超高泵送機(jī)制砂自密實(shí)混凝土配制技術(shù)*

任強(qiáng)，袁政成，蔣正武，孫旭軍，劉大陰，尹育萬

（1. 同濟(jì)大學(xué)先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2. 中鐵二局集團(tuán)建筑公司，四川 成都 610031）

超高泵送機(jī)制砂自密實(shí)混凝土配制技術(shù)*

任強(qiáng)1，袁政成1，蔣正武1，孫旭軍2，劉大陰2，尹育萬2

（1. 同濟(jì)大學(xué)先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2. 中鐵二局集團(tuán)建筑公司，四川 成都 610031）

試驗(yàn)研究了膠凝材料組成與配合比參數(shù)對超高泵送高強(qiáng)機(jī)制砂自密實(shí)混凝土流變性能和力學(xué)性能的影響，通過配合比基本參數(shù)優(yōu)化、礦物摻合料復(fù)摻、機(jī)制砂改性和外加劑優(yōu)化等配制技術(shù)，配制出坍落度大于265mm、擴(kuò)展度大于 650mm、倒坍落度筒流出時間在 5s 內(nèi)、2h 坍落度零損失、抗壓強(qiáng)度等級達(dá)到 C90～C100 的超高泵送高強(qiáng)機(jī)制砂自密實(shí)混凝土。

機(jī)制砂；自密實(shí)混凝土；配制技術(shù)

0 引言

近些年隨著超高層建筑的增多，超高泵送混凝土技術(shù)因其施工效率高、質(zhì)量好被廣泛應(yīng)用，并且超高泵送施工的建筑結(jié)構(gòu)通常采用高強(qiáng)自密實(shí)混凝土。超高泵送高強(qiáng)自密實(shí)混凝土因其具有減輕結(jié)構(gòu)自重、降低施工能耗、提高結(jié)構(gòu)耐久性等優(yōu)異性能，已被應(yīng)用于國內(nèi)工程項(xiàng)目[1-3]，取得了良好的效益。

砂作為混凝土主要原材料之一，受自然資源與運(yùn)輸?shù)南拗疲且环N短期不可再生資源。我國不少地區(qū)的天然砂資源已經(jīng)用盡，以河砂為主的天然砂已經(jīng)無法滿足工程建設(shè)的需求。另外，不規(guī)范采挖天然砂資源情況的出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了生態(tài)環(huán)境[4]。因此采用機(jī)制砂替代河砂配制混凝土，是混凝土可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢[5]。

機(jī)制砂混凝土因機(jī)制砂石粉含量高、粒形不規(guī)整、表面粗糙等特性，性能與普通混凝土存在較大差異[6]，并且在泵送過程中容易發(fā)生堵管，可泵性較差，有待進(jìn)行更深的研究[7]。目前對于機(jī)制砂混凝土的研究大多基于普通混凝土的研究與制備[8-10]，關(guān)于超高泵送高強(qiáng)機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的研究較少[11]。

本文根據(jù)配合比設(shè)計優(yōu)化理念，提出了配合比基本參數(shù)優(yōu)化技術(shù)、礦物摻合料復(fù)摻技術(shù)、機(jī)制砂改性技術(shù)與外加劑改性技術(shù)，研究了超高泵送 C90～C100 機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的工作性與力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

本文選用水泥為 P·O52.5 級貴州海螺盤江水泥，基本性能參數(shù)如表 1 所示。礦物摻合料選用貴州三和環(huán)保新材料有限公司生產(chǎn)的硅灰 SF、貴州名川粉煤灰有限公司生產(chǎn)的超細(xì)粉煤灰 UFA。混凝土外加劑選用貴州中興南友生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑（ZX），其中減水劑組分與保坍劑組分以 4∶3 比例復(fù)配成 20%固含量的外加劑（計算用水量忽略其中的水），保坍劑為聚醚類，緩凝劑選用葡萄糖酸鈉；巴斯夫外加劑（BASF），其中 RHEOPLUS417 減水劑（固含量50%）∶RHEOPLUS 保坍劑（固含量 50%）=5∶1 復(fù)配成 20% 固含量的外加劑；試驗(yàn)還選用中興南友消泡劑作為輔助外加劑，降低混凝土含氣量。以上外加劑摻量均以膠凝材料質(zhì)量計，并且為純固摻量。

機(jī)制砂選用中國水利水電第九工程局有限公司生產(chǎn)的風(fēng)選砂（MS1），二區(qū)連續(xù)級配；鼎鑫砂石廠通過普通的干法生產(chǎn)的機(jī)制砂—鼎鑫砂（MS2），一區(qū)連續(xù)級配；貴州雙越磐石建材科技有限公司生產(chǎn)通過濕法生產(chǎn)加工的水洗砂（MS3），一區(qū)連續(xù)級配。三種機(jī)制砂主要性能參數(shù)見表 2。粗骨料選用輝綠巖，最大粒徑 16mm，通過緊密堆積獲得最佳粗骨料級配的不同粒徑骨料質(zhì)量比為 m4.75～9.5mm∶ m9.5～16mm=50∶50，堆積密度1.66g/cm3。

