随着超高层建筑的增多, 超高程混凝土泵送作为一种快速简便的施工方式, 应用逐渐增多。超高程泵送的混凝土在泵管内输送距离增加, 流动时间延长。多个试验发现, 在泵送前后混凝土的性质如扩展度、塑性黏度和屈服应力往往有比较明显的变化^[1,2,3,4], 这对混凝土可泵性有较大影响。最常见的混凝土性质变化的表现包括工作性损失 (或增大) 、稠度增加、离析和含气量的变化等。

研究表明, 泵送过程中, 混凝土具有大的剪切速率可能是影响混凝土性质的重要原因。Feys等^[5]发现, 对于大流态自密实混凝土的泵送, 混凝土在泵管中的剪切速率可能达到30~60s^-1, 润滑层部分则可能达到100s^-1, 远大于其在搅拌站和泵车中的剪切速率。高的剪切速率会破坏水泥浆体颗粒的物理和化学结合作用^[6], 使混凝土中胶凝材料进一步分散, 降低塑性黏度, 从而使得泵送流量不变时需要的泵压减小。

试验发现, 受泵管内高压的作用, 混凝土内部的水分会向前方和骨料内部迁移^[4]。自由水的减少会导致混凝土的工作性损失。

含气量的变化也对混凝土流变性质有比较大的影响。研究发现^[3], 含气量增加会使得混凝土的塑性黏度降低。小气泡量增加会使得混凝土的屈服应力增加, 大气泡量增加则会使其屈服应力减小。

在远距离泵送时, 混凝土在泵管中运动的时间较长 (>10min) , 随着胶凝材料水化作用的进行, 混凝土可能会有比较明显的工作性损失。

受施工现场错综复杂的因素影响, 混凝土性能观测结果往往有比较大的差异。本文通过分析某超高层建筑施工现场的超高程泵送 (>300m) 过程中的混凝土性能测试结果, 对比了2种大流态混凝土在超高程泵送前后工作性、流变性及含气量的变化, 为超高程大流态混凝土泵送过程控制提供了经验。

配制了2种强度等级为C60的混凝土, 具体配合比如表1所示。

胶凝材料选用P·O42.5普通硅酸盐水泥, 一级粉煤灰, S95级矿渣, Si O₂含量92%的加密硅灰。外加剂使用聚羧酸减水剂, 固含量为20.2%, 减水率为32.4%。砂使用Ⅱ区中砂, 细度模数为2.6, 含泥量1.4%, 泥块含量0.4%。石为连续级配的石灰石碎石, 公称粒径为5~20mm, 含泥量为0.4%, 泥块含量为0.2%, 针片状颗粒含量为4%, 压碎指标值为4.7%。

在某超高层建筑施工现场进行混凝土泵送, 总共进行4次混凝土性能测试。前3次性能测试使用HFC-A, 第4次使用HFC-B。

混凝土在搅拌站制备, 由混凝土运输车运输到现场。入泵前在运输车内快速搅拌1min。使用三一重工HBT9050CH-5D拖泵, 泵管内径为148mm, 泵管垂直高度约为300m, 泵管总长约400m。

从搅拌站到施工现场的运输距离约15km, 运输时间在1h以内, 到场混凝土的工作性能有所损失。在入泵前, 根据混凝土的工作性状态, 对HFC-A和HFC-B分别采用了加水和加减水剂的方法调整其工作性, 以满足泵送要求。

选取HFC-A加水前和出泵的混凝土, HFC-B入泵前和出泵的混凝土, 按顺序测试其扩展度、V形漏斗流过时间、混凝土流变性能等, 在30min内完成上述测试。记录拖泵上实时显示的泵送压力, 使用拖泵的阀开度计算泵送流量。混凝土流变性质使用ICAR混凝土流变仪测试。

