新拌混凝土的性能

第五节　新拌混凝土的性能

由水泥、砂、石及水拌制成的混合料，称为混凝土拌合物，又称新拌混凝土。混凝土拌合物必须具备良好的工作性，才能便于施工和制得密实而均匀的混凝土硬化体，从而保证混凝土的质量。

一、工作性的概念

工作性（workability）是指混凝土拌合物能保持其组成成分均匀，不发生分层离析（segregation）、泌水（bleeding）等现象，适于运输、浇筑、捣实成型等施工作业，并能获得质量均匀、密实的混凝土的性能。工作性主要包括和易性、可泵性和凝结时间。和易性为一综合技术性能，它用流动性（flow ability）、黏聚性（cohesiveness）和保水性三方面来表征。

流动性是指混凝土拌合物在自重或机械振捣力的作用下，能产生流动并均匀密实地充满模具的性能。流动性的大小，反映拌合物的稀稠，它直接影响着浇捣施工的难易和混凝土的质量。若拌合物太干稠，混凝土难以捣实，易造成内部孔隙；若拌合物过稀，振捣后混凝土易出现水泥砂浆和水上浮而石子下沉的分层离析现象，影响混凝土的质量均匀性。

黏聚性是指混凝土拌合物内部组分间具有一定的黏聚力，在运输和浇筑过程中不致发生离析分层现象，而使混凝土能保持整体均匀的性能。黏聚性差的混凝土拌合物，或者发涩，或者产生石子下沉，石子与砂浆容易分离，振捣后会出现蜂窝、空洞等现象。

保水性是指混凝土拌合物具有一定的保持内部水分的能力，在施工过程中不致产生严重的泌水现象。保水性差的拌合物，在混凝土振实后，一部分水易从内部析出至表面，在水渗流之处留下许多毛细管孔道，成为以后混凝土内部的透水通路。另外，在水分上升的同时，一部分水还会滞留在石子及钢筋的下缘形成水隙，从而减弱水泥浆与石子及钢筋的胶结力。所有这些都将影响混凝土的密实性，降低混凝土的强度及耐久性。

混凝土拌合物的流动性、黏聚性及保水性，三者是互相关联又互相矛盾的，当流动性很大时，则往往黏聚性和保水性差，反之亦然。因此，所谓拌合物和易性良好，就是要使这三方面的性质在某种具体条件下，达到均为良好，亦即使矛盾得到统一。

二、和易性的指标

混凝土拌合物和易性内容比较复杂，通常是采用一定的实验方法测定混凝土拌合物的流动性，再辅以直观经验目测评定黏聚性和保水性。按《混凝土质量控制标准》（GB 50164—2011）规定，混凝土拌合物的流动性以坍落度（mm）或维勃稠度（s）作为指标。坍落度适用于流动性较大的混凝土拌合物，维勃稠度适用于干硬的混凝土拌合物。

图6－11　混凝土拌合物坍落度测定

1.坍落度测定

测定坍落度（slump）的方法是：将混凝土拌合物按规定方法装入坍落筒——标准截头圆锥筒（无底）内，装捣刮平后，将筒垂直向上提起，这时锥体混凝土拌合物则因自重而产生坍落，用尺量出其坍落的高度值，以mm计，即为混凝土拌合物的坍落度（如图6－11）。坍落度愈大，表示混凝土拌合物的流动性愈好。由于此法简便，目前世界各国普遍采用。在测定坍落度的同时，还应用捣棒敲击已坍落的混凝土拌合物试体，观察其受击后下沉、坍落情况及四周泌水情况，然后再凭目测判定混凝土拌合物黏聚性和保水性的优劣。

混凝土拌合物根据其坍落度大小，可分为4级，见表6－23所示。在根据坍落度测定结果进行分级评定时，其测值取舍至临近的10 mm。

2.维勃稠度测定

维勃稠度采用维勃稠度测定仪（见图6－12）测定，此方法由瑞士V.勃纳（Bahrner）提出。对于坍落度小于10 mm的拌合物，则要用维勃仪来测定其流动性。试验时先将混凝土拌合物按规定方法装入存放在圆桶内的截头圆锥桶（无底）内，装满后垂直向上提走圆锥桶，再在拌合物锥体顶面盖一透明玻璃圆盘，然后开启振动台，同时计时，记录当玻璃圆盘底面布满水泥浆时所用的时间，以s计，所读秒数即为维勃稠度值。

混凝土拌合物根据其维勃稠度大小，可分为4级，见表6－24所示。

图6－12　维勃稠度仪

表6－23　混凝土按坍落度的分级

表6－24　混凝土按维勃稠度的分级

三、流动性（坍落度）的选择

工程中选择混凝土拌合物的坍落度，要根据结构构件截面尺寸大小、配筋疏密和施工捣实方法等来确定。当构件截面尺寸较小或钢筋较密，或采用人工插捣时，坍落度可选择大些。反之，如构件截面尺寸较大或钢筋较疏，或者采用振动器振捣时，坍落度可选择小些。按《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB　50204—2002（2011修订版））规定，混凝土浇筑时的坍落度，宜按表6－25选用。

