超高泵送混凝土流變學(xué)研究進(jìn)展

史曉婉

1. 上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080；2. 上海高大結(jié)構(gòu)高性能混凝土工程技術(shù)研究中心 上海 201114

伴隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加速，城市土地資源越來(lái)越稀缺，超高層建筑建造已經(jīng)成為我國(guó)一線城市發(fā)展的必然趨勢(shì)。高性能混凝土由于其高強(qiáng)、高耐久性、高工作性以及高體積穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，為超高層建筑向高度不斷增加、結(jié)構(gòu)形式日趨復(fù)雜等方向發(fā)展提供了可能，泵送高度記錄一直不斷被打破，從上海金茂大廈382.5 m、上海環(huán)球金融中心492 m、阿聯(lián)酋迪拜大廈601 m，一直到上海中心大廈620 m，泵送難度也成倍增大，隨之必定會(huì)帶來(lái)堵管、爆管等問(wèn)題，這也將直接影響到工期，對(duì)于較大的工程而言，連帶的負(fù)面影響不容小覷。因此，需要研究混凝土的泵送性能，這就需要研究混凝土的流變性能和其他性能之間的關(guān)系。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于混凝土的流變性能開(kāi)展了研究，并取得了一些成果。

1 混凝土流變性能與泵送

新拌混凝土的流變性能主要表現(xiàn)為骨料與其包裹的漿液相互影響的變形和流動(dòng)的行為，其研究主要包括其流變性能、觸變性、屈服強(qiáng)度和塑性黏度以及流變性能隨時(shí)間的變化過(guò)程?；炷恋牧髯儗W(xué)參數(shù)主要包括黏度系數(shù)、剪切應(yīng)力、屈服應(yīng)力、剪切速率等，這些參數(shù)可以定量預(yù)測(cè)混凝土的泵送性能，因此，可通過(guò)研究高性能混凝土的流變性能，進(jìn)而對(duì)混凝土泵送性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 混凝土流變性能影響因素

影響泵送混凝土流變性能的主要因素有水膠比、水泥、骨料、摻合料和外加劑等。

2.1 水膠比與外加劑

同條件下水膠比越低，混凝土越密實(shí)，但過(guò)低會(huì)造成混凝土黏度過(guò)大，流動(dòng)性差，泵送難度大，容易堵管；而水膠比過(guò)大則會(huì)造成混凝土保水性和黏聚性差，容易離析、壓力泌水，泵送過(guò)程中因拌和物不均勻而造成堵管。外加劑可以協(xié)調(diào)泵送混凝土流動(dòng)性和抗離析性之間的矛盾，降低水的用量，改善混凝土的和易性并增大其流動(dòng)性，同時(shí)滿足早期強(qiáng)度高、收縮低和耐久性的要求。

吳德龍等[1]給出高性能外加劑關(guān)鍵組分，包括減水和黏度調(diào)節(jié)2個(gè)方面，前者在保證混凝土長(zhǎng)時(shí)間的擴(kuò)展度的前提下而不損失凝結(jié)時(shí)間和不影響強(qiáng)度發(fā)展，后者則保證混凝土不離析、不泌水且不影響混凝土的流動(dòng)性（低屈服值）。同時(shí)，通過(guò)選型試驗(yàn)配制出滿足要求的超高泵送混凝土。

2.2 水泥

水泥用量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致混凝土黏度過(guò)大，增加泵送阻力，過(guò)少則會(huì)導(dǎo)致離析，發(fā)生骨料聚集，并在管路中堵塞造成爆管。

混凝土泵送是分散在水泥漿中的水泥通過(guò)水泥漿液帶動(dòng)骨料一起向前移動(dòng)的過(guò)程，整體的混凝土的滑移阻力受漿體在拌和物中的充盈度的影響。水泥漿填充骨料間隙并在骨料表面形成漿體層將其包裹，漿體層的比例越高，骨料的含量相對(duì)降低，混凝土流動(dòng)性就越大，且漿體在泵送管道的邊緣形成的薄漿邊緣層起到了潤(rùn)滑層的作用，降低了泵送阻力。

吳德龍等[2]提出泵送混凝土最小水泥用量，與泵管直徑、泵送距離以及骨料級(jí)配有關(guān)，摻合料不能完全取代水泥，規(guī)定不同泵送高度最小水泥用量很有必要。根據(jù)工程實(shí)踐，對(duì)常用的φ125 mm輸送管提出了不同水平換算距離對(duì)應(yīng)的最小水泥用量（表1）。

