4.1 混凝土拌合物工作性

混凝土拌合物工作性包括流动性、粘聚性、保水性、可塑性、稳定性和易密性等性能。流动性是指混凝土拌合物在自重或施工振捣的作用下，产生流动，并均匀、密实地填满模型的能力，流动性又称为稠度。流动性的大小，反映拌合物的稀稠，它关系到施工振捣的难易和浇筑的质量；粘聚性也称为抗离析性，是指混凝土拌合物有一定的黏聚力，在运输及浇筑过程中不致出现分层离析，使混凝土保持整体均匀的性能。黏聚性不好的混凝土拌合物，砂浆与石子容易分离，振捣后出现蜂窝、空洞等现象，严重影响工程质量；保水性是混凝土拌合物具有一定的保持水分的能力，在施工过程中不致产生较严重的泌水。如果保水性差，浇筑振岛密实后，一部分水就从内部析出，不仅水渗过的地方会形成毛细管孔隙，成为以后混凝土内部的渗水通道，而且水分及泡沫等轻物质浮在表面，还会使混凝土上下浇筑层之间形成薄弱的夹层。在水分上升时，一部分水还会停留在石子及钢筋的下面形成水隙，减弱水泥浆与钢筋的黏结力。这些都将影响混凝土的密实性，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应力产生变形的能力，这种变形能够把新拌混凝土塑造成为不同形状的结构体；稳定性表示新拌混凝土依靠自身的重量不产生超过屈服剪切应力的应力，保持构筑物形状不变的性能；易密性是新拌混凝土在自身的重量或外力作用下，能够充分均匀密实地分布在不同形状的构筑物中的性能。

混凝土拌合物工作性（和易性）至今尚没有能直接测量符合上述定义的和易性的适宜试验方法。虽然许多学者做了很多尝试，试图建立和易性与某些容易测定的物理量的关系，但没有一种方法是完全令人满意的。对塑性混凝土普遍采用坍落度试验，对干硬性混凝土普遍采用维勃稠度试验，对碾压混凝土普遍采用VC值试验。

4.1.1 常态混凝土拌合物流动性

4.1.1.1 混凝土坍落度检测

坍落度检测是测量新拌混凝土工作性最早的试验方法，早在20世纪30年代美国开始采用坍落度试验量测新拌混凝土的稠度，简单便捷效果好，是混凝土施工中迄今为止应用最广泛的一种测量方法。

坍落度试验主要器具是一个上口直径为100mm、下口直径为200mm、高度为300mm的截圆锥容器筒。试验时将拌好的混凝土分三层装入筒内，每层用捣棒插捣25次，最后抹平筒口，并将筒体垂直提起。此时新拌混凝土锥体在重力作用下，克服内摩擦阻力而坍落，用尺量取锥体坍落的高度，即为混凝土的坍落度值。

坍落度试验主要反映了新拌混凝土的流动性。坍落度值越大，新拌混凝土的流动性越大。这种试验方法主要适用于塑性混凝土，而不适用于坍落度很小或无坍落度的干硬性混凝土。

在进行坍落度试验的同时，还应检查混凝土的黏聚性和保水性。检查混凝土黏聚性的方法，是用捣棒轻打已坍落的混凝土拌合物锥体一侧，若锥体渐渐下沉，表示粘聚性良好；如果锥体突然倒塌、部分崩裂或产生石子离析，则表示黏聚性不好。保水性是以混凝土拌合物中稀浆析出的程度来评定的，提起坍落度筒后，如有较多稀浆从底部析出，混凝土拌合物锥体因失浆而骨料外露，表示拌合物保水性不好；如提起坍落度筒后，无稀浆从底部析出或仅有少量稀浆从底部析出，混凝土拌合物锥体含浆饱满，则表示拌合物保水性好。

坍落度试验方法详见《水工混凝土试验规程》（DL/T 5150或SL 352）中“混凝土拌合物坍落度试验”。

4.1.1.2 影响常态混凝土拌合物工作性的主要因素

混凝土拌合物工作性，直接影响到工程的施工和结构物的质量。因此弄清楚对新拌混凝土工作性的主要影响因素，并以此来调节工作性以满足不同的施工要求，是混凝土技术中的一个重要问题。

