4.1 混凝土拌合物工作性

混凝土拌合物工作性包括流動性、粘聚性、保水性、可塑性、穩定性和易密性等性能。流動性是指混凝土拌合物在自重或施工振搗的作用下，產生流動，并均勻、密實地填滿模型的能力，流動性又稱為稠度。流動性的大小，反映拌合物的稀稠，它關系到施工振搗的難易和澆筑的質量；粘聚性也稱為抗離析性，是指混凝土拌合物有一定的黏聚力，在運輸及澆筑過程中不致出現分層離析，使混凝土保持整體均勻的性能。黏聚性不好的混凝土拌合物，砂漿與石子容易分離，振搗后出現蜂窩、空洞等現象，嚴重影響工程質量；保水性是混凝土拌合物具有一定的保持水分的能力，在施工過程中不致產生較嚴重的泌水。如果保水性差，澆筑振島密實后，一部分水就從內部析出，不僅水滲過的地方會形成毛細管孔隙，成為以后混凝土內部的滲水通道，而且水分及泡沫等輕物質浮在表面，還會使混凝土上下澆筑層之間形成薄弱的夾層。在水分上升時，一部分水還會停留在石子及鋼筋的下面形成水隙，減弱水泥漿與鋼筋的黏結力。這些都將影響混凝土的密實性，并降低混凝土的耐久性；可塑性是指新拌混凝土在外力作用下克服屈服應力產生變形的能力，這種變形能夠把新拌混凝土塑造成為不同形狀的結構體；穩定性表示新拌混凝土依靠自身的重量不產生超過屈服剪切應力的應力，保持構筑物形狀不變的性能；易密性是新拌混凝土在自身的重量或外力作用下，能夠充分均勻密實地分布在不同形狀的構筑物中的性能。

混凝土拌合物工作性（和易性）至今尚沒有能直接測量符合上述定義的和易性的適宜試驗方法。雖然許多學者做了很多嘗試，試圖建立和易性與某些容易測定的物理量的關系，但沒有一種方法是完全令人滿意的。對塑性混凝土普遍采用坍落度試驗，對干硬性混凝土普遍采用維勃稠度試驗，對碾壓混凝土普遍采用VC值試驗。

4.1.1 常態混凝土拌合物流動性

4.1.1.1 混凝土坍落度檢測

坍落度檢測是測量新拌混凝土工作性最早的試驗方法，早在20世紀30年代美國開始采用坍落度試驗量測新拌混凝土的稠度，簡單便捷效果好，是混凝土施工中迄今為止應用最廣泛的一種測量方法。

坍落度試驗主要器具是一個上口直徑為100mm、下口直徑為200mm、高度為300mm的截圓錐容器筒。試驗時將拌好的混凝土分三層裝入筒內，每層用搗棒插搗25次，最后抹平筒口，并將筒體垂直提起。此時新拌混凝土錐體在重力作用下，克服內摩擦阻力而坍落，用尺量取錐體坍落的高度，即為混凝土的坍落度值。

坍落度試驗主要反映了新拌混凝土的流動性。坍落度值越大，新拌混凝土的流動性越大。這種試驗方法主要適用于塑性混凝土，而不適用于坍落度很小或無坍落度的干硬性混凝土。

在進行坍落度試驗的同時，還應檢查混凝土的黏聚性和保水性。檢查混凝土黏聚性的方法，是用搗棒輕打已坍落的混凝土拌合物錐體一側，若錐體漸漸下沉，表示粘聚性良好；如果錐體突然倒塌、部分崩裂或產生石子離析，則表示黏聚性不好。保水性是以混凝土拌合物中稀漿析出的程度來評定的，提起坍落度筒后，如有較多稀漿從底部析出，混凝土拌合物錐體因失漿而骨料外露，表示拌合物保水性不好；如提起坍落度筒后，無稀漿從底部析出或僅有少量稀漿從底部析出，混凝土拌合物錐體含漿飽滿，則表示拌合物保水性好。

坍落度試驗方法詳見《水工混凝土試驗規程》（DL/T 5150或SL 352）中“混凝土拌合物坍落度試驗”。

4.1.1.2 影響常態混凝土拌合物工作性的主要因素

混凝土拌合物工作性，直接影響到工程的施工和結構物的質量。因此弄清楚對新拌混凝土工作性的主要影響因素，并以此來調節工作性以滿足不同的施工要求，是混凝土技術中的一個重要問題。