表6－25　混凝土浇筑时的坍落度

表中数值系采用机械振捣混凝土时的坍落度，当采用人工捣实混凝土时其值可适当增大。对于轻骨料混凝土的坍落度，宜比表中数值减少10～20 mm。当施工采用泵送混凝土拌合物时，其坍落度通常为80～180 mm，应掺用外加剂。

应该指出，正确选择混凝土拌合物的坍落度，对于保证混凝土的施工质量及节约水泥，具有重要意义。在选择坍落度时，原则上应在不妨碍施工操作并能保证振捣密实的条件下，尽可能采用较小的坍落度，以节约水泥并获得质量较高的混凝土。

四、影响工作性的主要因素

1.水泥浆数量与稠度的影响

混凝土拌合物在自重或外界振动力的作用下要产生流动，必须克服其内部的阻力。拌合物内的阻力主要来自两个方面，一为骨料间的摩阻力，一为水泥浆的黏聚力。骨料间摩阻力的大小主要取决于骨料颗粒表面水泥浆层的厚度，亦即水泥浆的数量；水泥浆的黏聚力大小主要取决于浆的干稀程度，亦即水泥浆的稠度。

混凝土拌合物在保持水灰比不变的情况下，水泥浆用量越多，包裹在骨料颗粒表面的浆层越厚，润滑作用越好，使骨料间摩擦阻力减小，混凝土拌合物易于流动，于是流动性就大，反之则小。但若水泥浆量过多，这时骨料用量必然相对减少，就会出现流浆及泌水现象，致使混凝土拌合物黏聚性及保水性变差，同时对混凝土的强度与耐久性也会产生不利影响，而且还多耗费了水泥。若水泥浆量过少，致使不能填满骨料间的空隙或不够包裹所有骨料表面时，则拌合物会产生崩坍现象，黏聚性变差。由此可知，混凝土拌合物中水泥浆用量不能太少，但也不能过多，应以满足拌合物流动性要求为度。

在保持混凝土水泥用量不变的情况下，减少拌合用水量，水泥浆变稠，水泥浆的黏聚力增大，使黏聚性和保水性良好，而流动性变小。增加用水量则情况相反。当混凝土加水过少时，即水灰比过低，不仅流动性太小，黏聚性也因混凝土发涩而变差，在一定施工条件下难以成型密实。但若加水过多，水灰比过大，水泥浆过稀，这时混凝土拌合物虽流动性大，但将产生严重的分层离析和泌水现象，并且严重影响混凝土的强度及耐久性。因此，绝不可以用单纯加水的办法来增大流动性，而应采取在保持水灰比不变的条件下，以增加水泥浆量的办法来调整拌合物的流动性。

由以上讨论可以明确：无论是水泥浆数量的影响，还是水泥浆稠度的影响，实际上都是水的影响。因此，影响混凝土拌合物和易性的决定性因素是其拌合用水量的多少。实践证明，在配制混凝土时，当所用粗、细骨料的种类及比例一定时，为获得要求的流动性，所需拌合用水量基本是一定的，即使水泥用量有所变动（1 m³混凝土水泥用量增减50～100 kg）时，对用水量也无甚影响，这一关系称为“恒定用水量法则”，它为混凝土配合比设计时确定拌合用水量带来很大方便。

按《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ　55—2011）规定，配制每立方米塑性和干硬性混凝土的用水量确定，当水胶比在0.4～0.8范围时，根据粗骨料品种、粒径及施工要求的混凝土拌合物稠度，其用水量可按表6－26选取。对于水胶比小于0.4或大于0.8的混凝土以及采用特殊成型工艺的混凝土，其用水量应通过试验确定。

表6－26　塑性和干硬性混凝土的用水量／（kg·m^－3）

续　表

注：①本表用水量系采用中砂时的平均取值，如采用细砂或粗砂，则1 m³混凝土用水量应相应增减5～10 kg；

②掺用各种外加剂或掺合料时，用水量应相应调整。

对于坍落度为100～150 mm的流动性混凝土及坍落度等于或大于160 mm的大流动性混凝土，因均需掺用减水剂，故其用水量的确定，应先以表6－26中坍落度90 mm的用水量为基础，按坍落度每增大20 mm，用水量增加5 kg，计算出未掺外加剂时1 m³混凝土用水量m w0，然后再按下式计算出掺外加剂时1 m³混凝土用水量m wa：