影响工作性的因素很多，它不仅决定于原材料的特性及配合比，而且还要受到各种外界条件和时间的影响。有时候同一种因素，在不同条件下，可能对工作性产生互相矛盾的影响。

（1）用水量^［4-1］

混凝土中的用水量是工作性的主要影响因素之一。一些学者经试验证明，新拌混凝土的流动性与用水量有较好的相关关系，可以用下式表示：

式中 y——新拌混凝土的流动性（坍落度或维勃稠度）；

W——混凝土的用水量；

k、n——常数，决定于原材料和试验方法。

用水量与坍落度的关系，及其与维勃稠度的关系分别如图4.1-1和图4.1-2所示。

由式（4.1-1）和图4.1-1、图4.1-2可以看出，新拌混凝土的坍落度随用水量的增加而增加。但是用水量对新拌混凝土工作性的影响较复杂，用水量增加能增加其流动性，但增加到一定程度时，又会降低新拌混凝土的稳定性和抗离析性能。因此采用适当的用水量是保证新拌混凝土在施工中既有良好的流动性又有较好的稳定性和均匀性的关键。

（2）骨料最大粒径^［4-1］

一般来说，骨料最大粒径越大，在同样用水量情况下新拌混凝土的流动性越好。因为在相同用水量和水泥用量情况下，水泥浆的粘度基本相同，而骨料最大粒径越大，则单位体积或单位重量骨料的比表面积就越小，骨料间的内摩擦阻力也就越小，因此新拌混凝土的流动性就越好。正由于骨料的最大粒径与流动性及用水量有着密切的关系，在配合比设计中，就可以根据施工要求的流动性（如坍落度）和骨料最大粒径，初步确定混凝土的用水量。增大骨料的最大料径，虽然可以提高混凝土的流动性，但对稳定性或抗离析性能是不利的。从流变学观点看，新拌混凝土中的骨料可以看作是悬浮于水泥浆中的固体。斯托克斯在研究刚性球体在液体中的沉降规律时得出如下公式：

式中 v——球体的沉降速度；

g——重力加速度；

r——球体的半径；

ρ、ρ₀——球体和液体的密度；

η——液体的粘度。

由式（4.1-2）可以看出，在水泥浆浆体密度、粘度相同的情况下，骨料（球体）的沉降速度主要取决于骨料的密度和平均粒径；而且沉降速度与骨料平均粒径的平方成正比。因此骨料的最大粒径越大，则骨料在混凝土中越容易产生沉降离析，新拌混凝土的稳定性就较差。

（3）砂率^［4-2］

砂率是指砂的用量占砂、石总用量的百分数。试验证明，砂率对混凝土拌合物的和易性有很大影响。混凝土中的砂浆应填满石子空隙，并把石子颗粒包裹起来，砂浆在混凝土拌合物中起着润滑的作用，减少了粗骨料之间的摩擦阻力。所以，在一定的砂率范围内，随着砂率的增加，润滑作用愈加显著，拌合物的塑性粘度降低，流动性提高。如果砂率过小，砂浆量不足，不能在粗骨料周围产生足够的砂浆润滑层，将降低混凝土拌合物的流动性，影响混凝土拌合物的粘聚性和保水性，使粗骨料离析，水泥浆流失，甚至出现崩散现象。反之，砂率过大，粗骨料含量相对较少，骨料的空隙率及总表面积都较大，在水灰比及水泥用量一定的条件下，混凝土拌合物显得干稠，流动性显著降低。因此，混凝土的砂率既不能过大，也不能过小，应取最优砂率。

所谓最优砂率，是在水灰比及用水量一定的条件下，能使混凝土拌合物在保持黏聚性和保水性良好的前提下，获得最大流动性的砂率。也即在水灰比一定的条件下，当混凝土拌合物达到要求的流动性，而且具有良好的黏聚性及保水性时，水泥用量最省的砂率。

（4）骨料品种

骨料品种对混凝土拌合物工作性的影响主要指骨料颗粒形态的影响，骨料颗粒形态影响混凝土拌合物的内摩擦阻力，外形圆、表面光滑的骨料（如卵石），其表面积小、内摩擦阻力较小，在一定用水量条件下可以得到较大的流动性；而外形多棱角、表面粗糙的骨料（如碎石），其表面积大，内摩擦阻力较大，在相同用水量情况下混凝土拌合物的流动性就小。