影響工作性的因素很多，它不僅決定于原材料的特性及配合比，而且還要受到各種外界條件和時間的影響。有時候同一種因素，在不同條件下，可能對工作性產生互相矛盾的影響。

（1）用水量^［4-1］

混凝土中的用水量是工作性的主要影響因素之一。一些學者經試驗證明，新拌混凝土的流動性與用水量有較好的相關關系，可以用下式表示：

式中 y——新拌混凝土的流動性（坍落度或維勃稠度）；

W——混凝土的用水量；

k、n——常數，決定于原材料和試驗方法。

用水量與坍落度的關系，及其與維勃稠度的關系分別如圖4.1-1和圖4.1-2所示。

由式（4.1-1）和圖4.1-1、圖4.1-2可以看出，新拌混凝土的坍落度隨用水量的增加而增加。但是用水量對新拌混凝土工作性的影響較復雜，用水量增加能增加其流動性，但增加到一定程度時，又會降低新拌混凝土的穩定性和抗離析性能。因此采用適當的用水量是保證新拌混凝土在施工中既有良好的流動性又有較好的穩定性和均勻性的關鍵。

（2）骨料最大粒徑^［4-1］

一般來說，骨料最大粒徑越大，在同樣用水量情況下新拌混凝土的流動性越好。因為在相同用水量和水泥用量情況下，水泥漿的粘度基本相同，而骨料最大粒徑越大，則單位體積或單位重量骨料的比表面積就越小，骨料間的內摩擦阻力也就越小，因此新拌混凝土的流動性就越好。正由于骨料的最大粒徑與流動性及用水量有著密切的關系，在配合比設計中，就可以根據施工要求的流動性（如坍落度）和骨料最大粒徑，初步確定混凝土的用水量。增大骨料的最大料徑，雖然可以提高混凝土的流動性，但對穩定性或抗離析性能是不利的。從流變學觀點看，新拌混凝土中的骨料可以看作是懸浮于水泥漿中的固體。斯托克斯在研究剛性球體在液體中的沉降規律時得出如下公式：

式中 v——球體的沉降速度；

g——重力加速度；

r——球體的半徑；

ρ、ρ₀——球體和液體的密度；

η——液體的粘度。

由式（4.1-2）可以看出，在水泥漿漿體密度、粘度相同的情況下，骨料（球體）的沉降速度主要取決于骨料的密度和平均粒徑；而且沉降速度與骨料平均粒徑的平方成正比。因此骨料的最大粒徑越大，則骨料在混凝土中越容易產生沉降離析，新拌混凝土的穩定性就較差。

（3）砂率^［4-2］

砂率是指砂的用量占砂、石總用量的百分數。試驗證明，砂率對混凝土拌合物的和易性有很大影響。混凝土中的砂漿應填滿石子空隙，并把石子顆粒包裹起來，砂漿在混凝土拌合物中起著潤滑的作用，減少了粗骨料之間的摩擦阻力。所以，在一定的砂率范圍內，隨著砂率的增加，潤滑作用愈加顯著，拌合物的塑性粘度降低，流動性提高。如果砂率過小，砂漿量不足，不能在粗骨料周圍產生足夠的砂漿潤滑層，將降低混凝土拌合物的流動性，影響混凝土拌合物的粘聚性和保水性，使粗骨料離析，水泥漿流失，甚至出現崩散現象。反之，砂率過大，粗骨料含量相對較少，骨料的空隙率及總表面積都較大，在水灰比及水泥用量一定的條件下，混凝土拌合物顯得干稠，流動性顯著降低。因此，混凝土的砂率既不能過大，也不能過小，應取最優砂率。

所謂最優砂率，是在水灰比及用水量一定的條件下，能使混凝土拌合物在保持黏聚性和保水性良好的前提下，獲得最大流動性的砂率。也即在水灰比一定的條件下，當混凝土拌合物達到要求的流動性，而且具有良好的黏聚性及保水性時，水泥用量最省的砂率。

（4）骨料品種

骨料品種對混凝土拌合物工作性的影響主要指骨料顆粒形態的影響，骨料顆粒形態影響混凝土拌合物的內摩擦阻力，外形圓、表面光滑的骨料（如卵石），其表面積小、內摩擦阻力較小，在一定用水量條件下可以得到較大的流動性；而外形多棱角、表面粗糙的骨料（如碎石），其表面積大，內摩擦阻力較大，在相同用水量情況下混凝土拌合物的流動性就小。

人工骨料巖石種類的影響，石灰巖碎石粒形較好，幾何尺寸比較均勻，外表面較細密，而結晶花崗巖碎石的粒形較差，表面粗糙，針片狀含量較大。因此，采用石灰巖碎石的混凝土比采用粗結晶花崗巖碎石的混凝土的流動性好，要達到相同的坍落度，前者比后者用水量少。

