三项则可判定拌合物稳定性良好，该方法较Nathan T的方法简单易行。Turgut P[15]等在L型箱测试间隙通过性的基础上，将L型箱中拌合物分成四部分取出并筛洗粗骨料，以各个部分粗骨料含量表征拌合物的抗离析性，该方法操作较为复杂。

Wu等[16]研究了自密实混凝土工作性多种测试方法的可重复性，结果表明：坍落扩展度的可重复性较高。现场普遍应用坍落度筒测试混凝土的工作性，从自密实混凝土工作性测试原理出发，对坍落度筒进行改进，提出了一种工作性测试方法，用于测试自密实混凝土拌合物工作性，能够方便、快捷地测试自密实混凝土的流动性、间隙通过性以及抗离析性，适合现场操作。

2 改进坍落度筒试验方法

2.1 设计思路

在坍落度筒底部布置钢筋栅，模拟混凝土仅凭自重通过钢筋的过程，方便地观察到混凝土通过钢筋栅后的状态并给出评价。钢筋栅的样式、钢筋粗细以及间距是关键参数。

2.2 钢筋栅设计

钢筋栅中钢筋间距不能太疏松，否则起不到阻碍混凝土拌合物的作用；钢筋间距也不能太密，否则即使状态很好的自密实混凝土也很容易产生堵塞，不能分辨混凝土工作性的好坏。如图1所示，共设计了8种钢筋栅形式，初步试验比对分析表明：c、d号钢筋太密，即使状态很好的自密实混凝土也会产生严重的堵塞；e、g号难以对混凝土产生有效的阻碍作用；h号三道钢筋栅划分为四个区域差异性太大；初选a、b、f号截面。三种截面都能达成预期目标，对于流动性较大的混凝土，a号比b号滞留混凝土时间更长，更容易测量；a号比f号加工简单，选定a号作为截面形式。

参考L型箱设计，选定钢筋直径为12 mm，等间距排列。为了接近工程实际，采用带肋钢筋，钢筋摆放样式一致，截面两端纵肋在同一高度，钢筋栅下表皮与坍落度筒底部平齐，钢筋栅采用焊接的方式连接到坍落度筒上。

最终选定图2截面形式，采用直径12 mm带肋钢筋，净间距41 mm，实验采用的自密实混凝土骨料最大粒径为20 mm。

图1 钢筋栅设计Fig.1 Design of steel gate

图2 改进坍落度筒Fig.2 Modified slump cone

2.3 测试过程

试验设备：L型箱，标准坍落度筒两个，其中一个按照图2进行加工，钢筋栅下表皮与坍落度筒底部平齐；尺寸不小于1000 mm×1000 mm的表面绘有多个同心圆的具有足够刚度的钢板，同心圆尺寸参照文献[12]；最小刻度为1 mm的尺子；精确到0.1 s的计时器；取样工具、水平仪以及清洁工具等。

试验步骤：在水平平板上放置经过润湿处理的改进坍落度筒，与中心区210 mm直径圆重合；试验时将拌合物以连续的方式缓慢加入到坍落度筒中，且不施以任何捣实或振动，静置60 s，迅速将改进坍落度筒沿铅直方向连续地向上提至300 mm的高度，提起时间控制在3 s左右；记录拌合物完全出筒时间TF，待拌合物不再流动时测量拌合物扩展度最大直径D1和最小直径D2，用肉眼观察扩展后的混凝土是否存在离析(周围泌水或者骨料堆积等)，根据表1给出VSI值。坍落扩展度、L型箱测试按照文献[17]中规定的方法进行。

表1 视觉稳定性指数(VSI)取值与评价[18]

3 试 验

3.1 材 料

水泥采用冀东P·II42.5水泥，28 d实测强度为44.3 MPa，秦皇岛热电厂的II级粉煤灰，主要化学成分如表2所示。细骨料采用细度模数2.6的II区中砂，空隙率41.4%；粗骨料采用破碎石灰石，5～10 mm和10～20 mm大小石子按照质量比1∶2混合使用，空隙率41.6%，针片状含量3.9%。外加剂采用HP400聚羧酸减水剂，减水率30%，增粘剂羟丙基甲基纤维素(HPMC)。拌合水为自来水。