人工骨料岩石种类的影响，石灰岩碎石粒形较好，几何尺寸比较均匀，外表面较细密，而结晶花岗岩碎石的粒形较差，表面粗糙，针片状含量较大。因此，采用石灰岩碎石的混凝土比采用粗结晶花岗岩碎石的混凝土的流动性好，要达到相同的坍落度，前者比后者用水量少。

国外有些学者曾采用骨料的棱角系数或棱角指数来表示骨料的外形特征，不同骨料的棱角指数列表4.1-1^［4-1］。有些学者建立了骨料棱角数和新拌混凝土密实因数的关系如图4.1-3。^［4-1］

由图4.1-3可以看出，骨料的棱角数越大，新拌混凝土的工作性越差。国内大坝混凝土的实践证明，在达到相同流动度的条件下，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。一般来说，表面粗糙多孔的骨料，也会增加内摩擦阻力，在一定程度上也会使新拌混凝土的工作性下降。

（5）水胶比和骨灰比^［4-1］

水胶比对新拌混凝土工作性的影响，主要反映在水泥浆的性能上。水泥浆的水胶比越大，浆体的粘度和屈服应力都将降低。水泥浆体可以看作是骨料流动时的润滑剂。当水泥浆的屈服应力和粘度降低，骨料间的内摩擦阻力也降低，从而提高了新拌混凝土的流动性。但是如果水胶比过大，浆体的屈服应力和粘度降低过多，也会影响到新拌混凝土的稳定性。

当混凝土中水胶比一定时，骨料体积与水泥浆体积之比，即骨灰比，它对新拌混凝土的工作性也有一定的影响。当骨灰比大于2时，骨灰比越大，骨料间的润滑作用越低，新拌混凝土的工作性就较差。而降低骨灰比，可使新拌混凝土的工作性改善。当骨灰比小于2时，这种影响基本消失。

（6）外加剂的品种及其掺量^［4-2］

在混凝土拌合物中掺加适量的外加剂，能够改善拌合物的和易性。混凝土中掺入高效减水剂后，坍落度随掺量的增加而增大，一般掺量在0.5%以内（按胶凝材料质量计），坍落度增加幅度较大，超过0.5%以后，坍落度增加幅度较小。

引气剂也有改善混凝土拌合物和易性的效果，但效果不如减水剂。

高效减水剂的减水率在14%以上，引气剂减水率大约在6%～8%，引气剂与高效减水剂联合掺用减水率可达25%左右。掺有萘系高效减水剂的混凝土，混凝土坍落度易于损失，对于用无水石膏作为水泥调凝剂时更加突出，这可能与选择性吸附有关。当萘系减水剂溶于水后迅速地被吸附在水泥中的铝酸盐相（C₂A）和铁铝酸盐相（C₄AF）上，减少了对硅酸盐相（C₃S和C₂S）水化时所需的减水剂浓度，也就是减少了水泥凝胶粒子表面的电位值，因而和易性较差。同时，也因水泥水化作用加快，水化产物增多，导致水泥浆体系的粘度增大。而掺羧酸系减水剂的混凝土坍落度损失较小，这主要是因为羧酸系减水剂在水泥浆体系中的作用原理，不同于萘系减水剂。萘系减水剂的减水作用是依靠水泥颗粒吸附大量的聚合物分子，使其产生同样的负电荷，相互间形成同性电荷的排斥力，即形成电位势达到分散水泥颗粒的作用，从而增加流动性。但羧酸系减水剂产生的电位势较小，只有0.3～5mV。它主要是通过高聚物分子的侧长链的位阻效应，也就是说，在水泥体系中水泥颗粒表面吸附大量的羧酸系高效减水剂中侧长链（即长链）来阻止水泥团粒结构形成的絮凝体，从而达到分散水泥颗粒的作用。

（7）水泥品种和用量^［4-2］

不同品种的水泥在达到一定流动度时的需水量是不一样的。表4.1-2^［4-1］列出了几种水泥达到标准稠度时的需水量范围。

在加水量相同的情况下，采用需水量小的水泥，将使新拌混凝土得到较好的流动性。在常用的普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和火山灰质硅酸盐水泥中，其中火山灰质硅酸盐水泥的需水量最大，在达到相同流动度时，混凝土用水量一般要增加15～20kg/m³。