國外有些學者曾采用骨料的棱角系數或棱角指數來表示骨料的外形特征，不同骨料的棱角指數列表4.1-1^［4-1］。有些學者建立了骨料棱角數和新拌混凝土密實因數的關系如圖4.1-3。^［4-1］

由圖4.1-3可以看出，骨料的棱角數越大，新拌混凝土的工作性越差。國內大壩混凝土的實踐證明，在達到相同流動度的條件下，采用人工碎石骨料，要比天然骨料拌制的混凝土用水量增加9～15kg/m³。一般來說，表面粗糙多孔的骨料，也會增加內摩擦阻力，在一定程度上也會使新拌混凝土的工作性下降。

（5）水膠比和骨灰比^［4-1］

水膠比對新拌混凝土工作性的影響，主要反映在水泥漿的性能上。水泥漿的水膠比越大，漿體的粘度和屈服應力都將降低。水泥漿體可以看作是骨料流動時的潤滑劑。當水泥漿的屈服應力和粘度降低，骨料間的內摩擦阻力也降低，從而提高了新拌混凝土的流動性。但是如果水膠比過大，漿體的屈服應力和粘度降低過多，也會影響到新拌混凝土的穩定性。

當混凝土中水膠比一定時，骨料體積與水泥漿體積之比，即骨灰比，它對新拌混凝土的工作性也有一定的影響。當骨灰比大于2時，骨灰比越大，骨料間的潤滑作用越低，新拌混凝土的工作性就較差。而降低骨灰比，可使新拌混凝土的工作性改善。當骨灰比小于2時，這種影響基本消失。

（6）外加劑的品種及其摻量^［4-2］

在混凝土拌合物中摻加適量的外加劑，能夠改善拌合物的和易性?；炷林袚饺敫咝p水劑后，坍落度隨摻量的增加而增大，一般摻量在0.5%以內（按膠凝材料質量計），坍落度增加幅度較大，超過0.5%以后，坍落度增加幅度較小。

引氣劑也有改善混凝土拌合物和易性的效果，但效果不如減水劑。

高效減水劑的減水率在14%以上，引氣劑減水率大約在6%～8%，引氣劑與高效減水劑聯合摻用減水率可達25%左右。摻有萘系高效減水劑的混凝土，混凝土坍落度易于損失，對于用無水石膏作為水泥調凝劑時更加突出，這可能與選擇性吸附有關。當萘系減水劑溶于水后迅速地被吸附在水泥中的鋁酸鹽相（C₂A）和鐵鋁酸鹽相（C₄AF）上，減少了對硅酸鹽相（C₃S和C₂S）水化時所需的減水劑濃度，也就是減少了水泥凝膠粒子表面的電位值，因而和易性較差。同時，也因水泥水化作用加快，水化產物增多，導致水泥漿體系的粘度增大。而摻羧酸系減水劑的混凝土坍落度損失較小，這主要是因為羧酸系減水劑在水泥漿體系中的作用原理，不同于萘系減水劑。萘系減水劑的減水作用是依靠水泥顆粒吸附大量的聚合物分子，使其產生同樣的負電荷，相互間形成同性電荷的排斥力，即形成電位勢達到分散水泥顆粒的作用，從而增加流動性。但羧酸系減水劑產生的電位勢較小，只有0.3～5mV。它主要是通過高聚物分子的側長鏈的位阻效應，也就是說，在水泥體系中水泥顆粒表面吸附大量的羧酸系高效減水劑中側長鏈（即長鏈）來阻止水泥團粒結構形成的絮凝體，從而達到分散水泥顆粒的作用。

（7）水泥品種和用量^［4-2］

不同品種的水泥在達到一定流動度時的需水量是不一樣的。表4.1-2^［4-1］列出了幾種水泥達到標準稠度時的需水量范圍。

在加水量相同的情況下，采用需水量小的水泥，將使新拌混凝土得到較好的流動性。在常用的普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥和火山灰質硅酸鹽水泥中，其中火山灰質硅酸鹽水泥的需水量最大，在達到相同流動度時，混凝土用水量一般要增加15～20kg/m³。

