泵送聚丙烯纖維混凝土配合比設計及工作性能優化

霍志剛 張超兵

（1.中鐵六局集團有限公司 北京 100036；2.中鐵六局集團太原鐵路建設有限公司 山西太原 030013）

1 引言

目前，聚丙烯纖維混凝土主要應用于橋梁工程的混凝土路面、梁體橋面系，房建工程地下室底板、頂板及高層建筑基礎大體積混凝土中［1］。

對于聚丙烯纖維或聚丙烯纖維網混凝土，其抗折、抗裂、抗疲勞以及耐磨損性優于普通混凝土，但由于纖維的加入，混凝土粘聚性大幅增加，導致混凝土工作性能大幅下降。

某新建鐵路聯絡線工程，隧道總長6 km，為明挖隧道結構，采用放坡＋鉆孔灌注樁＋鋼支撐支護體系。隧道凈寬11.2 m，凈高9.68 m，為曲墻帶仰拱襯砌斷面，設計時速為200 km。隧道主體混凝土采用C35聚丙烯纖維網混凝土，聚丙烯纖維網的設計摻量為0.9 kg/m3。

2 纖維原材料

混凝土用聚丙烯纖維應符合（GB/T 21120—2018）中技術要求，抗拉強度應大于 500 MPa［2］。聚丙烯纖維網外觀如圖1所示。

圖1 聚丙烯纖維網

由于聚丙烯纖維在工程施工中得到越來越多的應用，往往有些不法廠商以次充好，從中牟利。

聚丙烯纖維由纖維級原生聚丙烯原料與專用助劑復合而成，而劣質纖維一般由粉料或再生料和普通紡織用助劑復合而成。劣質纖維遇水后分散作用差，在混凝土中主要以簇狀聚集，如圖2所示。因此其對混凝土抗裂及抗折性能的改善作用大打折扣。而優質聚丙烯纖維在混凝土中可以均勻分散，充分發揮抗折能力強、抗裂性好、抗疲勞及耐磨損作用，如圖3所示。

圖2 劣質纖維簇狀分布

圖3 優質聚丙烯纖維均勻在混凝土中分布

由于受工地實驗室檢測條件及能力的限制，大多不能進行聚丙烯纖維各項性能的檢測，而僅通過目測對聚丙烯纖維的優劣性難以鑒別，在此介紹幾個簡易快捷的鑒別方法。（1）水浴對比法：由于聚丙烯纖維比水輕，可取500 mL水放入兩個水杯中，分別加入一定數量的纖維，攪拌10 s后進行觀察。合格的聚丙烯纖維分散均勻，懸浮于水中；劣質者不能均勻分散或以團狀、簇狀懸浮于水中或下沉至水底。（2）氣味鑒別法：聚丙烯纖維環保，無味、無刺激；劣質纖維有污染，味濃且刺激性強。

3 混凝土配合比設計及工作性能優化分析

3.1 技術難點

聚丙烯纖維網混凝土要求聚丙烯纖維網均勻地分散于混凝土拌合物中，由于其對混凝土的網織束縛作用使得漿體粘聚力大幅增加，導致混凝土發沉、發粘，流動性、可泵性大幅下降。

如果僅靠增加減水劑摻量，提高引氣組分，雖然能使混凝土粘聚性有所降低，但其流動性和可泵性改觀并不明顯。如果摻量過大，易導致混凝土出現泌漿現象，無法實現性能兼顧，且實體結構物還會出現砂線、蜂窩麻面等現象，如圖4所示。

圖4 混凝土外觀的蜂窩麻面及砂線

3.2 原因分析及尋找突破口

在混凝土中，漿體量以及砂率的大小對混凝土的工作性能影響很大，適當增加漿體用量以及適宜的砂率可有效改善混凝土流動性和可泵性，但漿體量的增加會導致混凝土體積穩定性降低［3］，增加混凝土出現裂縫的幾率。這與添加纖維用于提高混凝土抗裂性能的宗旨相違背，因此不采取增加漿體用量的措施。

聚丙烯纖維網加入后，其網織束縛作用使得漿體粘聚力大幅增加，是導致混凝土內聚力增加、粘聚性過大、不滿足泵送施工的根本原因。因此必須采取相應手段，使得加入纖維后的漿體粘聚力與未加纖維的漿體粘聚力相當，從根本上解決問題。

3.3 配合比設計及工作性能優化

目前，對于混凝土粘聚性并無相應的檢測方法或具體的卡控指標，僅在混凝土坍落度試驗完成后，通過人為觀察坍落擴展狀態進行感性判定［4］。對于經驗不足的檢測人員，很難去判斷混凝土拌合物狀態是否適用于現場泵送施工。

