泵送混凝土的工作性變化及應(yīng)對方案

泵送混凝土的工作性變化及應(yīng)對方案1試驗(yàn)方案1.1試驗(yàn)原材料（1）混凝土原材料：金隅振興P·O42.5級水泥；S95級礦粉；北疆電廠F類Ⅰ級和Ⅲ級粉煤灰，0.045mm篩篩余分別為9.1%和42%；吉林某企業(yè)生產(chǎn)的粉煤灰微珠，需水量比為83%；武漢某公司生產(chǎn)的硅灰，SiO2含量93.7%；河砂A、B、C細(xì)度模數(shù)分別為2.4、2.4、2.6，含泥分別為3.3%、2.6%、1.9%；石灰?guī)r碎石，5～25mm連續(xù)級配。（2）減水劑：試驗(yàn)室用減水劑包括高減水型聚羧酸減水劑JY-TS-1，減水率35%；緩釋型聚羧酸減水劑JY-TS-302、JY-TS-2和JY-TS-301，分別符合JC/T2481—2018《混凝土坍落度保持劑》中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類要求。工程現(xiàn)場所用聚羧酸減水劑為復(fù)配產(chǎn)品，固含量分別為10%和40%。（3）緩凝劑：葡萄糖酸鈉、葡萄糖、白糖、麥芽糊精、羥基乙叉二膦酸HEDP。（4）其他外加劑：十二烷基硫酸鈉引氣劑K12，有效物20%；引氣劑AE-PLUS；7168消泡劑；羥丙基甲基纖維素（HPMC）。1.2試驗(yàn)方案工程出、入泵混凝土的溫度、流動(dòng)度/含氣量的變化：對天津某公司超高泵送盤管試驗(yàn)及所承接兩處工程的現(xiàn)場施工混凝土的有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析。工程要求和混凝土配合比。C60和C35混凝土用粉煤灰分別為北疆電廠F類Ⅰ級和Ⅲ級粉煤灰，0.045mm篩篩余分別為9.1%和42%；所用減水劑均為北京某公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑復(fù)配產(chǎn)品，固含量分別為10%、40%；C35混凝土采用砂A和砂B兩種河砂，含泥分別為3.3%和2.6%；C60混凝土用河砂C，含泥為1.9%；C60混凝土用石為整形過的5～25mm連續(xù)級配碎石。其他原材料同1.1節(jié)。環(huán)境溫度低于混凝土4～7℃，混凝土入泵前經(jīng)時(shí)約40～60min，C35現(xiàn)場混凝土、C60-2現(xiàn)場混凝土和C60-1盤管混凝土在泵管中的輸送經(jīng)時(shí)約2～3min、5～7min和50min。1.3研究內(nèi)容①壓力對凈漿流動(dòng)度和水化熱影響；②含氣量對砂漿流動(dòng)度的影響；③氣泡大小對自由水量的影響；④溫度對凈漿流動(dòng)度的影響；⑤外加劑改善泵送混凝土工作性的措施研究。1.4測試方法按照GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》和JGJ/T283—2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行混凝土凈漿流動(dòng)度、擴(kuò)展度、含氣量的測試。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1壓力對凈漿流動(dòng)度和水化熱的影響C35和C60-2現(xiàn)場混凝土泵送壓力分別為10MPa和12MPa，C60-1盤管泵送壓力8.0～12.5MPa。受試驗(yàn)條件限制，試驗(yàn)室僅進(jìn)行了3.0MPa靜態(tài)加壓模擬。加壓設(shè)備由SY-2型壓力泌水儀取出篩網(wǎng)，墊平導(dǎo)水槽，關(guān)閉泌水閥，在筒體內(nèi)置完整塑料袋改造而成，見圖1。試驗(yàn)室調(diào)整減水劑用量，在折固摻量0.18%時(shí)，常壓凈漿流動(dòng)度出現(xiàn)增長、穩(wěn)定、損失三個(gè)階段。取加水后10min和120min作為流動(dòng)度增長期和損失期的加壓起測點(diǎn)。加壓至3.0MPa衡壓60min。