采用標準稠度用水量大的水泥品種，如火山灰質水泥，當用水量一定時，這種水泥漿的流動性低，混凝土工作性也差。又如采用保水性差的水泥品種，由于泌水，會降低混凝土拌合物的和易性，這種水泥以礦渣硅酸鹽水泥較為明顯。水泥的細度增加，說明水泥顆?？偙砻娣e增大，潤濕和潤滑水泥顆粒的水量加大，若用水量一定，混凝土坍落度會減少。水泥用量較大，在用水量相同時，水泥漿較稠，拌合物的粘聚性較好，泌水較小，但流動性較??；反之，水泥用量較小，在用水量相同時，水泥漿較稀，拌合物流動性較大，但黏聚性較差，泌水較多。在工程中，在滿足和易性、強度和耐久性要求前提下，盡可能減少水泥用量。

（8）摻合料

摻合料對新拌混凝土工作性的影響類似于水泥品種的影響。不同品種的拌合料，達到一定流動度時需水量（用需水量比表示）是不同的。就是同一品種，如大壩混凝土中常用的粉煤灰，由于其細度、粒形、表面狀態和含碳量的差別，他們的需水量比也有較大的差別。一般來說，粉煤灰顆粒越粗，顆粒形態和表面形狀也不好（微珠少，表面粗糙），需水量比就越大；或者粉煤中含碳量越大，需水量比也越大。摻用這種粉煤灰時，就可能降低新拌混凝土的工作性。采用優質粉煤灰，不僅可能改善混凝土的流動性，而且在一定情況下，可以增加新拌混凝土的保水能力，即可減少泌水，增加新拌混凝土的均勻性。

如摻用Ⅰ級粉煤灰，因其含有較多的球形顆粒，能有效地減少用水量，改善新拌混凝土的工作性。在條件允許時，應盡量摻用Ⅰ級粉煤灰。

在水利水電工程中，為了提高混凝土的抗沖磨性能，有的還采用硅粉。硅粉因其比表面積比水泥大100倍，使混凝土用水量增加，因此必須同時采用高效減水劑，才能保證混凝土拌合物的工作性。

對于礦渣類的摻合料，其表面積的大小對混凝土拌合物的和易性有一定影響。一般來說，細度粗，需水量小，對拌合物的工作性影響較小。

總之，根據工程具體條件，合理摻用摻合料，以達到技術經濟較優的目的。

（9）時間

在原材料和配合比一定的情況下，新拌混凝土工作性的變化，主要決定于時間。新拌混凝土中水泥的水化反應隨著時間的延長而發展，水泥的漿體結構也在不斷變化。在一般情況下，水泥漿體的屈服應力和黏度都隨著時間的延長而增加。因此新拌混凝土的工作性將隨時間的延長而降低。當混凝土達到初凝時，則新拌混凝土將完全失去工作性。圖4.1-4^［4-1］表示了某種混凝土工作性隨時間而逐步降低的過程。

（10）溫度

在不同的環境溫度下，水泥水化反應的速度是不同的。環境溫度越高，水泥水化反應的速度越快，水泥漿體中的凝聚結構越多，黏度越大，因此新拌混凝土的工作性越差。圖4.1-5^［4-2］表示了兩種新拌混凝土在不同環境溫度下測得的坍落度值。從圖可見，混凝土坍落度隨溫度升高而降低。另外，混凝土坍落度損失與溫度有關，溫度高時，坍落度損失要大些，一般溫度每增加10℃，坍落度損失增加20～40mm。

4.1.2 碾壓混凝土拌合物工作度（VC值）

4.1.2.1 碾壓混凝土工作度（VC值）檢測^［4-3］

工作度是碾壓混凝土拌合物的一個重要特性，對不同振動特性的振動碾和不同碾壓層厚度應有與其相適應的碾壓混凝土工作度，方能保證碾壓質量。

研究結果表明，振動液化臨界時間隨混凝土振動加速度和表面壓強的增大而減小。因此，采用振動液化臨界時間表示混凝土的工作度，必須對振動臺的振動參數和表面壓強確定統一的標準，以便于現場施工質量控制和試驗結果的分析比較。

試驗結果證明，維勃試驗臺用于測定碾壓混凝土工作度，振動臺參數（頻率、振幅）是合適的。但是，表面加荷不足，維勃稠度試驗的表面壓荷質量只有（2.75±0.05）kg，還需要再增加（15±0.05）kg質量才能滿足試驗要求。碾壓混凝土工作度測定法是在維勃稠度試驗法的基礎上增加表面壓荷到（17.75±0.1）kg，所以稱為改良型維勃稠度測定法。碾壓混凝土工作度（VC值）試驗方法詳見《水工混凝土試驗規程》（DL/T 5150或SL 352）。