表1 φ125 mm輸送管泵送混凝土最小水泥用量

2.3 骨料

骨料級(jí)配是影響混凝土性能的關(guān)鍵因素之一，骨料的顆粒形狀、表面狀態(tài)、吸水率都是影響可泵性的因素。而良好的骨料級(jí)配可改善混凝土的流變性能，提升其可泵性。ACI（美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)）推薦了適合泵送混凝土的細(xì)骨料級(jí)配范圍，并建議將粗、細(xì)骨料統(tǒng)一繪制骨料的級(jí)配曲線以優(yōu)選骨料級(jí)配。

Choi等[3]研究了骨料粒徑對(duì)混凝土泵送行為的影響，得出最大骨料粒徑對(duì)混凝土潤(rùn)滑層厚度的影響較小，而對(duì)混凝土和潤(rùn)滑層的流變性有較大影響，進(jìn)而直接影響泵送的結(jié)論，如：當(dāng)骨料最大粒徑為25 mm時(shí)所需的泵送壓力為10 mm粒徑的2倍。

Ngo等[4]研究表明細(xì)砂含量影響混凝土潤(rùn)滑層的性能，含量越高，其黏度系數(shù)越高。

Erdogan等[5]在混凝土中摻入不同大小、形狀及粗糙度的玻璃珠，研究其對(duì)混凝土流變性的影響，表明骨料形狀對(duì)混凝土的黏度影響較大，對(duì)屈服應(yīng)力影響較小；骨料表面粗糙程度對(duì)混凝土流變性影響較小。

2.4 摻合料

泵送混凝土摻合料主要是指一些膠凝材料和低于0.3 mm的細(xì)粉（如粉煤灰、超細(xì)礦粉、硅灰等）。這些摻合料多為活性混合材料，部分取代水泥后不僅可提高混凝土強(qiáng)度，降低水化熱，減少開(kāi)裂，一些球形玻璃體結(jié)構(gòu)還可以改善混凝土的流動(dòng)性，如磨細(xì)高爐礦渣；硅灰和沸石粉的高強(qiáng)吸水性可以提高混凝土的黏聚性，減少離析和泌水，提高混凝土的泵送性能，減少泵送損失。

周帥等[6]研究了硅灰對(duì)新拌混凝土流變性的影響，利用流變儀檢測(cè)其性能指標(biāo)，指出泵送混凝土的硅灰摻量應(yīng)控制在5%～10%，可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度、耐久性，作為觸變劑使用，避免黏度過(guò)低而造成紊流、堵泵現(xiàn)象。

陳全濱等[7]研究了超細(xì)粉（超細(xì)礦粉、超細(xì)粉煤灰及硅灰）對(duì)超高泵送混凝土性能的影響，超細(xì)粉可以降低混凝土的孔隙率，增加其保水性并降低壓力泌水率。其中，超細(xì)礦粉及硅灰降低了混凝土的擴(kuò)展度和倒坍時(shí)間，而超細(xì)粉煤灰可增大混凝土的擴(kuò)展度并減少倒坍時(shí)間，提高其泵送性能。

3 流變性能試驗(yàn)研究

混凝土流變學(xué)測(cè)試方法一般有坍落度法、微坍落度法、漏斗法、L形箱試驗(yàn)法等。這些傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法盡管方便實(shí)用，但測(cè)試結(jié)果是某一時(shí)間點(diǎn)的固定值，不能夠反映混凝土流動(dòng)過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，不夠敏銳準(zhǔn)確，且人為操作誤差較大，尤其對(duì)于超高泵送的高流態(tài)混凝土或自密實(shí)混凝土來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的指標(biāo)，如坍落度已不能準(zhǔn)確表征其工作性。

隨著聚羧酸系等高性能減水劑的應(yīng)用以及膠凝材料體系的復(fù)雜化，超高泵送混凝土拌和物的組成和性能特征與以坍落度為性能表征的早期混凝土拌和物相比發(fā)生了很大的變化，且隨著流變學(xué)研究的深入，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始利用流變參數(shù)（屈服應(yīng)力、塑性黏度等）更好地定量描述混凝土工作性，認(rèn)為這些參數(shù)的物理意義明確，能夠更好地為工程提供指導(dǎo)，為此，開(kāi)發(fā)了各種類型的混凝土流變儀和黏度計(jì)，如法國(guó)BTRHEOM流變儀[8]和ConTec Viscometer 5流變儀[9]。

河海大學(xué)的田正宏等[10]研制了在線混凝土流變測(cè)試儀，運(yùn)用十字?jǐn)嚢栎S剪切儀測(cè)定新拌混凝土的流變參數(shù)，量化分析混凝土的觸變性能，并驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性，可滿足施工現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)測(cè)定的要求。