采用标准稠度用水量大的水泥品种，如火山灰质水泥，当用水量一定时，这种水泥浆的流动性低，混凝土工作性也差。又如采用保水性差的水泥品种，由于泌水，会降低混凝土拌合物的和易性，这种水泥以矿渣硅酸盐水泥较为明显。水泥的细度增加，说明水泥颗粒总表面积增大，润湿和润滑水泥颗粒的水量加大，若用水量一定，混凝土坍落度会减少。水泥用量较大，在用水量相同时，水泥浆较稠，拌合物的粘聚性较好，泌水较小，但流动性较小；反之，水泥用量较小，在用水量相同时，水泥浆较稀，拌合物流动性较大，但黏聚性较差，泌水较多。在工程中，在满足和易性、强度和耐久性要求前提下，尽可能减少水泥用量。

（8）掺合料

掺合料对新拌混凝土工作性的影响类似于水泥品种的影响。不同品种的拌合料，达到一定流动度时需水量（用需水量比表示）是不同的。就是同一品种，如大坝混凝土中常用的粉煤灰，由于其细度、粒形、表面状态和含碳量的差别，他们的需水量比也有较大的差别。一般来说，粉煤灰颗粒越粗，颗粒形态和表面形状也不好（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。掺用这种粉煤灰时，就可能降低新拌混凝土的工作性。采用优质粉煤灰，不仅可能改善混凝土的流动性，而且在一定情况下，可以增加新拌混凝土的保水能力，即可减少泌水，增加新拌混凝土的均匀性。

如掺用Ⅰ级粉煤灰，因其含有较多的球形颗粒，能有效地减少用水量，改善新拌混凝土的工作性。在条件允许时，应尽量掺用Ⅰ级粉煤灰。

在水利水电工程中，为了提高混凝土的抗冲磨性能，有的还采用硅粉。硅粉因其比表面积比水泥大100倍，使混凝土用水量增加，因此必须同时采用高效减水剂，才能保证混凝土拌合物的工作性。

对于矿渣类的掺合料，其表面积的大小对混凝土拌合物的和易性有一定影响。一般来说，细度粗，需水量小，对拌合物的工作性影响较小。

总之，根据工程具体条件，合理掺用掺合料，以达到技术经济较优的目的。

（9）时间

在原材料和配合比一定的情况下，新拌混凝土工作性的变化，主要决定于时间。新拌混凝土中水泥的水化反应随着时间的延长而发展，水泥的浆体结构也在不断变化。在一般情况下，水泥浆体的屈服应力和黏度都随着时间的延长而增加。因此新拌混凝土的工作性将随时间的延长而降低。当混凝土达到初凝时，则新拌混凝土将完全失去工作性。图4.1-4^［4-1］表示了某种混凝土工作性随时间而逐步降低的过程。

（10）温度

在不同的环境温度下，水泥水化反应的速度是不同的。环境温度越高，水泥水化反应的速度越快，水泥浆体中的凝聚结构越多，黏度越大，因此新拌混凝土的工作性越差。图4.1-5^［4-2］表示了两种新拌混凝土在不同环境温度下测得的坍落度值。从图可见，混凝土坍落度随温度升高而降低。另外，混凝土坍落度损失与温度有关，温度高时，坍落度损失要大些，一般温度每增加10℃，坍落度损失增加20～40mm。

4.1.2 碾压混凝土拌合物工作度（VC值）

4.1.2.1 碾压混凝土工作度（VC值）检测^［4-3］

工作度是碾压混凝土拌合物的一个重要特性，对不同振动特性的振动碾和不同碾压层厚度应有与其相适应的碾压混凝土工作度，方能保证碾压质量。

研究结果表明，振动液化临界时间随混凝土振动加速度和表面压强的增大而减小。因此，采用振动液化临界时间表示混凝土的工作度，必须对振动台的振动参数和表面压强确定统一的标准，以便于现场施工质量控制和试验结果的分析比较。

试验结果证明，维勃试验台用于测定碾压混凝土工作度，振动台参数（频率、振幅）是合适的。但是，表面加荷不足，维勃稠度试验的表面压荷质量只有（2.75±0.05）kg，还需要再增加（15±0.05）kg质量才能满足试验要求。碾压混凝土工作度测定法是在维勃稠度试验法的基础上增加表面压荷到（17.75±0.1）kg，所以称为改良型维勃稠度测定法。碾压混凝土工作度（VC值）试验方法详见《水工混凝土试验规程》（DL/T 5150或SL 352）。