3.2 配合比设计

图3 混凝土主要因素配合比与形变能力、抗离析性的关系[4]Fig.3 The relationship of anti-segregating,deformation capability and mix proportion of concrete main factors[4]

松罔康训[4]绘出了影响混凝土拌合物性质的主要因素、形变能力和抗离析性关系及其协调的模式，如图3所示，按照流动性和抗离析性这两种相反性质的曲线的平衡可找到不同充填性能的混凝土状态。在充填性曲线上选取五种状态(A、B、C、D、E)，各状态描述见表3。配合比设计思路如下：固定水胶比为0.36，大小石子质量比固定2∶1，粉煤灰掺量30%，调整胶凝材料用量、砂率大小、HPMC和减水剂等用量，调配出对应状态的混凝土，A、B、C三组流动性逐渐变差，是为测试改进坍落度筒对流动性的敏感性；A、D、E三组粘聚性逐渐变差，是为测试改进坍落度筒对粘聚性的敏感性，配合比见表3。

表2 胶凝材料化学组成

表3 试验配合比

表4 工作性测试结果

4 结果与讨论

4.1 测试结果

应用现有工作性测试仪器和改进的坍落度筒进行同步测试，对比测试结果，验证新方法的可行性以及对不同状态混凝土的敏感性。根据表3配合比设计，工作性测试结果见表4。

4.2 振捣强度比

采用振捣强度比表征混凝土的自密实性能，即28 d不振捣强度与振捣强度的比值。根据表4测试结果，如图4所示，由A、B、C三组的对比可知，随着流动性下降，振捣强度比也在下降，即自密实能力随着流动性下降而下降；由A、D、E三组的对比可知，随着粘聚性下降，振捣强度比也在下降，即自密实能力随着粘聚性下降而下降。以上结果满足设计要求。

图4 振捣强度比Fig.4 The ratio of vibrating strength

图5 扩展度与SF比较Fig.5 The comparison of slump flow and SF

4.3 流动性

采用扩展度SF=(D1+D2)/2表征混凝土的流动性，为了检验改进坍落度筒实验和标准坍落度实验的相关性，进行了两种方法的平行对比实验，结果如图5所示，改进坍落度筒测试扩展度SF和坍落度筒测试扩展度有明显的线性关系。一般改进的坍落度筒扩展度比坍落度筒扩展度会稍小一些，这是因为钢筋栅的阻碍作用减小了混凝土拌合物的初动能和促使混凝土拌合物流动的外力τ，并且改进的坍落度筒拌合物体积略小，为坍落度筒体积的99%。改进坍落度筒可以采用扩展度SF表征混凝土的流动性。

4.4 间隙通过性

采用出筒时间TF和椭圆度δ共同表征自密实混凝土间隙通过性。钢筋栅阻碍了混凝土顺利出筒，增加了混凝土出筒时间和混凝土出筒后的椭圆化导向。出筒时间TF表示混凝土完全穿过钢筋的能力，TF越小表示混凝土越容易通过钢筋栅，反之亦然。参考文献[19]定义椭圆度δ=(D1-D2)/(D1+D2)，椭圆度δ为混凝土出筒后扩展度差值百分比，具体为混凝土通过钢筋栅后扩展度最大直径与最小直径差值占扩展度和的百分比，表示混凝土通过钢筋栅后的状态。实验表明：如果混凝土出筒后呈现圆形，此时混凝土粘聚性较好，出筒后依然能够保持较强的粘结力，混凝土能够抑制椭圆化导向，通过钢筋栅并保持原有状态，δ数值较小；如果混凝土出筒后出现较大程度椭圆化，此时混凝土粘聚性较差，混凝土不能有效抑制椭圆化导向，通过钢筋栅后不能保持原有状态，δ数值较大。改进坍落扩展度实验与传统坍落扩展度实验有较大不同，传统坍落扩展度测试是混凝土拌合物自由扩展的过程，改进坍落度筒测试是将拌合物提起一定高度，由于钢筋栅的存在增加了混凝土出筒后的椭圆化导向，是拌合物需要克服钢筋栅的椭圆化导向作用后出筒并从一定高度坠落扩展的过程。由于椭圆化导向的作用，传统坍落扩展度测试时要求扩展度差值应小于50 mm的限定不再适用，并且采用δ这一比值的方法较之限定某一特定值的方法更能表征不同扩展度状态的混凝土。因此采用出筒时间TF和椭圆度δ共同表征自密实混凝土间隙通过性。

