自密實混凝土黏度降低措施分析與探討

前言混凝土的使用已有逾百年的時間。期間，無論從材料或技術角度，混凝土都經(jīng)歷了多次革新，并成為目前最主要的建筑材料。中國是當今混凝土生產和消費第一大國。據(jù)統(tǒng)計，2016年全國商品混凝土產量179200萬立方米，增長7.4%。消耗量的快速增長一定程度上反映出經(jīng)濟面的向好，但同樣也給混凝土發(fā)展提出了諸多新課題。首先，天然河道砂資源走向枯竭是混凝土行業(yè)無法回避的棘手問題，機制砂的應用越來越廣泛。其次，城市建設中大量超高、超深、超大建筑物的出現(xiàn)也對混凝土施工提出了不同以往技術要求，各種強度等級自密實混凝土的需求逐漸增大。隨著問題和要求的不斷積累，混凝土工作性能變差與施工需求不匹配的矛盾開始凸顯，其中以自密實混凝土拌合物黏聚性過大，和易性差，導致施工困難，影響工程質量的問題尤為突出。如何在保證其高流動性的前提下，盡可能的降低拌合物黏度，是當前亟需解決的問題。一直以來針對這一問題，學術和工程界做了大量的研究工作，逐步提出了多種較為行之有效的措施，并在工程生產中加以應用，取得了很好效果。本文通過參閱近年來的相關文獻資料，并結合筆者自身工作實際，概括總結了各類降低自密實混凝土黏度的方法，旨在為本領域的技術進步提供幫助。1

自密實混凝土黏度的評價方法在工程實際中，混凝土黏度一般指混凝土拌合物黏聚性，包括自卸或泵送時的流動度大小，和易性狀態(tài)，以及自然攤平基面或填充異形結構的難易程度等指標?！痘炷临|量控制標準》（GB50164-2011）中規(guī)定：“混凝土拌合物的稠度可采用坍落度、維勃稠度或擴展度表示?！逼湓u價方法涵蓋了各類型混凝土。自密實混凝土的粗骨料粒徑通常在20mm以下，并且膠凝材料用量較高，其黏度對工作性能的影響更為明顯，故要求對其的評價方法也應更細化和全面?！蹲悦軐嵒炷翍眉夹g規(guī)程》（JGJ/T283-2012）中要求以坍落擴展度、擴展時間T500（同T50）和J環(huán)擴展度指標評價自密實混凝土的填充性和間隙通過性?！蹲悦軐嵒炷翍眉夹g規(guī)程》CECS203:2006中規(guī)定混凝土的自密實性能可采用坍落擴展度、V漏斗試驗（或T50試驗）和U型箱試驗進行。在工程現(xiàn)場，還可以用混凝土坍落度筒倒坍時間（坍落度筒倒置后填滿混凝土的排空時長）試驗作為拌合物黏度的快速評判方法。此外，水泥凝結時間，粉煤灰的需水量比和水泥凈漿剪切屈服應力等指標，也可以作為判斷參考。這些試驗的目的在于將不易準確描述的混凝土拌合物的黏度定量化，以便于直觀判斷。一般地，拌合物在非離析狀態(tài)下，達成上述指標用時越少，或測量值越大，表明混凝土的黏度越適宜。2

降低自密實混凝土高黏度的措施自密實混凝土要求拌合物同時具備高流動性和高黏聚性，但黏聚性過高會大大降低其流動性。所以在保證混凝土工作性及強度的前提下，盡可能保持合適的拌合物黏度，是配制自密實混凝土基本要求。結合近年國內外學者的研究情況，歸納起來，目前較為公認的降低自密實混凝土黏度主要有優(yōu)化混凝土配合比，添加超細粉料和使用具有降黏作用的化學外加劑3種措施。2.1