4.1.2.2 影响碾压混凝土拌合物工作性的主要因素

（1）用水量^［4-3］

碾压混凝土流动度主要由单位体积用水量决定。“李斯（Lyse's rule）恒用水量定则”同样适用于碾压混凝土。试验结果说明，当原材料、最大骨料粒径和砂率不变时，如果用水量不变，在实用范围内即使水泥用量变化，碾压混凝土的流动度也大致保持不变。这个定则对碾压混凝土配合比设计和调整是极其便利的，只要单位体积用水量不变，变动水胶比可获得相同工作度的碾压混凝土。

（2）砂率

砂率对碾压混凝土工作度影响的试验结果表明，当用水量和胶凝材料用量不变时，随着砂率减小，碾压混凝土工作度减小，见图4.1-6^［4-3］。砂率减小到一定程度后，再继续减小砂率，相应粗骨料用量增加，砂浆充满粗骨料空隙并泛浆到表面的时间增长，所以碾压混凝土的工作度反而增大。图4.1-6曲线的最低点所对应的砂率即为最佳砂率。选用最佳砂率可得到最易压实的碾压混凝土。

在选择砂率时还应考虑碾压混凝土施工中骨料分离情况。对人工骨料最大骨料粒径为80mm的碾压混凝土，砂率一般为28%～34%。

（3）粗骨料品种

卵石和碎石由于表面形状和粗糙度不同，需要被水泥砂浆包裹的表面积不同，因此在同一配合比条件下，采用碎石骨料的碾压混凝土工作度要比采用卵石骨料的碾压混凝土工作度大，为得到同一工作度的碾压混凝土，采用碎石骨料所用水泥砂浆量要比卵石骨料多，试验结果见表4.1-3^［4-3］。

（4）人工砂中微粒含量

人工砂生产伴随产生一部分比砂料最小粒径0.15mm更细的部分，称为石粉。石粉中与水泥细度相同部分，即粒径小于0.08mm的微粒，在碾压混凝土中可以起到非活性掺合料作用。微粒除不具有粉煤灰二次水化反应效果外，与粉煤灰一样，可以改善碾压混凝土和易性。

试验表明，细骨料中的微粒含量对碾压混凝土工作度有不可忽视的影响，见图4.1-7^［4-5］。随着微粒含量的增加，碾压混凝土的工作度相应减小，也就是说，为取得同一工作度的碾压混凝土用水量减少。由此证明，微粒对碾压混凝土有减水作用。

（5）粉煤灰品质

粉煤灰品质优劣对碾压混凝土工作度有明显影响，在相同的用水量和胶材用量下，掺量相同而品质不同的粉煤灰，碾压混凝土工作度相差较大；如果采用相同的掺量，两种粉煤灰要得到相同的工作度，则用水量相差较多。

以1983年沙溪口水电站开关站和2003年龙滩坝相差20年的两个碾压混凝土工程为例，说明粉煤灰品质对用水量的影响，见表4.1-4和表4.1-5^［4-3］。

龙滩坝采用的两种粉煤灰品质检验结果见表4.1-6^［4-3］。

邵武粉煤灰的细度和需水量比均比南平粉煤灰小。通过扫描电子显微镜直接观察，邵武粉煤灰的颗粒细小、多呈球状，而南平粉煤灰则多呈玻璃状。如果采用相同的掺量，两种粉煤灰要得到相同的工作度，则南平粉煤灰的用水量要比邵武粉煤灰多用16kg/m³。

龙滩坝两种混凝土，VC值、含气量、水泥用量、外加剂掺量和粉煤灰掺量均相同，唯有粉煤灰品质不同，其用水量相差7kg/m³。

（6）外加剂

胶材用量和用水量不变，掺加几种常用品牌的外加剂对碾压混凝土工作度（VC值）无明显影响。以20世纪80年代常用的外加剂和2000年以来常用的外加剂为例，说明国内几种常用外加剂对碾压混凝土工作度无显著性影响，见表4.1-7和表4.1-8^［4-3］。

（7）出机后停搁时间对工作度（VC值）的影响

碾压混凝土出搅拌机后，拌合物中一部分水被骨料所吸收，一部分水蒸发，还有一部分水参与水泥水化反应，所以碾压混凝土拌合物随着搁置时间延长而逐渐变稠，试验结果见图4.1-8^［4-3］。出机VC值为14s的碾压混凝土，搁置2h的VC值增加10s，搁置4.5h的VC值增至40s，此时已使振动碾压十分困难。