混凝土的间隙通过性不良分为两种情况，第一种情况是流动性不足，拌合物无法顺利通过钢筋栅，间隙通过性差；第二种情况是粘聚性不足，此时拌合物流动性很大，浆体无法携带粗骨料顺利通过钢筋栅，粗骨料会在钢筋栅等障碍物处被堵塞，间隙通过性差。如图6(a)所示，根据L型箱测试结果与TF比较可以看出，对于流动性变化产生的间隙通过性问题，A、B、C的TF曲线随着拌合物流动性下降而下降，改进坍落度筒TF在流动性改变时对混凝土间隙通过性非常敏感；对于粘聚性引起的间隙通过性问题，A、D、E的TF曲线随着拌合物粘聚性下降变化很小，呈现略微上升趋势，TF在粘聚性改变时对混凝土间隙通过性不敏感。对于E状态(VSI=2)，L型箱测试使用前需要拌合物静置1 min，在此期间粗骨料下沉导致拌合物在钢筋栅之前堵塞，该混凝土拌合物间隙通过性较差；改进坍落度筒高度较低，拌合物用量较少，骨料在钢筋栅上尚未形成堆积，即被浆体包裹出筒，因此改进坍落度筒TF对于粘聚性不足引发的间隙通过性不良不敏感。根据图6(b)可以看出，由A、D、E曲线变化可知，δ在粘聚性改变时对混凝土间隙通过性十分敏感，混凝土拌合物的粘聚性不足，抗离析性较差(VSI=2)，不能有效抑制钢筋栅椭圆化导向，拌合物出筒后自由扩散，δ测试结果较大，拌合物间隙通过性较差。TF对于流动性引起的间隙通过性不良较为敏感，对于粘聚性引起的间隙通过性不良不太敏感。δ对于粘聚性引起的间隙通过性不良较为敏感。采用TF和δ能够判断混凝土的间隙通过性，并且能够区分引起间隙通过性不良的原因，如果TF较大，则间隙通过性不良由流动性不足引起；如果δ较大，则间隙通过性不良由粘聚性不足引起。

图6 不同配合比的TF(a)与δ(b)Fig.6 Test results of TF and δ in different mixture(a)comparison of L-box H1/H2 and TF;(b)ellipticity δ

4.5 抗离析性

采用视觉稳定性指数VSI和椭圆度δ，判断混凝土拌合物的抗离析性，判定依据见表1所示。VSI≤1的混凝土达到了抗离析性要求[20]，轻微的泌水有助于混凝土表面的光洁；VSI=2或3、或者δ较大，则需要调整混凝土状态，严重的泌水可能导致泵送时候堵泵。

表5 改进坍落度筒测试结果

*.According to the literature[11], diffusion degree to 5 mm.

4.6 参数范围

以A组配合比为基准，调整减水剂和HPMC的用量，共调配出七种状态，其中G组流动性较大并未发生离析，H组离析较为严重，L组流动性不足，I组与M组稍微出现离析，G、I、J、K、M组均能达到自密实状态。配合比及工作性测试结果见表5和图7所示。

文献[17]中自密实混凝土坍落度测试扩展度范围为550～750 mm，根据图4相关性分析结果计算，改进坍落度筒扩展度范围为585～715 mm，结合表5中I与K组扩展度测试结果，SF在600～700 mm之间，流动性较好，见图7(a)。如果扩展度大于700 mm，要注意观察混凝土拌合物离析倾向。