表 1 水泥基本性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)通過水膠比、砂率、膠材用量等配合比參數(shù)對機(jī)制砂自密實(shí)混凝土性能的影響，優(yōu)化設(shè)計混凝土配合比基本參數(shù)（試驗(yàn)配合比如表 3 所示），并結(jié)合礦物摻合料的優(yōu)化與復(fù)摻技術(shù)（試驗(yàn)配合比如表 4 所示），制備滿足超高泵送性能要求的 C90～C100 機(jī)制砂高性能混凝土。

表 2 機(jī)制砂性能參數(shù)

表 3 混凝土配合比基本參數(shù)優(yōu)化技術(shù)配合比

表 4 混凝土性能優(yōu)化技術(shù)配合比

1.3 試驗(yàn)方法

自密實(shí)混凝土拌合物的工作性能主要包括填充性、間隙通過性以及抗離析性能[12]。本試驗(yàn)結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者常用方法[13-15]，工作性測試按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，主要采用坍落度、坍落擴(kuò)展度和倒坍落度筒流出時間（DTISC）對拌合物性能進(jìn)行評價，輔以容重和含氣量的測定。

機(jī)制砂自密實(shí)混凝土（MS-SCC）試樣制備為邊長150mm 的立方體試件，拆模后放入溫度 (20±3)℃，相對濕度≥95% 的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。混凝土抗壓強(qiáng)度測試按照 GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的方法進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

基于緊密堆積和高性能混凝土配合比設(shè)計方法，在前期大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得到了超高泵送高強(qiáng)機(jī)制砂自密實(shí)混凝土基準(zhǔn)配合比，在此基礎(chǔ)上研究不同參數(shù)變化對混凝土性能的影響，確定最優(yōu)配合比。機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的基準(zhǔn)配合比為 m膠凝材料∶m機(jī)制砂∶m石子∶m水∶m外加劑∶m緩凝劑∶m消泡劑=600∶910∶910∶150∶2.124∶0.3∶0.0048，其中膠凝材料除水泥外，摻有 10% 硅灰和 10% 超細(xì)粉煤灰。機(jī)制砂以風(fēng)選砂為主，外加劑以中興南友外加劑為主，只有在考慮種類因素對混凝土性能影響時，才使用其他類型。外加劑摻量保持 0.3% 不變。

表 5 不同水膠比對機(jī)制砂自密實(shí)混凝土性能的影響

2.1 混凝土配合比基本參數(shù)優(yōu)化技術(shù)

2.1.1 水膠比

在基準(zhǔn)混凝土配合比的條件下，研究不同水膠比對混凝土性能的影響，結(jié)果見表 5。

從表 5 可以看出：隨著水膠比的增大，機(jī)制砂自密實(shí)混凝土拌合物初始坍落度和 2h 坍落度坍落度變化均不大，而初始和 2h 坍落擴(kuò)展度呈先增大后減小趨勢，初始和 2h 倒坍時間呈先減小后增大趨勢，但工作性變化較小，工作性保持性均較好。隨著水膠比增大，28d混凝土抗壓強(qiáng)度先減小后趨于平穩(wěn)，56d 抗壓強(qiáng)度呈降低趨勢，但變化較小。以上表明，在水膠比較低的條件下，降低水膠比雖然能提高混凝土強(qiáng)度，但后期強(qiáng)度提升效果不明顯。并且水膠比的降低雖然對初始和 2h 坍落度和坍落擴(kuò)展度的影響不大，但從倒坍落度筒時間來看，會導(dǎo)致拌合物粘度大幅度的增加。適宜的水膠比即可達(dá)到 C90 甚至 C100 的強(qiáng)度等級，超高泵送對拌合物工作性要求很高，不宜采用過低的水膠比。因此，綜合工作性和強(qiáng)度來看，超高泵送 C90 機(jī)制砂自密實(shí)混凝土適宜的水膠比為 0.25，C100 機(jī)制砂自密實(shí)混凝土適宜的水膠比為 0.23。

2.1.2 砂率

本試驗(yàn)采用風(fēng)選砂，其他參數(shù)同基準(zhǔn)配合比，研究砂率變化對機(jī)制砂自密實(shí)混凝土性能的影響，結(jié)果見表6。