在各測試時(shí)點(diǎn)同步進(jìn)行漿體的流動(dòng)度測試，見圖2，為方便作圖，對塑性較好但是流動(dòng)度不滿足擴(kuò)展度試驗(yàn)的凈漿，取其擴(kuò)展度為60mm。停止加壓后進(jìn)行常壓和加壓漿體水化熱測試。加壓試驗(yàn)操作參考GB/T50080—2016壓力泌水試驗(yàn)的加壓方法。由圖2可知：在流動(dòng)度增長期，加壓后凈漿流動(dòng)度無明顯變化，但處于流動(dòng)度損失期凈漿經(jīng)過加壓，流動(dòng)度損失至200mm的時(shí)間提前約35min。凈漿流動(dòng)度損失可能源于以下綜合作用：隨減水劑分散作用下降，水泥顆粒間絮凝作用增加，加壓環(huán)境將促進(jìn)這一作用；熟料受燒成急冷期礦物收縮和粉磨過程中擠壓等作用形成一定數(shù)量微裂縫，壓力下，水對微裂隙滲入能力加大；水泥水化產(chǎn)物可溶性很低，包裹于熟料顆粒表面，形成膜層抑制水泥水化，壓力下，水對水化產(chǎn)物膜層滲入能力增強(qiáng)。水化熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)未體現(xiàn)顯著差異（不再列出），具體影響機(jī)理有待進(jìn)一步研究。綜上所述，考慮到現(xiàn)場泵壓約為試驗(yàn)室施加壓力的三倍左右，將進(jìn)一步減小促進(jìn)流動(dòng)性損失期混凝土流動(dòng)性。如果在滿足泵送要求下減小泵送壓力，預(yù)計(jì)將有助于減少經(jīng)泵的流動(dòng)性損失。2.2含氣量對砂漿流動(dòng)度的影響及氣泡大小對自由水量的影響對現(xiàn)場C35和C60混凝土各進(jìn)行了4車次混凝土測試，每車取樣測試1次，各混凝土入泵前經(jīng)時(shí)約40～60min。C35第1、2車次混凝土用砂為砂A，泵后混凝土工作性損失較大，第3、4車次進(jìn)行混凝土用砂調(diào)整，換用砂B，第3車次混凝土出泵出現(xiàn)浮漿，第4車次生產(chǎn)下調(diào)減水劑0.2%，出泵混凝土勻質(zhì)性良好。C60混凝土第1、2車次（在盤管試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行，采用含微珠的C60-1配合比）出泵時(shí)混凝土有明顯浮漿；第3、4車次（在工地現(xiàn)場進(jìn)行，采用含硅灰的C60-2配合比）出泵混凝土勻質(zhì)性良好。對各測試混凝土，采用兩種插搗方式測量經(jīng)泵前后混凝土的含氣量，計(jì)算出泵和入泵混凝土含氣量的比值。一種是一次裝滿，插搗15次；另一種是分三層裝滿，每層插搗25次，分別計(jì)為含氣量比1和含氣量比2。有關(guān)流動(dòng)度和含氣量變化情況見圖3和圖4。由圖3、圖4可知，混凝土的出入泵含氣量比大于100%的比例占測試總數(shù)的75%，含氣量比小于100%的情況全部出現(xiàn)于泵后浮漿混凝土中；出入泵混凝土含氣量比2總體小于含氣量比1；C60-2混凝土的含氣量比差異相對較小。出入泵含氣量比大于100%代表含氣量增加。這說明經(jīng)泵后流態(tài)非離析混凝土含氣量不會(huì)損失，混凝土經(jīng)泵損失并非由含氣量損失導(dǎo)致。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，入泵前拌和物從攪拌車卸出下落和出泵過程中料流沖擊引入的空氣是含氣量上升的部分原因。含氣量比2總體小于含氣量比1說明，在更長時(shí)間振搗下，出泵混凝土氣泡溢出比例更大。取C35第4次測試出入泵混凝土按一次裝滿方式成型試件，硬化后觀察，以可見氣泡為基礎(chǔ)，出泵成型混凝土較入泵成型混凝土中直徑5mm以上大氣泡有所減少，但可見0.5～1.0mm的氣泡比例較高。表觀氣泡情況見圖5。設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究含氣量對砂漿流動(dòng)度的影響。以質(zhì)量比計(jì)，按m（水泥）：m（粉煤灰）：m（礦粉）：m（砂）：m（水）=1∶0.26∶0.26∶1.84∶0.42比例制備砂漿，TS-1減水劑折固摻量0.22%，以引氣劑調(diào)整砂漿含氣量，測試不同含氣量砂漿流動(dòng)度和保水狀態(tài)，結(jié)果見圖6。