图7 改进坍落度筒测试结果(a)SF;(b)TF;(c)δFig.7 The test results of improved slump con

结合表4和表5结果，TF在4～21 s之间，δ≤2.4%，间隙通过性和抗离析性均较好，如果4 s≤TF≤7 s，要注意观察离析倾向，见图7(b)、(c)。TF<4 s属于不确定区域，需要增加实验进一步判断。如果TF>21 s，δ≤2.4%，则间隙通过性不良由流动性不足引起；如果δ>2.4%，4 s≤TF≤21 s，则间隙通过性不良由粘聚性不足引起；如果TF>21 s，δ>2.4%，则间隙通过性不良由流动性和粘聚性均不足共同引起。

5 结 论

(1) 对坍落度筒进行改进，提出了一种自密实混凝土工作性测试方法，一次试验可同时表征自密实混凝土的流动性、间隙通过性以及抗离析性，并能够区分引起间隙通过性不良的原因，对于调整混凝土状态更有针对性，适合现场操作;

(2)通过试验分析可知：SF在600～700 mm之间，流动性较好；TF在4～21 s之间，δ≤2.4%，间隙通过性较好；VSI≤1，抗离析性较好。如果SF>700 mm或4 s≤TF≤7 s，要注意观察混凝土拌合物离析倾向。如果TF>21 s，δ≤2.4%，则间隙通过性不良由流动性不足引起；如果δ>2.4%，4 s≤TF≤21 s，则间隙通过性不良由粘聚性不足引起；如果TF>21 s，δ>2.4%，则间隙通过性不良由流动性和粘聚性均不足共同引起。

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《硅酸盐通报》征稿简则

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《硅酸盐通报》主要报导：高技术陶瓷、水泥、玻璃、建材、耐火材料、人工晶体、非金属矿及复合材料等相关领域中科学技术研究方面的创新和成果，交流生产和技术经验，追踪硅酸盐行业的前沿发展与动态。旨在全面提升行业科研、生产、教学、设计、管理等学术水平和技术创新能力，追逐专业制高点，为促进国内外无机材料领域的发展服务。

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Self-compacting Concrete Workability Testing by Improved Slump Method

LIYa-long1,ZHAOQing-xin1,LIHua-jian2,HEXiao-jun1,ANTong-li3，ZHAOYun-ping4

(1.Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China;2.Railay Engineering Research Institute,China Academy of Railway Science,Beijing 100081,China;3.Fengrun construction and Installation Engineering Company Limited,Tangshan 064000,China;4.Tangshan College,Tangshan 063000,China)

A new apparatus was developed to conveniently test the workability of the self-compacting concrete (SCC). The fluidity, passing quality through gaps and anti-separation quality of SCC can be determined simultaneously. The reason why poor passing quality through gaps occurs can also be distinguished via this method whose characteristics are convenient, fast and suitable field application. The slump flowSFof modified slump cone between 600 mm to 700 mm indicates that the fluidity of fresh concrete is good. If the time of freshconcreteTFgoing out of the modified slump cone completely is between 4 s and 21 s and the ellipticityδis not larger than 2.4%, which means that the fresh concrete has good passing quality through gaps. If the visual stability indexVSIis not larger than1 and the ellipticityδis less than 2.4%, it can be considered that the anti-separation quality of fresh concrete is good. When the value ofSFis larger than 700 mm or the value ofTFis between 4 s and 7 s, it is important to observe the trend of segregationin fresh concrete mixture.That the value ofTFis larger than 21 s implies the poor fluidity, which leads to the poor passing quality through gaps of fresh concrete.The cohesiveness is inadequate when the value ofδis larger than 2.4%, which leads to poor passing quality through gaps of fresh concrete.

self-compacting concrete;workability;slump cone

国家自然科学基金项目(51578477)；河北省研究生创新资助项目(2016SJSS038)；燕山大学研究生创新资助项目(2015XJSS043)

李亚龙(1991-)，男，硕士研究生.主要从事混凝土材料方面的研究.

赵庆新，博士，教授.

TU528.01

A

1001-1625(2016)12-4110-08