優(yōu)化混凝土配合比2.1.1

合適的膠凝材料組分及用量通過試驗分析得出結論，他認為從材料組成上來分析，混凝土可以看成是以漿體為分散相、集料為固相的混合體，而分散相的濃度是影響體系流變性的重要因素之一，膠凝材料用量越大，分散相濃度越高，分散相粒子之間彼此更容易相互牽制，體系流動時推動分散相粒子所消耗的能量就更大，即塑性黏度相應增大；從微觀上分析，隨著膠凝材料用量增大，水化所形成的網(wǎng)狀結構更易形成，結構更加緊湊，體系流動起來所需破壞網(wǎng)絡結構的力就更大，即屈服應力更大。不同膠凝材料用量的自密實混凝土的塑性黏度（η）及屈服應力值（τ）變化見表1。研究則認為，借助于膠凝材料層厚度的模型參數(shù)不僅可以得到標準黏度測定的特征值，而且可以描述兩個流變學參數(shù)，即屈服極限和塑性黏度。隨著膠凝材料體積和砂漿體積的增加，新拌混凝土的性能有提高的趨勢。在摻加石灰石粉及煤矸石粉煤灰的混凝土中，隨著膠凝材料總體積的增加，混凝土的塑性黏度η，擴展時間T500，漏斗流出時間和阻滯性逐漸減小。而屈服極限τ和J環(huán)擴展度SF則大致呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢。認為在單摻摻和料時，混凝土的屈服應力均隨膠凝材料中粉煤灰或礦粉的含量增加而減少，但混凝土的塑性黏度隨膠凝材料中粉煤灰含量增加而增大，隨膠凝材料中礦粉含量的增加而先增大后減少。說明提高膠凝材料中的粉煤灰或礦粉含量有利于提高混凝土的流動性能，但礦粉含量過高會降低混凝土的塑性黏度。研究表明，自密實混凝土的觸變性能隨粉煤灰摻量增加呈現(xiàn)出先變弱后增強的趨勢，而混凝土的屈服剪切應力和塑性黏度隨粉煤灰的摻量增加而逐漸減小。摻20%和摻30%礦渣粉的自密實混凝土的塑性黏度隨時間呈減小趨勢，而摻40%礦渣粉時拌合物的塑性黏度隨著時間先增大后減小。摻石灰石粉使自密實混凝土的觸變性能和屈服剪切應力均有所增大。摻5%石灰石粉的自密實混凝土的塑性黏度明顯高于純水泥拌合物，而摻10%和15%石灰石粉對塑性黏度的影響不顯著。通過上述研究可見，膠凝材料用量與體系黏度基本成正比例關系，且在水泥中摻加粉煤灰和礦粉等對于改變自密實混凝土的流變參數(shù)，降低拌合物黏度有一定作用，但摻和料用量要依照黏度變化趨勢由試驗具體確定。2.1.2

適當增大砂率砂率是影響混凝土塑性黏度及抗離析泌水性能的重要指標。自密實混凝土根據(jù)水膠比的不同，砂率應做相應的調整，以保持拌合物同時具備高流態(tài)及適中的黏聚性。砂率太小，拌合物會出現(xiàn)離析泌水，板結抓底，導致無法使用。砂率過大，拌合物黏度顯著提高，流速減慢，泵壓升高，而且影響強度。研究了設計水膠比為0.39的自密實混凝土不同砂率配合比對工作性的影響，結果見表2。其認為，砂率增大，骨料的總表面積和空隙率都會增大，當水泥漿數(shù)量一定時，包裹骨料的水泥漿厚度變薄，使拌和物流動性減小。砂率過小，粗骨料間缺少必要的砂漿層以減小其摩阻力，拌和物流動性也會降低，其至會降低拌和物的黏聚性和保水性，容易造成流漿和離析等現(xiàn)象。在自密實混凝土中，為滿足其對工作性能的特殊要求，一般都具有較大的砂率。試驗結果亦表明，砂率為51%時工作性能最優(yōu)?？疾焐奥蕦ψ悦軐嵒炷恋墓ぷ餍阅艿挠绊?，試驗中膠凝材料質量及砂、石總量恒定，只分別調整4組試驗砂率為35%、37%、39%和41%。其得到不同砂率下的自密實混凝土流變參數(shù)試驗值見表3。由表3可見，隨砂率增大，混凝土拌合物的屈服應力呈減小趨勢，而塑性黏度的變化不大。T500和擴展度等其他指標變化說明隨砂率增大，拌合物流動性能變好。但一旦超過砂率極限值，即39%向41%增加時，各參數(shù)開始出現(xiàn)反向變化，表明砂率的增大已經(jīng)開始增加拌合物黏度，砂率不宜繼續(xù)增加。2.1.3