表2为4次现场测试条件及实测泵压, L为泵管总长度, H为泵送高度, ρ为混凝土密度, p为泵压, t为混凝土在泵管中运动的时间, 使用混凝土流量Q和泵程估算。4次测试的泵送高度依次增加。尽管前3次测试的混凝土泵送距离不同, 但是通过加水调节, 使得在相同流量下, 泵压始终保持在9MPa左右。

表3为新拌混凝土性能现场测试结果, 其中t₀为混凝土屈服应力, μ为塑性黏度, air为含气量。2种混凝土在泵送前后的工作性和流变性均有明显的变化, 然而变化规律有所不同。泵后HFC-A的扩展度和屈服应力变化不大, 塑性黏度和V形漏斗的流过时间均明显减小。泵后HFC-B的扩展度减小, 屈服应力增加, 塑性黏度和V形漏斗的流过时间略有增加。含气量的变化并没有呈现明显的规律。如图1, 2所示。

结合文献及以往工程经验, 对测试结果作分析。泵后HFC-B的屈服应力显著增加, 扩展度减小, 原因在于泵送过程中, 在泵管内的高压下, 浆体内自由水向骨料内部空隙迁移, 导致自由水减少, 屈服应力上升。另一方面, 由于泵送距离较大, HFC-B在泵管内运输时间超过20min, 这段时间内水泥水化作用会导致混凝土工作性的损失, 也会使屈服应力上升。HFC-A泵后屈服应力和扩展度变化不大, 这是因为其在入泵前通过加水调节了工作性。在泵送过程中, 新加入的水在泵管壁的剪切应力作用下与混凝土进一步拌合, 弥补了泵送过程中自由水的损失, 并增加了混凝土的工作性。因此HFC-A泵后混凝土的屈服应力变化不大, 略有减小。

泵后HFC-A的塑性黏度和V形漏斗流过时间明显减小, 这可能有以下两方面原因: (1) 加水调节使得混凝土的塑性黏度和屈服应力减小; (2) 在泵送过程中, 由于混凝土的屈服应力较小, 在泵管壁的剪切应力作用下, 大部分混凝土发生了剪切滑移。相对于搅拌车的作用, 泵管内的剪切速率更大, 被剪切部分胶凝材料颗粒的物理和化学结合被破坏, 充分分散, 使得塑性黏度减小。

泵后HFC-B的塑性黏度和V形漏斗流过时间变化不大。这是因为入泵前HFC-B的屈服应力比较大, 因此在泵管内混凝土主要呈柱塞流的形式运动, 发生剪切流动的部分较少, 对塑性黏度的影响也就越小。

综上所述, 在超高层泵送过程中, 混凝土的工作性和流变性质受众多因素的影响。泵送过程中自由水分的损失以及长时间泵送带来的混凝土工作性损失会使得混凝土屈服应力上升, 扩展度减小。在泵管内部高剪切速率的作用下, 胶凝材料的进一步分散, 使得塑性黏度和V形漏斗流过时间减小。

通过泵前加水和加减水剂的方法能够显著改善混凝土的工作性, 使得混凝土满足泵送要求, 并抵消由于泵送造成的工作性损失。相比于加减水剂, 加水调节会改变混凝土的水灰比, 影响泵后硬化混凝土的强度。具体影响规律还需要进一步研究。

本文结合工程实例, 介绍了泵送过程改变混凝土工作性及流变性的原理。基于超高层建筑施工现场泵送施工时的混凝土性能测定结果, 得到了以下结论:

1) 在远距离泵送后, 由于自由水的减少和水泥水化带来的工作性经时损失, 混凝土的屈服应力会增加, 扩展度会减小。

2) 在泵管内的高剪切应力作用下, 混凝土内的胶凝材料颗粒会充分分散, 使得塑性黏度和V形漏斗流过时间减小。

3) 在混凝土入泵前, 通过加水和加减水剂的方法, 调节混凝土工作性, 使其满足混凝土泵送要求, 抵消泵送带来的工作性损失。而这2种方法对硬化混凝土的强度及耐久性的影响需进一步研究。