由表 6 數(shù)據(jù)及所觀察到的試驗(yàn)現(xiàn)象可知：隨著砂率逐漸增大，初始和 2h 坍落度基本無變化，而擴(kuò)展度和倒坍時間變化明顯。當(dāng)砂率為 46% 和 54% 時，擴(kuò)展度比 50% 砂率低，54% 砂率更為明顯。這是因?yàn)楫?dāng)砂率過小時，拌合物砂漿量不足；而過大的砂率導(dǎo)致比表面積的增加，需水量隨之增加，流動性降低，粘性增加。這點(diǎn)，從倒坍落度筒時間可以很好地看出。

從表 6 還可以看出，隨著砂率的增加，各齡期抗壓強(qiáng)度均呈先減小后增大的趨勢。50% 砂率混凝土抗壓強(qiáng)度比另外兩組均低，但降低幅度較小。綜合砂率對拌合物工作性及其抗壓強(qiáng)度的影響，超高泵送高強(qiáng)機(jī)制砂自密實(shí)混凝土砂率不宜過低，若考慮以強(qiáng)度為主，可適當(dāng)提高砂率，若以工作性為優(yōu)，則砂率應(yīng)適中，但不宜低于 50%。

2.1.3 膠材用量

本試驗(yàn)在基準(zhǔn)配合比的條件下，硅灰和超細(xì)粉煤灰摻量均為 10% 不變，不同膠材用量對超高泵送超高強(qiáng)機(jī)制砂自密實(shí)混凝土性能的影響結(jié)果見表 7。

由表 7 可見，膠凝材料用量的變化對拌合物坍落度和擴(kuò)展度影響均不大，而倒坍時間隨著膠材用量的增加，呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，570kg/m3膠材用量的倒坍落度筒時間最慢。并且隨著膠材用量的增加，混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度基本呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。

隨著膠凝材料用量的增大，混凝土工作性變化較小，強(qiáng)度呈增大趨勢，因此，膠凝材料用量可適當(dāng)增大。

表 6 砂率對機(jī)制砂自密實(shí)混凝土性能的影響

表 7 膠材用量對機(jī)制砂自密實(shí)混凝土性能的影響

表 8 SF 和 UFA 復(fù)摻對機(jī)制砂自密實(shí)混凝土性能的影響

2.2 礦物摻合料復(fù)摻技術(shù)

選用基準(zhǔn)配合比，研究了礦物摻合料（SF、UFA）復(fù)摻及其摻量對混凝土性能的影響，結(jié)果見表 8。從表8 可以看出，當(dāng)硅灰摻量為 10% 時，隨著超細(xì)粉煤灰摻量增加，坍落度無明顯變化，坍落擴(kuò)展度顯著減小，倒坍時間輕微增大，各齡期強(qiáng)度基本呈減小的趨勢。以上表明，超細(xì)粉煤灰對擴(kuò)展度的影響較大，摻量不宜超過10%。當(dāng)超細(xì)粉煤灰摻量為 10% 時，隨著硅灰摻量的增加，坍落度無明顯變化，擴(kuò)展度呈先增加后減小的趨勢，倒坍時間呈先減小后增加的趨勢，56d 抗壓強(qiáng)度逐漸增加。超細(xì)粉煤灰摻量一定時，過低或過高的硅灰摻量均會導(dǎo)致機(jī)制砂自密實(shí)混凝土拌合物填充性變差、粘度變高，適宜的硅灰摻量可以得到優(yōu)異的工作性，硅灰摻量的增加可以明顯提高混凝土后期強(qiáng)度。

因此，配制超高泵送 C90～C100 機(jī)制砂自密實(shí)混凝土宜選擇 10% 硅灰和 10% 超細(xì)粉煤灰，硅灰摻量可適當(dāng)增加以提高后期強(qiáng)度，超細(xì)粉煤灰摻量不宜超過10%。

2.3 機(jī)制砂改性技術(shù)

在基準(zhǔn)混凝土配合比的條件下，研究機(jī)制砂石粉含量及類型對機(jī)制砂自密實(shí)混凝土性能的影響。通過篩分來調(diào)整各種類型機(jī)制砂的石粉含量。

2.3.1 機(jī)制砂石粉含量

機(jī)制砂石粉含量對超高泵送機(jī)制砂自密實(shí)混凝土性能的影響結(jié)果見表 9。

由表 9 及所觀察到的試驗(yàn)現(xiàn)象可見，當(dāng)石粉含量從6% 逐漸增大到 12% 時，混凝土坍落度和擴(kuò)展度均先增大后降低，倒坍時間呈先減小后增大的趨勢，可見石粉過高或過低均不利于混凝土的工作性，這是因?yàn)槭酆拷档蜁r，漿體量減少；而石粉含量過大，又會吸附較多的自由水，使?jié){體干稠，流動性變差。對比不同石粉含量下的混凝土強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)，9% 石粉含量的機(jī)制砂混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度均稍低于其它兩組，因此綜合考慮石粉含量宜取 9% 左右。