選用級配及粒形良好的機制砂在沒有條件使用天然砂的情況下，要選用級配及粒形良好的機制砂配制自密實混凝土。因為，機制砂由各類石料破碎篩分得到，其粒形多為棱角結構，摩擦力較圓潤的河砂要大，會顯著降低混凝土的流動性。如級配不合理，集料間孔隙率過大，更會導致混凝土離析、泌漿、板結、抓底現(xiàn)象的發(fā)生。系統(tǒng)地研究石灰?guī)r、花崗巖及玄武巖等巖性機制砂與河砂在不同級配下的比表面積及砂漿流變參數(shù)。其試驗結果表明：河砂、機制砂的比表面積均隨著砂中細顆粒的減少粗顆粒的增加而逐漸減小，各級配條件下的河砂比表面積和砂漿屈服應力τ均小于機制砂。機制砂中1.18mm以上粗顆粒的比例接近40%時的砂漿屈服應力τ最小，而塑性黏度η與砂細度模數(shù)基本呈反向線性關系。這表明，集料顆粒越大其在砂漿中移動需要克服的阻力也越大，同時大粒徑顆粒的增多導致大顆粒間的嵌鎖增加，使得顆粒流動不暢，從而導致砂漿屈服應力的增大。而粗顆粒的增加使得集料的比表面積減小，單位質量集料對水的吸附量也逐漸減小，漿體中自由水增加，從而使砂漿黏度也隨之降低。2.2

添加超細粉料在膠凝材料中加入礦物摻和料有很多優(yōu)點，例如可降低水化熱、減少開裂、促進后期強度增長等。在高強度等級自密實混凝土中，添加超細粉料可以顯著改善拌合物的黏度。一般常見的超細粉料包括Ⅰ級粉煤灰、硅灰、玻化微珠、超細石灰石粉和石英粉等。研究了用不同比例的粉煤灰、超細石灰石粉和超細石英粉替代水泥后，混凝土倒坍時間的變化，從而反映出混凝土黏度的變化。結果表明，粉煤灰、超細石灰石粉以及超細石英粉在摻5%硅灰體系中的降黏效果顯著低于摻25%超細礦粉體系。摻入10%粉煤灰、超細石灰石粉和超細石英粉替代等量水泥后，硅灰體系中倒坍時間分別縮短了5.50s、2.90s和5.25s，而超細礦粉體系中倒坍時間分別縮短了5.90s、4.60s和6.70s。復摻20%粉煤灰-超細石灰石粉和粉煤灰-超細石英粉在兩種體系中的倒坍時間的降幅則分別為9.5s、8.5s和7.4s、6.4s，可見硅灰體系的降黏效果更為顯著。在兩種體系中，粉煤灰分別與超細石灰石粉、超細石英粉雙摻，達到3種摻和料復摻，對高強混凝土降黏效果更佳，硅灰體系的混凝土黏度又略低于超細礦粉體系。結合生產實際得到結論，表明特種超細礦物摻和料微珠能夠應用于C50、C55商品混凝土中，用量為30kg/m3～40kg/m3。等量取代水泥40kg/m3時，摻微珠混凝土較未摻微珠混凝土的配合比分別可降低40kg/m3和50kg/m3膠凝材料總量，且不但能降低混凝土的黏度，也可提高混凝土的強度。高密實度是自密實混凝土的重要特征。一般情況下，普通硅酸鹽水泥的比表面積通常小于350m2/kg，礦粉及Ⅰ級粉煤灰約400m2/kg左右，磨細礦粉比表面積可達700m2/kg～800m2/kg，硅灰和玻璃微珠的比表面積高達20000m2/kg以上。比表面積增大意味著顆粒粒徑的減小，小粒徑的摻和料填充在水泥顆粒之間，起到微填充效應，如圖1所示。超細摻和料的表面光滑，可起到“滾珠”的作用，釋放水泥顆粒間多余水分的同時減小了摩擦力，漿體塑性黏度和屈服應力下降，拌合物的表觀黏度降低[12,13]。