式中　β——外加剂的减水率（%），由试验确定。

2.砂率的影响

砂率（βs）是指混凝土中砂的质量（S）占砂、石（G）总质量的百分数，即

砂率是表示混凝土中砂子与石子二者的组合关系，砂率的变动，会使骨料的总表面积和空隙率发生很大的变化，因此对混凝土拌合物的工作性有显著的影响。当砂率过大时，骨料的总表面积和空隙率均增大，当混凝土中水泥浆量一定的情况下，骨料颗粒表面的水泥浆层将相对减薄，拌合物就显得干稠，流动性就变小，如要保持流动性不变，则需增加水泥浆，就要多耗用水泥。反之，若砂率过小，则拌合物中显得石子过多而砂子过少，形成砂浆量不足以包裹石子表面，并不能填满石子间空隙。在石子间没有足够的砂浆润滑层时，不但会降低混凝土拌合物的流动性，而且会严重影响其黏聚性和保水性，使混凝土产生粗骨料离析、水泥浆流失，甚至出现溃散等现象。

由上可知，在配制混凝土时，砂率不能过大，也不能太小，应该选用合理砂率值。所谓合理砂率是指在用水量及水泥用量一定的情况下，能使混凝土拌合物获得最大的流动性，且能保持黏聚性及保水性能良好时的砂率值，如图6－13所示。或者，当采用合理砂率时，能在拌合物获得所要求的流动性及良好的黏聚性与保水性条件下，使水泥用量最少，如图6－14所示。

在工程施工中，混凝土砂率的确定，应按《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ　55—2011）规定执行，即坍落度小于或等于60 mm，且等于或大于10 mm的混凝土砂率，可根据粗骨料品种、粒径及水胶比按表6－27选取。坍落度等于或大于100 mm的混凝土砂率，应在表6－27的基础上，按坍落度每增大20 mm，砂率增大1%的幅度予以调整。对于坍落度大于60 mm或小于10 mm的混凝土及掺用外加剂和掺合料的混凝土，其砂率应经试验确定。

图6－13　坍落度与砂率的关系（水和水泥用量一定）

图6－14　水泥用量与砂率的关系（达到相同坍落度）

表6－27　混凝土的砂率／%

注：①表中数值系中砂的选用砂率，对细砂或粗砂，可相应地减小或增大砂率；

②采用人工砂配制混凝土时，砂率可适当增大；

③只用一个单粒级粗骨料配制混凝土时，砂率应适当增大。

3.组成材料性质的影响

（1）水泥品种的影响

在水泥用量和用水量一定的情况下，采用矿渣水泥或火山灰水泥拌制的混凝土拌合物，其流动性比用普通水泥时为小，这是因为前者水泥的密度较小，所以在相同水泥用量时，它们的绝对体积较大，因此在相同用水量情况下，混凝土就显得较稠，若要二者达到相同的坍落度，则前者每立方米混凝土的用水量必须增加一些。另外，矿渣水泥拌制的混凝土拌合物泌水性较大。

（2）骨料性质的影响

骨料性质指混凝土所用骨料的品种、级配、颗粒粗细及表面性状等。在混凝土骨料用量一定的情况下，采用卵石和河砂拌制的混凝土拌合物，其流动性比用碎石和山砂拌制的好，这是因为前者骨料表面光滑，摩阻力小；用级配好的骨料拌制的混凝土拌合物工作性好，因此时骨料间的空隙较少，在水泥浆量一定的情况下，用于填充空隙的水泥浆就少，而相对来说包裹骨料颗粒表面的水泥浆层就增厚一些，故工作性就好；用细砂拌制的混凝土拌合物的流动性较差，但黏聚性和保水性好。

（3）外加剂的影响

混凝土拌合物掺入减水剂或引气剂，流动性明显提高，引气剂还可有效地改善混凝土拌合物的黏聚性和保水性，二者还分别对硬化混凝土的强度与耐久性起着十分有利的作用。

4.拌合物存放时间及环境温度的影响

搅拌制备的混凝土拌合物，随着时间的延长会变得越来越干稠，坍落度将逐渐减小，这称之为坍落度损失（slump　loss），这是由于拌合物中的一些水分逐渐被骨料吸收，一部分水被蒸发以及水泥的水化与凝聚结构的逐渐形成等作用所致。坍落度与拌合物存放时间的关系见图6－15所示。

混凝土拌合物的工作性还受温度的影响。随着环境温度的升高，混凝土的坍落度损失得更快，因为这时的水分蒸发及水泥的化学反应将进行得更快。据测定，温度每增高10℃，拌合物的坍落度减小20～40 mm。温度对坍落度的影响见图6－16所示。

图6－15　坍落度与拌合物存放时间的关系

图6－16　温度对拌合物坍落度的影响

五、改善工作性的措施

掌握了混凝土拌合物和易性的变化规律，就可运用这些规律去能动地调整拌合物的4和易性，以满足工程需要。在实际工程中，改善混凝土拌合物的工作性可采取以下措施：

1.采用最佳砂率，以提高混凝土的质量及节约水泥。

2.改善砂、石级配。

3.在可能条件下尽量采用较粗的砂、石。

4.当混凝土拌合物坍落度太小时，保持水胶比不变，增加适量的水泥浆；当坍落度太大时，保持砂石比不变，增加适量的砂、石；

5.有条件时尽量掺用外加剂——减水剂、引气剂。