漿體流變性對C60超高泵送混凝土工作性能的影響

王曉燕 焦 巖 李世華 黃 睿

1. 云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司 云南 昆明 650501；

2. 云南建投綠色高性能混凝土股份有限公司 云南 昆明 650501

超高泵送混凝土對其工作性能指標(biāo)具有較高要求，在實際泵送施工過程中，混凝土工作性能直接決定了混凝土施工的難易程度[1]。滿足易泵性指標(biāo)的混凝土具有高流動性的同時還應(yīng)具有一定的黏聚性，才能保證混凝土出泵后的密實和均勻，確保工程質(zhì)量[2]。與混凝土工作性能相關(guān)的流變特性是指其黏塑性狀態(tài)下的流變參數(shù)[3]。混凝土拌和物具有賓厄姆特征，屈服強(qiáng)度和塑性黏度是漿體流變性的2個控制參數(shù)，漿體克服屈服強(qiáng)度才能開始流動，而流動后的快慢則受其塑性黏度影響[4]。馬昆林等[5]將砂漿視為砂子懸浮于凈漿所形成的二相混合物，并建立了漿體流變性與工作性能的關(guān)聯(lián)公式。

云南省機(jī)制砂含粉量較大，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，且關(guān)于機(jī)制砂超高泵送混凝土的漿體流變性和工作性能間的關(guān)系研究相對較少。本文基于云南省地方原材料特征，以C60超高泵送混凝土為研究對象，對超高泵送混凝土漿體流變性與工作性能之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行了研究。

1 試驗

1.1 原材料

水泥選用東駿P.O 52.5水泥，比表面積356 m2/kg，標(biāo)準(zhǔn)稠度26%，初凝時間180 min、終凝時間235 min，3 d抗折強(qiáng)度6.2 MPa、28 d抗折強(qiáng)度9.4 MPa、3 d抗壓強(qiáng)度35.2 MPa、28 d抗壓強(qiáng)度61.2 MPa；粉煤灰選用Ⅱ級粉煤灰，細(xì)度15%，需水量比98%，燒失量3.82%，SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.64%，28 d活性指數(shù)71%；粗集料選用粒徑5～20 mm連續(xù)級配碎石，壓碎指標(biāo)8.6%，含泥量0.4%，泥塊含量0.2%，針片狀顆粒含量1.0%；細(xì)骨料為機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)為2.9，壓碎指標(biāo)為12%，MB值（亞甲藍(lán)值）為0.5，石粉含量7.6%；拌和水為昆明市自來水；聚羧酸高性能減水劑的固含量為12%，減水率為28.6%。

1.2 試驗方法

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測試方法標(biāo)準(zhǔn)》測定混凝土的坍落度、擴(kuò)展度、倒提時間。漿體流變性能采用DV-1型旋轉(zhuǎn)黏度計分別測定各組砂漿在各剪切速率下的剪切應(yīng)力，根據(jù)賓厄姆流體模型，分別測量同一試樣在不同剪切速率下的剪切應(yīng)力值，采用數(shù)學(xué)擬合的方法即可得到流變方程及相應(yīng)的屈服強(qiáng)度（Pa）和塑性黏度（Pa·s）。

1.3 試驗方案

超高泵送混凝土要求具有良好的流動性，配合比按照J(rèn)GJ/T 283—2012《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行設(shè)計。結(jié)合材料特征進(jìn)行優(yōu)化，混凝土配合比參數(shù)見表1，外加劑摻量占膠凝材料總量的2.2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。漿體流變性能及混凝土工作性能指標(biāo)參數(shù)見表2。

表1 C60超高層建筑混凝土配合比參數(shù)

表2 漿體流變性及混凝土工作性能指標(biāo)

2 結(jié)果與分析

2.1 配合比對超高泵送C60混凝土流變性及工作性能的影響

水膠比為0.32時，單位用水量對C60超高泵送混凝土凈漿流變性和工作性能影響分別見圖1和圖2。由圖1和圖2可知，水膠比固定不變時，漿體屈服強(qiáng)度隨用水量增加而減小，塑性黏度在單位用水量為180 kg/m3時達(dá)到最低。單方用水量由180 kg增加至185 kg，混凝土擴(kuò)展度增加22.8%，倒置坍落度筒排空時間（倒提時間）和T50（混凝土擴(kuò)展度達(dá)500 mm的時間）減少近50%，工作性能改善明顯。水膠比固定不變，單位用水量增加，可視為該膠凝材料體系單位體積內(nèi)漿體總量增加，增加單位體積用水量可明顯改善漿體屈服強(qiáng)度。混凝土中的漿體在填充孔隙后，剩余部分會包裹在骨料表面形成漿體膜[6]，在泵送過程中對骨料起到潤滑的作用[7]。剩余漿體體積過小，混凝土在流動過程中的骨料潤滑作用弱；剩余漿體體積過大，會導(dǎo)致混凝土在流動過程中黏滯阻力增大[8]。

圖1 單位用水量對C60超高泵送混凝土砂漿流變性影響

圖2 單位用水量對C60超高泵送混凝土工作性能影響

固定膠凝材料總量下，不同水膠比對C60超高泵送混凝土凈漿流變性和工作性能影響分別見圖3和圖4。由圖3和圖4可知，水膠比由0.30增加至0.32，砂漿塑性黏度降低13.6%，屈服強(qiáng)度降低30.2%，倒提坍落度筒排空時間縮短1.5 s，擴(kuò)展度增大70 mm。倒置坍落度筒排空時間反映了水泥漿體體系變形的速度，主要受塑性黏度影響。水膠比由0.30增加至0.32時，水泥漿體體系中顆粒相對滑動所需的阻力減小，在相同外力作用下，塑性黏度較低，相同泵送壓力下在泵管中的運動距離較長。擴(kuò)展度主要取決于混凝土體系中的屈服應(yīng)力，由體系中各顆粒間的附著力和摩擦力產(chǎn)生，是阻礙變形的最大阻力，砂漿體系中細(xì)骨料間的相對摩擦力降低，表現(xiàn)為混凝土體系在泵管中運動所需的外力更小。