由圖6可知，隨含氣量增加，砂漿流動(dòng)度先增后降。氣泡的滾珠作用促進(jìn)流動(dòng)性，而形成氣泡消耗的自由水將降低流動(dòng)性。當(dāng)二者處于某種程度的平衡時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)流動(dòng)性和保水性的最佳狀態(tài)。超過這一范圍后，繼續(xù)形成氣泡將減小流動(dòng)性。另外，設(shè)計(jì)研究了氣泡大小對自由水量的影響。以K12和AE-PLUS配制引氣劑溶液，摻入量分別為1.0%和0.5%。采用等體積塑料瓶，以相同方式同時(shí)、充分晃動(dòng)引氣劑溶液至氣泡充分生成，靜置約5～6s及時(shí)觀察，結(jié)果見圖7。結(jié)果表明，在相同氣泡體積條件下，更小泡徑的氣泡消耗更多的自由水。AE-PLUS引氣劑溶液泡沫細(xì)小，等氣泡體積空間，其液面高度低于K12引氣溶液約15%。結(jié)合以上分析，可以認(rèn)為經(jīng)泵后混凝土穩(wěn)定性有所降低的原因在于氣泡平均尺寸有一定增加，從而減少了氣泡對液相的消耗。為什么氣泡平均尺寸會(huì)增加呢？筆者認(rèn)為可以從泵送過程中氣泡聚并機(jī)理進(jìn)行解釋。氣泡間接觸將產(chǎn)生部分氣泡聚并。根據(jù)文獻(xiàn)，氣泡靠近和碰撞、碰撞處形成液膜、液膜排液、變薄并最終破碎實(shí)現(xiàn)聚并。隨著液相黏度增加，氣泡聚并時(shí)間延長。氣泡聚并在較短時(shí)間內(nèi)即可完成，低黏度體系可能僅10-5～10-6s，即使雷諾值3.4的高黏液體中，氣泡從接觸至聚并完成也僅10s左右。氣泡聚并研究雖主要針對自由運(yùn)動(dòng)的較大氣泡，但是對泵送混凝土影響機(jī)理相同。其一是多相體的剪切作用。泵送中混凝土在靠近泵管中軸處流速大，而靠近管壁處流速小，存在速度梯度，進(jìn)而產(chǎn)生剪切作用。據(jù)文獻(xiàn)表明，大流態(tài)自密實(shí)混凝土在泵管中剪切速率可能達(dá)到30~60s-1，潤滑層部分可能達(dá)到100s-1，遠(yuǎn)大于生產(chǎn)和運(yùn)輸中攪拌的剪切速率。多相體系的高剪切環(huán)境導(dǎo)致微氣泡間的接觸頻率和碰撞力度增加，將比常壓低剪切環(huán)境大的多，將進(jìn)一步促進(jìn)氣泡聚并。其二是強(qiáng)剪切稀化作用。至少在減水劑充足漿體中，強(qiáng)剪切過程產(chǎn)生的低黏度液相環(huán)境必將促進(jìn)氣泡聚并。其三，聚并排液。氣泡碰撞產(chǎn)生的液膜必然產(chǎn)生排液，不論氣泡合并最終是否實(shí)現(xiàn)，而排液增加的液相量又將促進(jìn)其它氣泡聚并。所以相對于靜置或罐車轉(zhuǎn)動(dòng)條件下，泵送剪切作用對摻充足減水劑混凝土流動(dòng)度的增長或離析的加重將更明顯。至于C60-2含氣量比差異較小，可以從混凝土黏度較高導(dǎo)致聚并過程較慢且氣泡溢出較少的角度解釋。雖然無法方便地設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，但根據(jù)以上分析，推測抑制氣泡聚并，降低經(jīng)泵剪切稀化程度并提高混凝土漿體的保水性或內(nèi)聚力可能會(huì)提高經(jīng)泵混凝土穩(wěn)定性。2.3工程出、入泵混凝土的溫度變化及溫度對凈漿流動(dòng)度的影響有經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為混凝土在泵送過程中溫度有所上升，現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)證實(shí)了這一說法。C35現(xiàn)場混凝土、C60-2現(xiàn)場混凝土和C60-1盤管混凝土在泵管中的輸送經(jīng)時(shí)分別約2～3min、5～7min和50min，隨泵送距離及經(jīng)時(shí)延長，經(jīng)泵混凝土均出現(xiàn)一定溫升，C60-1盤管混凝土溫升高達(dá)6.1℃，其它混凝土平均溫升約1.0℃/100m。