4 可泵性控制研究

目前工程當(dāng)中對(duì)超高泵送混凝土可泵性的控制主要有經(jīng)驗(yàn)控制、性能指標(biāo)控制及模擬泵送試驗(yàn)等。

4.1 經(jīng)驗(yàn)控制

相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，混凝土的可泵性主要參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T 1—2011《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》，并考察實(shí)際泵送過(guò)程，參照傳統(tǒng)試驗(yàn)和以往的泵送經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行指導(dǎo)施工。而這些經(jīng)驗(yàn)大多是之前積累的，隨著高流態(tài)混凝土的快速發(fā)展，經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)已經(jīng)不能完全適用于現(xiàn)在的超高層泵送施工。

鄭捷[11]應(yīng)用工程流體潤(rùn)滑理論，通過(guò)剩余漿體的設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)控混凝土與輸送管之間的潤(rùn)滑層厚度，提出了剩余漿體量計(jì)算公式，以減小泵送混凝土的管道阻力。

4.2 性能指標(biāo)控制

馬保國(guó)等[12]根據(jù)混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)新拌混凝土的可泵性進(jìn)行分類評(píng)價(jià)，對(duì)于中低強(qiáng)度等級(jí)的泵送混凝土，其可泵性區(qū)間根據(jù)泵送高度、實(shí)測(cè)坍落度及壓力泌水值等來(lái)綜合確定；對(duì)于高強(qiáng)泵送混凝土，根據(jù)倒坍落度筒的流下時(shí)間和擴(kuò)展度指標(biāo)，提出了大致的可泵性區(qū)間。

逄魯峰等[13]采用以坍落度為基礎(chǔ)，控制擴(kuò)展度和流下時(shí)間的方法來(lái)評(píng)價(jià)拌和物的可泵性。

4.3 泵送試驗(yàn)

隨著混凝土泵送距離及泵送高度的增加，泵送難度也在不斷增大，經(jīng)驗(yàn)性的指標(biāo)不能夠精確地指導(dǎo)工程。而鑒于現(xiàn)階段尚缺乏科學(xué)準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單易行的方法來(lái)評(píng)價(jià)混凝土拌和物的可泵性，在一些重大或有一定技術(shù)難度的工程的混凝土泵送施工中，采用了模擬泵送管線的方式對(duì)混凝土的可泵性進(jìn)行驗(yàn)證，即盤(pán)管試驗(yàn)。迪拜哈利法塔（Burj Khalifa）工程施工前，為了測(cè)試混凝土泵送性能，專門(mén)安裝了600 m水平泵送管線和設(shè)備[14]。國(guó)內(nèi)一些工程也開(kāi)始開(kāi)展泵送盤(pán)管試驗(yàn)，但此類大型泵送試驗(yàn)耗時(shí)、耗材，基本上是針對(duì)重大工程開(kāi)展，占地大、成本高，無(wú)法作為常規(guī)試驗(yàn)。

5 數(shù)值模擬研究

混凝土的泵送過(guò)程是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，不管是經(jīng)驗(yàn)控制、性能指標(biāo)控制還是地面模擬泵送試驗(yàn)，都是基于傳統(tǒng)的混凝土工作性評(píng)價(jià)方法（如坍落度、擴(kuò)展度等）。而隨著精細(xì)化的質(zhì)量管控要求的提高、計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，除了通過(guò)經(jīng)驗(yàn)控制以及泵送試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行泵送施工控制之外，還可采取計(jì)算機(jī)仿真模擬，建立流變性與泵送性之間的關(guān)系，節(jié)約材料與人力，降低試驗(yàn)工作量，已成為趨勢(shì)。

5.1 模型的分類

數(shù)值模擬主要借助于計(jì)算機(jī)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，考察不同模型參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際工程的影響，從而更好地指導(dǎo)實(shí)踐。新拌混凝土在流動(dòng)過(guò)程中各種材料之間的互相作用非常復(fù)雜，細(xì)觀上，將其視為由粗骨料、細(xì)骨料和漿體構(gòu)成的固液多相材料并考慮骨料之間互相作用，即離散顆粒模型；中維度上，可將其視為粗骨料懸浮于砂漿中進(jìn)行考慮，利用懸浮液體模擬法進(jìn)行仿真分析，即懸浮顆粒兩相模型；宏觀上，也可以將其視為均一的單相流體，采用計(jì)算流體力學(xué)的方法進(jìn)行仿真分析，即連續(xù)流體模型。