因此在配合比設計時，首先通過改善漿體工作性能，再結合倒置坍落度筒排空試驗［5］、坍落度及含氣量試驗結果共同對該配合比的混凝土工作性能進行驗證。

3.3.1 漿體性能的改善

結合該配合比設計難點，在不改變漿體及纖維比例的前提下，結合外加劑復配技術，通過改善漿體流動度及粘度，使得漿體性能滿足要求。

參照GB/T 8077—2012中“水泥凈漿流動度”試驗方法［6］，對凈漿漿體流動度進行檢測；參照Q/CR 596—2017對漿體粘度進行檢測［7］。

在纖維加入前后，對漿體流動度及粘度性能的影響進行分析，檢測結果如表1所示。

表1 漿體流動度及粘度檢測結果對比

漿體組分包括膠凝材料、水和外加劑、一定的含氣量。結合漿體各組分的作用，要提高漿體的流動度、降低漿體粘度，可以從幾方面考慮：（1）改善膠凝材料顆粒粒型及粒徑分布［8］；（2）適當提高減水劑的減水率；（3）增加漿體含氣量。

對于膠凝材料，由于粉煤灰的形態效應及其優越的填充效應［9］，可采用單摻粉煤灰，通過適當增加粉煤灰摻量來改善漿體工作性能。對于增加減水劑減水率及漿體含氣量措施，則需要通過調整減水劑配方來實現。

因所用粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，需水量比為98%，燒失量2.1%、細度23%。結合粉煤灰的品質，綜合考慮其對強度的影響，粉煤灰摻量由原來的20%提高至30%。

對于減水劑的復配，本文在3.3.2章節中詳細分析。

對于漿體含氣量，參照砂漿含氣量測定的方法進行檢測［10］。適當提高漿體含氣量，結合混凝土強度考慮，將含氣量控制在4%～6%之間，使漿體更加松軟、柔和，同時增加了漿體的飽滿度，以此達到降低漿體粘度的目的。

通過以上措施，漿體流動度提高至198.86 mm，漿體粘度降低至3 430 mPa·s。

3.3.2 減水劑復配

聚羧酸減水劑主要組成成分包括減水組分、保坍組分、調凝組分、增稠組分、引氣組分等［11］。

優化前減水劑調凝組分采用葡鈉、引氣組分采用黃引、增稠組分采用糊精，其配方如表2所示。

表2 優化前減水劑配方

減水劑配方調整主要從以下幾方面考慮：（1）適當增加減水率；（2）適當增加引氣；（3）降低混凝土粘度；（4）增加混凝土柔和度。

增稠組分主要包括纖維素、糊精等，用于改善混凝土泌漿及離析現象，增加混凝土粘聚性［12］。鑒于此次配合比設計及優化主要是為了降低聚丙烯纖維混凝土的粘聚性，因此，在減水劑復配時，去掉其增稠組分。

增加減水率可通過調整減水母液及保坍母液的比例，并稍提高兩種母液的總摻量來實現。

提高含氣量可使用引氣效果更好的科萊恩引氣劑替換黃引，并稍提高其用量來實現。

對于混凝土流動性和柔和程度的改善，雖然可以通過提高混凝土含氣量來實現，但是過高的含氣量會對混凝土力學性能帶來很大的負面影響，因此在此次減水劑優化中，首次使用了新產品“聚羧酸伴侶”，如圖5所示。

圖5 聚羧酸伴侶

聚羧酸伴侶為一種粘稠、均勻的黃褐色液體，采用淀粉為原料制備的新型功能型母液，將其加入聚羧酸減水劑后，可提高減水劑的適應性、降低敏感度并改善混凝土的流動性和柔和度。

通過試配調整，最終確定減水劑配方，如表3所示。

表3 優化后減水劑配方

3.3.3 效果評價

通過膠凝材料組成比例的調整、含氣量的適當增加、減水劑的復配等措施，優化后的聚丙烯纖維混凝土工作性能明顯得到改善。如圖6～圖7所示，坍落度為230 mm，含氣量為4.6%。

圖6 混凝土出機狀態

圖7 混凝土坍落擴展度試驗

對于混凝土可泵送性能，在配合比設計和優化時，采用坍落度筒倒置排空試驗進行度量和卡控。優化配合比后的混凝土排空時間為8 s，適用于泵送工藝施工。

經28 d、56 d試驗，混凝土強度、耐久性試驗結果滿足配制強度及耐久性要求。

經現場施工驗證，該配合比下的混凝土工作性能優良，有良好的流動性，不泌水，泵送順暢，保障了后期工程的順利施工和工程質量。現場施工如圖8～圖9所示。

圖8 混凝土澆筑現場

圖9 拆模后的混凝土外觀

4 結束語

由于混凝土組成較為復雜，且不同組分在混凝土中的不同作用導致混凝土各項性能的差異。本文采用提高粉煤灰摻量、適當增加混凝土含氣量、降低漿體粘度、調整減水劑組分等措施，圓滿解決了聚丙烯纖維網混凝土不易于泵送的施工技術難題。

對于混凝土各項性能的塑造和優化，應緊密結合現場，在滿足工作性能的前提下兼顧經濟性。實踐證明，科學施工、嚴格管理、控制得當是優化配合比的前提和關鍵。