施工時(shí)的環(huán)境溫度低于混凝土4～7℃，不存在輻射溫?fù)p，實(shí)際溫升應(yīng)至少不低于該測值?；炷恋某?、入泵溫度如圖8所示。從行業(yè)共識(shí)的角度，溫升會(huì)加速水泥水化，促進(jìn)混凝土經(jīng)泵稠化。有研究證實(shí)較高溫度也使酯類的基團(tuán)水解加快，轉(zhuǎn)化率提高，緩釋型聚羧酸減水劑一般均接枝酯類功能基團(tuán)，利用其在堿性條件下的水解生成羧基而產(chǎn)生吸附能力，達(dá)到保坍分散目的。為研究溫度對緩釋型減水劑作用發(fā)揮的影響，設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證。以不同溫度的拌和水調(diào)節(jié)制取初始溫度分別為19.1℃、22.5℃、26.1℃和29.0℃的同配比凈漿，JY-TS-301折固摻量0.21%，凈漿水膠比0.29。凈漿初始無流動(dòng)度，于26.0℃環(huán)境中保留，100min后凈漿溫度分別為24.2℃、25.4℃、26.0℃和27.8℃，各經(jīng)時(shí)流動(dòng)度見圖9。由圖9可知，JYTS-301的作用發(fā)揮對溫度敏感，隨溫度提高，凈漿流動(dòng)度增長加速。這說明較高溫度下，減水劑中接枝和未接枝的的酯類基團(tuán)的水解規(guī)律一致。從以上分析，溫度升高對混凝土工作性產(chǎn)生何種影響受兩方面作用制約：一方面，在有效減水劑不足體系中，溫升加速水泥水化，減少溫升將有助于減少混凝土體系的經(jīng)泵稠化。另一方面，體系中如果緩釋型聚羧酸減水劑富余量較多，泵送產(chǎn)生的溫升將促進(jìn)緩釋型聚羧酸減水劑酯類基團(tuán)的水解，減少溫升預(yù)期可減少其經(jīng)泵稀化。3解決方案根據(jù)以上分析，集成外加劑合成與復(fù)配技術(shù)，提出系統(tǒng)性思路：①提高混凝土減水劑的均勻性并根據(jù)需要合理調(diào)整減水劑用量，使運(yùn)輸及經(jīng)泵過程中減水劑供給量均勻、適當(dāng)，降低剪切稀化和稠化基礎(chǔ)；②合理采用緩凝劑；③提高混凝土易泵性，降低泵送壓力對流動(dòng)性損失的影響；④提高分散速度，降低外加劑超摻風(fēng)險(xiǎn)，降低剪切稀化基礎(chǔ)；⑤提高混凝土內(nèi)聚力，減少氣泡聚并的離析風(fēng)險(xiǎn)。限于篇幅，僅對以上研究簡要介紹。從以上研究可見，經(jīng)泵工作性變化和混凝土體系中減水劑有直接關(guān)系，所以第一個(gè)思路是選擇接枝不同功能基團(tuán)的緩釋減水劑實(shí)現(xiàn)減水作用梯度釋放，使混凝土在澆筑前能對體系適時(shí)適量地提供減水劑。圖10是接枝不同水解活性緩釋基團(tuán)的聚羧酸減水劑與減水型聚羧酸減水劑按5∶5比例復(fù)配，進(jìn)行的混凝土各經(jīng)時(shí)流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果。由圖10可知，JY-TS-302早期釋放快，后期保坍能力較弱，減水能力較高；JY-TS-301前期釋放能力較弱，主體釋放區(qū)間位于1.5～2.5h，釋放均勻持久，水解后減水能力較低；JY-TS-2界于前二者之間，減水和保坍釋放較為均衡。根據(jù)入泵前經(jīng)時(shí)估算、經(jīng)泵時(shí)長和原材料對減水劑的消耗特點(diǎn)，將不同緩釋母液進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，使入泵前混凝土中保留有適宜有效量的減水劑。第二個(gè)思路是采用適宜的緩凝劑。合適的緩凝劑可抑制對減水劑的消耗，有助于減水劑供給的均勻性，維持易泵性，調(diào)節(jié)混凝土的保水性，改善內(nèi)聚力，減小氣泡抑出，但不同的緩凝劑具有不同的特點(diǎn)，需要充分把握其性能特征。表3為各緩凝劑的保水性。圖11是取不同緩凝劑以