泵送混凝土的工作性變化及應(yīng)對(duì)方案研究0前言混凝土泵送后較入泵前可能出現(xiàn)明顯的流變性或其他工作性變化，比如流動(dòng)度、含氣量、和易性等。分析原因主要觀點(diǎn)有：混凝土與輸送管摩擦或泵管受太陽(yáng)直射升溫導(dǎo)致水化加速；泵管拼縫欠佳，泵壓導(dǎo)致泌水并溢出；壓力條件下，自由水向骨料內(nèi)部孔隙遷移；或含氣量損失；混凝土輸送運(yùn)動(dòng)中的剪切作用使固體顆粒轉(zhuǎn)入無(wú)序分布狀態(tài)，并促進(jìn)顆粒結(jié)合，產(chǎn)生稠化，或在水粉比較高時(shí)，骨料運(yùn)動(dòng)慣性克服了稠化作用，可能產(chǎn)生稀化；膠凝材料因減水劑解絮作用增加的自由水大于其增加的吸附水將產(chǎn)生剪切稀化。以上觀點(diǎn)中，有關(guān)溫升、壓力、含氣量損失的說(shuō)法并無(wú)普遍結(jié)論，目前研究成果更傾向于剪切作用。通過(guò)在混凝土入泵前加水和減水劑使混凝土滿足泵送要求；摻入合適的礦物摻合料來(lái)提高混凝土的保水性，降低坍落度損失。但因涉及泵送生產(chǎn)，驗(yàn)證難度大，以上措施也僅適用于經(jīng)泵流動(dòng)度損失，對(duì)于經(jīng)泵流動(dòng)度增大或離析的解目前研究報(bào)道較少。本文結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試（文中所列工程為外加劑服務(wù)中出現(xiàn)該類流動(dòng)性問(wèn)題的典型代表）和試驗(yàn)，分析研究壓力、溫度、含氣量、氣泡大小等因素對(duì)泵送混凝土工作性的影響。結(jié)合現(xiàn)有研究成果，提出泵送條件下混凝土流動(dòng)度變差的解決方案，并進(jìn)行驗(yàn)證。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(jí)水泥；S95級(jí)礦粉；北疆電廠F類Ⅰ級(jí)和Ⅲ級(jí)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(jí)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)施工混凝土的有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析。C60和C35混凝土用粉煤灰分別為北疆電廠F類Ⅰ級(jí)和Ⅲ級(jí)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(guò)的5～25mm連續(xù)級(jí)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(chǎng)混凝土、C60-2現(xiàn)場(chǎng)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?jī)?nèi)容①壓力對(duì)凈漿流動(dòng)度和水化熱影響；②含氣量對(duì)砂漿流動(dòng)度的影響；③氣泡大小對(duì)自由水量的影響；④溫度對(duì)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(cè)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(cè)試。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1壓力對(duì)凈漿流動(dòng)度和水化熱的影響C35和C60-2現(xiàn)場(chǎng)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(jiàn)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(zhǎng)、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(zhǎng)期和損失期的加壓起測(cè)點(diǎn)。加壓至3.0MPa衡壓60min。在各測(cè)試時(shí)點(diǎn)同步進(jìn)行漿體的流動(dòng)度測(cè)試，見(jiàn)圖2，為方便作圖，對(duì)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(cè)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(zhǎng)期，加壓后凈漿流動(dòng)度無(wú)明顯變化，但處于流動(dòng)度損失期凈漿經(jīng)過(guò)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(guò)程中擠壓等作用形成一定數(shù)量微裂縫，壓力下，水對(duì)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(duì)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(chǎng)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(duì)砂漿流動(dòng)度的影響及氣泡大小對(duì)自由水量的影響對(duì)現(xiàn)場(chǎng)C35和C60混凝土各進(jìn)行了4車次混凝土測(cè)試，每車取樣測(cè)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(chǎng)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(duì)各測(cè)試混凝土，采用兩種插搗方式測(cè)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(jiàn)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(cè)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(duì)較小。出入泵含氣量比大于100%代表含氣量增加。這說(shuō)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(guò)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(shuō)明，在更長(zhǎng)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(cè)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(jiàn)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(jiàn)0.5～1.0mm的氣泡比例較高。表觀氣泡情況見(jiàn)圖5。設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究含氣量對(duì)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(cè)試不同含氣量砂漿流動(dòng)度和保水狀態(tài)，結(jié)果見(jiàn)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(guò)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(duì)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(jiàn)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(duì)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(guò)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(zhǎng)。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(duì)自由運(yùn)動(dòng)的較大氣泡，但是對(duì)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(rùn)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(guò)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(duì)于靜置或罐車轉(zhuǎn)動(dòng)條件下，泵送剪切作用對(duì)摻充足減水劑混凝土流動(dòng)度的增長(zhǎng)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(guò)程較慢且氣泡溢出較少的角度解釋。雖然無(wú)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(cè)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(duì)凈漿流動(dòng)度的影響有經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為混凝土在泵送過(guò)程中溫度有所上升，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)證實(shí)了這一說(shuō)法。C35現(xiàn)場(chǎng)混凝土、C60-2現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)，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(cè)值。混凝土的出、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(duì)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(wú)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(jiàn)圖9。由圖9可知，JYTS-301的作用發(fā)揮對(duì)溫度敏感，隨溫度提高，凈漿流動(dòng)度增長(zhǎng)加速。這說(shuō)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(duì)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(guò)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(duì)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(duì)以上研究簡(jiǎn)要介紹。從以上研究可見(jiàn)，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(duì)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(zhǎng)和原材料對(duì)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(duì)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2.0%和4.0%兩個(gè)梯度與8.0%減水劑復(fù)配，按復(fù)合減水劑2.0%摻量進(jìn)行的混凝土各經(jīng)時(shí)流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果。由表3和圖11可知，輔助減水效果從大至小依次為：葡萄糖酸鈉＞糊精＞葡萄糖＞白糖=HEDP；流動(dòng)性保持效果從強(qiáng)到弱依為：HEDP＞白糖＞葡萄糖酸鈉＞糊精＞葡萄糖；