5.2 數(shù)值分析方法

5.2.1 離散元法

主要側(cè)重于將混凝土離散為顆粒單元，模擬顆粒之間的相互作用及結(jié)果分析，常用DEM（離散單元法）方法模擬混凝土的流動(dòng)性測(cè)試試驗(yàn)，如坍落度試驗(yàn)、U形箱試驗(yàn)、V形漏斗試驗(yàn)、L形箱試驗(yàn)等，選擇合適的接觸模型，模擬其流變行為[15-16]。這些模擬可以得到混凝土骨料顆粒之間的細(xì)觀碰撞摩擦過(guò)程，可更直觀地研究顆粒流的聚集、堵塞等情況。

陳松貴[17]建立了耦合的格子Boltzmann-顆粒離散元方法（簡(jiǎn)稱LBM-DEM），并將其應(yīng)用于自密實(shí)混凝土在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)研究。但DEM方法最大的弊端是沒(méi)有賦予顆粒之間作用力等實(shí)際的物理概念，且用于計(jì)算較大數(shù)量顆粒的實(shí)際情況比較困難（計(jì)算量大且邊界條件更為復(fù)雜），很難直接表征混凝土的流動(dòng)行為。

宋軍華[18]基于PFC2D模型，引入滾動(dòng)摩擦機(jī)制與液橋模型，建立了混凝土離散元接觸模型，并通過(guò)參數(shù)調(diào)整，模擬了新拌混凝土在管道中的流動(dòng)特性以及與泵送管道的相互作用規(guī)律。

5.2.2 有限元法

將混凝土視為均勻的單相流體（非牛頓流體），即運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法。其中較為常見(jiàn)的有Bingham模型[19-20]、Herschell-Bulkley模型以及改進(jìn)后的Bingham模型等，主要的參數(shù)為屈服強(qiáng)度和剪切應(yīng)力。

李靖祺等[21]借助CFD軟件，將自密實(shí)混凝土分別視為Bingham流體和Herschel-Bulkley流體對(duì)L形箱試驗(yàn)進(jìn)行仿真分析，得出Herschel-Bulkley 模型用于模擬自密實(shí)混凝土的流動(dòng)比Bingham模型仿真結(jié)果準(zhǔn)確度更高。

李悅等[22]等運(yùn)用Fluent軟件并采用了Herschel-Bulkley模型，分別建立了泵送混凝土單相流和多相流數(shù)值模型，得到了其在泵管中的流速、壓力分布以及壓力損失的變化規(guī)律。Kurokawa等[23]采用黏塑性有限單元法（VFEM）和黏塑性分離有限單元法（VEDM）對(duì)混凝土流動(dòng)性測(cè)試方法進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，這2種方法均可適用于多種流動(dòng)性測(cè)試方法的仿真分析，但VEDM法應(yīng)用更靈活，可用于考慮混凝土離析、受鋼筋位置和截面形狀的影響等復(fù)雜特性的仿真模擬。

5.2.3 懸浮元法

懸浮元法，即將混凝土分解為固相的粗骨料和包裹粗骨料的液相水泥砂漿，考慮顆粒離散相的影響，采用基于結(jié)合歐拉法與拉格朗日法的計(jì)算流體力學(xué)，采用歐拉法求解流體相的Navier-Stokes方程，采用拉格朗日法追蹤離散相在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡。近來(lái)有學(xué)者提出了一種基于顆粒有限元法（Particle Finite Element Method）的拉格朗日有限元法[24]，主要用于解決非牛頓流體的流動(dòng)問(wèn)題，其計(jì)算的關(guān)鍵是將2種相進(jìn)行耦合。

這種方法結(jié)合了前2種方法的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也暴露了其缺點(diǎn)，即計(jì)算量的增加，邊界條件處理困難，因此不及前2種方法普遍，應(yīng)用也不夠成熟。

6 展望

土地資源的稀缺促使建筑結(jié)構(gòu)高度的增加，混凝土超高泵送技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)不會(huì)減弱。而實(shí)現(xiàn)泵送過(guò)程更加科學(xué)與快速地預(yù)測(cè)及評(píng)估，已無(wú)法單從經(jīng)驗(yàn)或之前的研究成果中獲取，需要對(duì)混凝土的流變學(xué)開(kāi)展更為深入的研究。開(kāi)發(fā)更加先進(jìn)的試驗(yàn)檢測(cè)儀器，定量準(zhǔn)確地表征泵送混凝土的物理量；建立基于流變學(xué)原理的超高泵送模型，考慮流固耦合，建立多相流模型，尋找更為準(zhǔn)確表征新拌混凝土的數(shù)值模擬方法，使流變學(xué)工具能夠切實(shí)地應(yīng)用于工程實(shí)際；開(kāi)展泵送后混凝土的性能研究，關(guān)注泵送對(duì)混凝土長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響。這些對(duì)于超高層建造的意義深遠(yuǎn)。

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