浆体流变性对C60超高泵送混凝土工作性能的影响

2021-05-14王晓燕李世华

建筑施工 2021年1期

王晓燕焦岩李世华黄睿

1. 云南省建设投资控股集团有限公司云南昆明 650501；

2. 云南建投绿色高性能混凝土股份有限公司云南昆明 650501

超高泵送混凝土对其工作性能指标具有较高要求，在实际泵送施工过程中，混凝土工作性能直接决定了混凝土施工的难易程度[1]。满足易泵性指标的混凝土具有高流动性的同时还应具有一定的黏聚性，才能保证混凝土出泵后的密实和均匀，确保工程质量[2]。与混凝土工作性能相关的流变特性是指其黏塑性状态下的流变参数[3]。混凝土拌和物具有宾厄姆特征，屈服强度和塑性黏度是浆体流变性的2个控制参数，浆体克服屈服强度才能开始流动，而流动后的快慢则受其塑性黏度影响[4]。马昆林等[5]将砂浆视为砂子悬浮于净浆所形成的二相混合物，并建立了浆体流变性与工作性能的关联公式。

云南省机制砂含粉量较大，配制出的超高泵送混凝土普遍存在黏度大、不易泵送的特征，且关于机制砂超高泵送混凝土的浆体流变性和工作性能间的关系研究相对较少。本文基于云南省地方原材料特征，以C60超高泵送混凝土为研究对象，对超高泵送混凝土浆体流变性与工作性能之间的关联进行了研究。

1 试验

1.1 原材料

水泥选用东骏P.O 52.5水泥，比表面积356 m2/kg，标准稠度26%，初凝时间180 min、终凝时间235 min，3 d抗折强度6.2 MPa、28 d抗折强度9.4 MPa、3 d抗压强度35.2 MPa、28 d抗压强度61.2 MPa；粉煤灰选用Ⅱ级粉煤灰，细度15%，需水量比98%，烧失量3.82%，SO3质量分数为0.64%，28 d活性指数71%；粗集料选用粒径5～20 mm连续级配碎石，压碎指标8.6%，含泥量0.4%，泥块含量0.2%，针片状颗粒含量1.0%；细骨料为机制砂，细度模数为2.9，压碎指标为12%，MB值（亚甲蓝值）为0.5，石粉含量7.6%；拌和水为昆明市自来水；聚羧酸高性能减水剂的固含量为12%，减水率为28.6%。

1.2 试验方法

新拌混凝土的工作性能按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能测试方法标准》测定混凝土的坍落度、扩展度、倒提时间。浆体流变性能采用DV-1型旋转黏度计分别测定各组砂浆在各剪切速率下的剪切应力，根据宾厄姆流体模型，分别测量同一试样在不同剪切速率下的剪切应力值，采用数学拟合的方法即可得到流变方程及相应的屈服强度（Pa）和塑性黏度（Pa·s）。

1.3 试验方案

超高泵送混凝土要求具有良好的流动性，配合比按照JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》进行设计。结合材料特征进行优化，混凝土配合比参数见表1，外加剂掺量占胶凝材料总量的2.2%（质量分数）。浆体流变性能及混凝土工作性能指标参数见表2。

表1 C60超高层建筑混凝土配合比参数

表2 浆体流变性及混凝土工作性能指标

2 结果与分析

2.1 配合比对超高泵送C60混凝土流变性及工作性能的影响

水胶比为0.32时，单位用水量对C60超高泵送混凝土净浆流变性和工作性能影响分别见图1和图2。由图1和图2可知，水胶比固定不变时，浆体屈服强度随用水量增加而减小，塑性黏度在单位用水量为180 kg/m3时达到最低。单方用水量由180 kg增加至185 kg，混凝土扩展度增加22.8%，倒置坍落度筒排空时间（倒提时间）和T50（混凝土扩展度达500 mm的时间）减少近50%，工作性能改善明显。水胶比固定不变，单位用水量增加，可视为该胶凝材料体系单位体积内浆体总量增加，增加单位体积用水量可明显改善浆体屈服强度。混凝土中的浆体在填充孔隙后，剩余部分会包裹在骨料表面形成浆体膜[6]，在泵送过程中对骨料起到润滑的作用[7]。剩余浆体体积过小，混凝土在流动过程中的骨料润滑作用弱；剩余浆体体积过大，会导致混凝土在流动过程中黏滞阻力增大[8]。