2.3.2 機(jī)制砂類型

本試驗(yàn)中，鼎鑫砂和水洗砂石粉含量均控制為風(fēng)選砂的石粉含量（9%），其他參數(shù)同基準(zhǔn)配合比。研究機(jī)制砂類型對超高泵送 C90 機(jī)制砂自密實(shí)混凝土性能的影響，結(jié)果見表 10。

從表 10 可以看出，與風(fēng)選砂混凝土相比，鼎鑫砂拌合物和水洗砂拌合物坍落度和擴(kuò)展度均較小，倒坍時間顯著增加，且工作性損失較快。對比三種類型機(jī)制砂制備的機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，鼎鑫砂與水洗砂混凝土不同齡期強(qiáng)度基本相同，發(fā)展規(guī)律相似，而風(fēng)選砂混凝土前期強(qiáng)度較低，28d 強(qiáng)度高于鼎鑫砂和水洗砂混凝土，56d 強(qiáng)度則三者差不多。因此，超高泵送 C90～C100 機(jī)制砂自密實(shí)混凝土宜選用風(fēng)選砂。

表 9 石粉含量對機(jī)制砂自密實(shí)混凝土性能的影響

表 10 機(jī)制砂類型對機(jī)制砂自密實(shí)混凝土性能的影響

表 11 消泡劑摻量對機(jī)制砂自密實(shí)混凝土流變性的影響

2.4 外加劑優(yōu)化技術(shù)

針對使用硅灰易帶來的混凝土含氣量較高的問題，研究不同消泡劑摻量對超高泵送機(jī)制砂自密實(shí)混凝土拌合物流變性的影響。消泡劑摻量以膠凝材料質(zhì)量計。超細(xì)粉煤灰摻量 15%，緩凝劑摻量 0.07%，膠材重量560kg/m3，其他參數(shù)和基準(zhǔn)配合比一樣，結(jié)果見表 11。

由表 11 及所觀察到的試驗(yàn)現(xiàn)象可見，消泡劑有明顯降低混凝土含氣量的效果。隨著消泡劑摻量的增加，坍落度和擴(kuò)展度均比較好，倒坍時間基本呈逐漸增加的趨勢，拌合物容重逐漸增加。以上表明，含氣量過高容易離析，含氣量過低會使混凝土粘度增大，因此應(yīng)選擇合適消泡劑摻量，本試驗(yàn)中消泡劑最佳摻量為膠材質(zhì)量的 0.00072%。

3 結(jié)論

（1）機(jī)制砂類型與石粉含量對超高泵送機(jī)制砂混凝土的工作性和強(qiáng)度具有顯著影響，通過機(jī)制砂參數(shù)的優(yōu)化，可制備出滿足性能需求的超高泵送 C90～C100機(jī)制砂自密實(shí)混凝土。

（2）在水膠比較低條件下，水膠比對機(jī)制砂混凝土流動性和粘聚性的影響更顯著，膠材用量對拌合物粘聚性影響很大。機(jī)制砂自密實(shí)混凝土配合比中，砂率不宜過低。

（3）復(fù)摻硅灰和超細(xì)粉煤灰礦物摻合料可以有效改善混凝土流動性、粘聚性和力學(xué)性能。若考慮更高強(qiáng)度，硅灰摻量可適當(dāng)增加，但超細(xì)粉煤灰摻量不宜過大。

（4）機(jī)制砂石粉含量需在一個適宜的范圍，過低或過高均會增加拌合物粘聚性，風(fēng)選砂更宜用來配制自密實(shí)混凝土。消泡劑摻量對混凝土含氣量影響很大，但考慮到拌合物離析和過粘問題，應(yīng)選擇合適的消泡劑摻量。

（5）通過配合比基本參數(shù)優(yōu)化技術(shù)、礦物摻合料復(fù)摻技術(shù)、機(jī)制砂改性技術(shù)和外加劑優(yōu)化技術(shù)等，可配制出坍落度大于 265mm、坍落擴(kuò)展度大于 650mm、倒坍落度筒時間在 5s 內(nèi)、2h 坍落度零損失、抗壓強(qiáng)度等級達(dá) C90～C100 的超高泵送高強(qiáng)機(jī)制砂自密實(shí)混凝土。

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國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51678442，51478348，51508404）；國家高鐵聯(lián)合基金項(xiàng)目（U1534207）；上海市科委重點(diǎn)項(xiàng)目（15DZ1205003）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助。

任強(qiáng)，同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生，主要從事機(jī)制砂高性能混凝土相關(guān)研究。

［通訊地址］上海市曹安公路 4800 號 同濟(jì)大學(xué)德才館 224 室（201804）