2.3

使用具有降黏作用的化學外加劑如今，高性能自密實混凝土所要求的各項性能，絕大多數(shù)都需要依靠各類化學外加劑加以實現(xiàn)。傳統(tǒng)的外加劑降黏方法主要是增加減水劑和引氣劑摻量，但這兩種方法各有弊端。聚羧酸減水劑的減水率大，對用水量敏感，盲目增加減水劑摻量極易導致泌水；添加引氣劑可以降低自密實混凝土黏度，但會影響其容重和強度。目前，開發(fā)具有降黏作用的功能型化學外加劑是研究重點。日本觸媒株式會社于2004年申請了具有降低混凝土黏度的多羧酸外加劑專利。該專利申請保護的外加劑結構包含了不飽和羧酸、丙烯酸烷基酯以及聚亞烷基二醇不飽和單體，合成產物具有豐富的側鏈結構，可增加吸附層厚度，降低屈服應力。同時丙烯酸烷基酯具有疏水性，可在降黏方面發(fā)揮作用。開發(fā)出一種多支鏈結構的新型聚合物（NHBP型），NHBP型聚合物具有比傳統(tǒng)聚羧酸系減水劑（PC）更豐富的接枝鏈，可使其在水泥顆粒表面上的吸附量更大，促使混凝土拌合物具備更優(yōu)良的流變性能和施工黏度。傳統(tǒng)PC和NHBP的分子結構如圖2所示。

王毅等人[16]將不同聚醚側鏈的甲基丙烯酸-聚乙二醇單甲醚酯大單體（MPEG）與二乙二醇單丁醚、馬來酸酐（MA）合成樣品，并分別測得各樣品不同摻量下的溶液表面張力變化趨勢，以此說明漿體流變性能的變化。結果表明，在相同條件下，用分子量分別為700、2000、3000的酯化大單體MPEG16MA、MPEG45MA、MPEG67MA合成減水劑，表面張力值的下降幅度依次減小，對應的水泥凈漿流動度依次下降，混凝土V型漏斗時間及T50值依次增大，表明短側鏈結構更有利于降低混凝土漿體黏度。王紹華等人[17]對比了不同分子質量甲基烯丙基聚氧乙烯醚（TPEG）和烯丙基聚氧乙烯醚（HPEG）合成減水劑的砂漿性能。得出結論，砂漿V型漏斗流空時間排序為：TPEG-2400＞HPEG-2400＞TPEG-1200＞HPEG-1200，表明分子側鏈短的HPEG更有利于混凝土降黏。進一步，以HPEG-1200和丙烯酸體系為例，分別引入功能性單體丙烯酸乙酯、丙烯酸羥乙酯和馬來酸酐，其砂漿V型漏斗流空時間排序為：馬來酸酐＞丙烯酸羥乙酯＞丙烯酸乙酯，表明丙烯酸乙酯對混凝土降黏具有更好的效果?；糁久返热薣18]使用側鏈更短的HPEG-600聚醚與丙烯酸甲酯聚合，通過調整其他工藝參數(shù)，也合成出了具有降黏效果的聚羧酸減水劑，在W/B為0.27的混凝土中使用，混凝土流變特性數(shù)值要優(yōu)于常規(guī)側鏈聚羧酸減水劑。其分析認為低黏型聚羧酸減水劑良好的流動性和低黏度歸根結底要源于其結構本身，一方面由于其分子側鏈較短，在水泥顆粒表面形成的水化膜厚度較薄，釋放出較多的自由水；另一方面，在分子結構中引入了具有疏水性的酯鍵，降低了其親水疏水平衡（HLB）值，HLB值降低后同樣減少了聚羧酸系減水劑分子與水相結合生成結合水的可能性，釋放出一定量的自由水。通過在環(huán)氧丙烷（PO）嵌段環(huán)氧乙烷（EO）改性合成一系列EO/PO共聚醚大單體，并考察其性能。通過對比試驗，發(fā)現(xiàn)減水劑樣品HEPE-1（EO/PO=42/58）的綜合性能較為優(yōu)異。之后分別測試了在0.07%、0.09%和0.11%摻量下，HEPE-1與普通EO聚醚減水劑HPC的水泥凈漿流變曲線，分別如圖3、圖4所示。