图1 单位用水量对C60超高泵送混凝土砂浆流变性影响

图2 单位用水量对C60超高泵送混凝土工作性能影响

固定胶凝材料总量下，不同水胶比对C60超高泵送混凝土净浆流变性和工作性能影响分别见图3和图4。由图3和图4可知，水胶比由0.30增加至0.32，砂浆塑性黏度降低13.6%，屈服强度降低30.2%，倒提坍落度筒排空时间缩短1.5 s，扩展度增大70 mm。倒置坍落度筒排空时间反映了水泥浆体体系变形的速度，主要受塑性黏度影响。水胶比由0.30增加至0.32时，水泥浆体体系中颗粒相对滑动所需的阻力减小，在相同外力作用下，塑性黏度较低，相同泵送压力下在泵管中的运动距离较长。扩展度主要取决于混凝土体系中的屈服应力，由体系中各颗粒间的附着力和摩擦力产生，是阻碍变形的最大阻力，砂浆体系中细骨料间的相对摩擦力降低，表现为混凝土体系在泵管中运动所需的外力更小。

图3 水胶比对C60超高泵送混凝土砂浆流变性影响

图4 水胶比对C60超高泵送混凝土工作性能影响

固定水胶比和胶凝材料总量下，不同粉煤灰掺量对C60超高泵送混凝土净浆流变性和工作性能影响分别见图5和图6。由图5和图6可知，在相同的剪切速率下，掺入一定数量的粉煤灰可以降低浆体的剪切应力。粉煤灰掺量由20%增加至25%，浆体的屈服应力随粉煤灰掺量的增加而降低，塑性黏度随胶凝材料中粉煤灰含量的增大而增大，混凝土扩展度增加14%，倒提时间缩短28%。提高胶凝材料中的粉煤灰含量有利于提高混凝土的流动性，并提高混凝土的均匀性[9]。粉煤灰具有滚珠效应，浆体屈服强度随粉煤灰掺量增加而明显降低，混凝土体系表现出优异的流动性。同时，粉煤灰掺入后会减小胶凝材料颗粒间距，颗粒相互连接更为紧密，宏观表现为优异的黏聚性。但随着粉煤灰掺量的继续提高，填充效应产生的内聚力超过滚珠效应，使其流动速度降低，不利于工作性能的改善。在本试验条件下，粉煤灰掺量占胶凝材料总量宜为20%～25%。

图5 粉煤灰掺量对C60超高泵送混凝土砂浆流变性影响

图6 粉煤灰掺量对C60超高泵送混凝土工作性能影响

水胶比和胶凝材料体系不变情况下，不同砂率对C60超高泵送混凝土净浆流变性和工作性能影响分别见图7和图8。由图7和图8可知，当砂率从38%增大至42%时，砂浆在各剪切速率下的剪切应力逐渐增大，表观黏度逐渐增大。同时，砂浆塑性黏度增加，使得浆体包裹骨料厚度降低，砂浆失去过多流动性。C60超高泵送混凝土选择砂率为38%可获得较为优异的工作性能。

图7 砂率对C60超高泵送混凝土砂浆流变性影响

图8 砂率对C60超高泵送混凝土工作性能影响

2.2 C60超高泵送混凝土工作性能与流变性关系

混凝土的扩展度会随砂浆的塑性黏度和屈服应力的增加而降低，塑性黏度和屈服应力的增加不利于提高混凝土工作性能。塑性黏度和屈服应力过大，混凝土流动性差，流动速度慢；而塑性黏度和屈服应力过小，混凝土扩展度较大但容易离析泌水[10]。

为满足超高泵送性能要求，在保证其不离析泌水的前提下，扩展度应控制在600 mm±50 mm，倒提时间应控制在5 s以内。

以C60超高泵送混凝土砂浆屈服应力为x轴，塑性黏度为y轴，分别以混凝土扩展度、倒提时间为z轴绘制出三维散点，见图9和图10。

图9 C60超高泵送混凝土扩展度与流变参数拟合

图10 C60超高泵送混凝土倒提时间与流变参数拟合

令z1阈值为550 mm≤z1≤650 mm，z2阈值为z2≤5 s，可求出在拟合方程条件下，满足泵送工作性能指标的砂浆流变性参数范围，即当砂浆塑性黏度在0.42～1.63 Pa·s，屈服应力在55.2～83.7 Pa范围内，可满足混凝土扩展度为600 mm±50 mm，倒提时间在5 s以内。结合表2实测数据可知，满足扩展度在550～650 mm，倒提时间在5 s以内的C60超高泵送混凝土，砂浆的塑性黏度在0.675～1.438 Pa·s，屈服剪切应力在69.1～75.8 Pa，结果均在拟合结果范围内。