圖3 水膠比對C60超高泵送混凝土砂漿流變性影響

圖4 水膠比對C60超高泵送混凝土工作性能影響

固定水膠比和膠凝材料總量下，不同粉煤灰摻量對C60超高泵送混凝土凈漿流變性和工作性能影響分別見圖5和圖6。由圖5和圖6可知，在相同的剪切速率下，摻入一定數(shù)量的粉煤灰可以降低漿體的剪切應(yīng)力。粉煤灰摻量由20%增加至25%，漿體的屈服應(yīng)力隨粉煤灰摻量的增加而降低，塑性黏度隨膠凝材料中粉煤灰含量的增大而增大，混凝土擴(kuò)展度增加14%，倒提時間縮短28%。提高膠凝材料中的粉煤灰含量有利于提高混凝土的流動性，并提高混凝土的均勻性[9]。粉煤灰具有滾珠效應(yīng)，漿體屈服強(qiáng)度隨粉煤灰摻量增加而明顯降低，混凝土體系表現(xiàn)出優(yōu)異的流動性。同時，粉煤灰摻入后會減小膠凝材料顆粒間距，顆粒相互連接更為緊密，宏觀表現(xiàn)為優(yōu)異的黏聚性。但隨著粉煤灰摻量的繼續(xù)提高，填充效應(yīng)產(chǎn)生的內(nèi)聚力超過滾珠效應(yīng)，使其流動速度降低，不利于工作性能的改善。在本試驗條件下，粉煤灰摻量占膠凝材料總量宜為20%～25%。

圖5 粉煤灰摻量對C60超高泵送混凝土砂漿流變性影響

圖6 粉煤灰摻量對C60超高泵送混凝土工作性能影響

水膠比和膠凝材料體系不變情況下，不同砂率對C60超高泵送混凝土凈漿流變性和工作性能影響分別見圖7和圖8。由圖7和圖8可知，當(dāng)砂率從38%增大至42%時，砂漿在各剪切速率下的剪切應(yīng)力逐漸增大，表觀黏度逐漸增大。同時，砂漿塑性黏度增加，使得漿體包裹骨料厚度降低，砂漿失去過多流動性。C60超高泵送混凝土選擇砂率為38%可獲得較為優(yōu)異的工作性能。

圖7 砂率對C60超高泵送混凝土砂漿流變性影響

圖8 砂率對C60超高泵送混凝土工作性能影響

2.2 C60超高泵送混凝土工作性能與流變性關(guān)系

混凝土的擴(kuò)展度會隨砂漿的塑性黏度和屈服應(yīng)力的增加而降低，塑性黏度和屈服應(yīng)力的增加不利于提高混凝土工作性能。塑性黏度和屈服應(yīng)力過大，混凝土流動性差，流動速度慢；而塑性黏度和屈服應(yīng)力過小，混凝土擴(kuò)展度較大但容易離析泌水[10]。

為滿足超高泵送性能要求，在保證其不離析泌水的前提下，擴(kuò)展度應(yīng)控制在600 mm±50 mm，倒提時間應(yīng)控制在5 s以內(nèi)。

以C60超高泵送混凝土砂漿屈服應(yīng)力為x軸，塑性黏度為y軸，分別以混凝土擴(kuò)展度、倒提時間為z軸繪制出三維散點，見圖9和圖10。

圖9 C60超高泵送混凝土擴(kuò)展度與流變參數(shù)擬合

圖10 C60超高泵送混凝土倒提時間與流變參數(shù)擬合

令z1閾值為550 mm≤z1≤650 mm，z2閾值為z2≤5 s，可求出在擬合方程條件下，滿足泵送工作性能指標(biāo)的砂漿流變性參數(shù)范圍，即當(dāng)砂漿塑性黏度在0.42～1.63 Pa·s，屈服應(yīng)力在55.2～83.7 Pa范圍內(nèi)，可滿足混凝土擴(kuò)展度為600 mm±50 mm，倒提時間在5 s以內(nèi)。結(jié)合表2實測數(shù)據(jù)可知，滿足擴(kuò)展度在550～650 mm，倒提時間在5 s以內(nèi)的C60超高泵送混凝土，砂漿的塑性黏度在0.675～1.438 Pa·s，屈服剪切應(yīng)力在69.1～75.8 Pa，結(jié)果均在擬合結(jié)果范圍內(nèi)。

3 結(jié)語

1）水膠比、粉煤灰摻量是影響凈漿流變性參數(shù)的主要因素，砂率主要影響漿體屈服強(qiáng)度。當(dāng)水膠比為0.32，膠凝材料總量為560 kg/m3，粉煤灰摻量為20%～25%，砂率為38%～40%時，混凝土的擴(kuò)展度可滿足600 mm±50 mm，倒提時間小于5 s的超高泵送要求。

2）混凝土擴(kuò)展度、倒提時間與砂漿流變性之間具有顯著相關(guān)性，其關(guān)系可用一元二次方程近似表示。當(dāng)砂漿塑性黏度在0.42～1.63 Pa·s，屈服應(yīng)力在55.2～83.7 Pa范圍內(nèi)時，混凝土可滿足易泵送的工作性能指標(biāo)要求。