4.1.2.2 影響碾壓混凝土拌合物工作性的主要因素

（1）用水量^［4-3］

碾壓混凝土流動度主要由單位體積用水量決定。“李斯（Lyse's rule）恒用水量定則”同樣適用于碾壓混凝土。試驗結果說明，當原材料、最大骨料粒徑和砂率不變時，如果用水量不變，在實用范圍內即使水泥用量變化，碾壓混凝土的流動度也大致保持不變。這個定則對碾壓混凝土配合比設計和調整是極其便利的，只要單位體積用水量不變，變動水膠比可獲得相同工作度的碾壓混凝土。

（2）砂率

砂率對碾壓混凝土工作度影響的試驗結果表明，當用水量和膠凝材料用量不變時，隨著砂率減小，碾壓混凝土工作度減小，見圖4.1-6^［4-3］。砂率減小到一定程度后，再繼續減小砂率，相應粗骨料用量增加，砂漿充滿粗骨料空隙并泛漿到表面的時間增長，所以碾壓混凝土的工作度反而增大。圖4.1-6曲線的最低點所對應的砂率即為最佳砂率。選用最佳砂率可得到最易壓實的碾壓混凝土。

在選擇砂率時還應考慮碾壓混凝土施工中骨料分離情況。對人工骨料最大骨料粒徑為80mm的碾壓混凝土，砂率一般為28%～34%。

（3）粗骨料品種

卵石和碎石由于表面形狀和粗糙度不同，需要被水泥砂漿包裹的表面積不同，因此在同一配合比條件下，采用碎石骨料的碾壓混凝土工作度要比采用卵石骨料的碾壓混凝土工作度大，為得到同一工作度的碾壓混凝土，采用碎石骨料所用水泥砂漿量要比卵石骨料多，試驗結果見表4.1-3^［4-3］。

（4）人工砂中微粒含量

人工砂生產伴隨產生一部分比砂料最小粒徑0.15mm更細的部分，稱為石粉。石粉中與水泥細度相同部分，即粒徑小于0.08mm的微粒，在碾壓混凝土中可以起到非活性摻合料作用。微粒除不具有粉煤灰二次水化反應效果外，與粉煤灰一樣，可以改善碾壓混凝土和易性。

試驗表明，細骨料中的微粒含量對碾壓混凝土工作度有不可忽視的影響，見圖4.1-7^［4-5］。隨著微粒含量的增加，碾壓混凝土的工作度相應減小，也就是說，為取得同一工作度的碾壓混凝土用水量減少。由此證明，微粒對碾壓混凝土有減水作用。

（5）粉煤灰品質

粉煤灰品質優劣對碾壓混凝土工作度有明顯影響，在相同的用水量和膠材用量下，摻量相同而品質不同的粉煤灰，碾壓混凝土工作度相差較大；如果采用相同的摻量，兩種粉煤灰要得到相同的工作度，則用水量相差較多。

以1983年沙溪口水電站開關站和2003年龍灘壩相差20年的兩個碾壓混凝土工程為例，說明粉煤灰品質對用水量的影響，見表4.1-4和表4.1-5^［4-3］。

龍灘壩采用的兩種粉煤灰品質檢驗結果見表4.1-6^［4-3］。

邵武粉煤灰的細度和需水量比均比南平粉煤灰小。通過掃描電子顯微鏡直接觀察，邵武粉煤灰的顆粒細小、多呈球狀，而南平粉煤灰則多呈玻璃狀。如果采用相同的摻量，兩種粉煤灰要得到相同的工作度，則南平粉煤灰的用水量要比邵武粉煤灰多用16kg/m³。

龍灘壩兩種混凝土，VC值、含氣量、水泥用量、外加劑摻量和粉煤灰摻量均相同，唯有粉煤灰品質不同，其用水量相差7kg/m³。

（6）外加劑

膠材用量和用水量不變，摻加幾種常用品牌的外加劑對碾壓混凝土工作度（VC值）無明顯影響。以20世紀80年代常用的外加劑和2000年以來常用的外加劑為例，說明國內幾種常用外加劑對碾壓混凝土工作度無顯著性影響，見表4.1-7和表4.1-8^［4-3］。

（7）出機后停擱時間對工作度（VC值）的影響

碾壓混凝土出攪拌機后，拌合物中一部分水被骨料所吸收，一部分水蒸發，還有一部分水參與水泥水化反應，所以碾壓混凝土拌合物隨著擱置時間延長而逐漸變稠，試驗結果見圖4.1-8^［4-3］。出機VC值為14s的碾壓混凝土，擱置2h的VC值增加10s，擱置4.5h的VC值增至40s，此時已使振動碾壓十分困難。