泵送聚丙烯纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)及工作性能優(yōu)化

霍志剛 張超兵

（1.中鐵六局集團(tuán)有限公司 北京 100036；2.中鐵六局集團(tuán)太原鐵路建設(shè)有限公司 山西太原 030013）

1 引言

目前，聚丙烯纖維混凝土主要應(yīng)用于橋梁工程的混凝土路面、梁體橋面系，房建工程地下室底板、頂板及高層建筑基礎(chǔ)大體積混凝土中［1］。

對(duì)于聚丙烯纖維或聚丙烯纖維網(wǎng)混凝土，其抗折、抗裂、抗疲勞以及耐磨損性優(yōu)于普通混凝土，但由于纖維的加入，混凝土粘聚性大幅增加，導(dǎo)致混凝土工作性能大幅下降。

某新建鐵路聯(lián)絡(luò)線工程，隧道總長6 km，為明挖隧道結(jié)構(gòu)，采用放坡＋鉆孔灌注樁＋鋼支撐支護(hù)體系。隧道凈寬11.2 m，凈高9.68 m，為曲墻帶仰拱襯砌斷面，設(shè)計(jì)時(shí)速為200 km。隧道主體混凝土采用C35聚丙烯纖維網(wǎng)混凝土，聚丙烯纖維網(wǎng)的設(shè)計(jì)摻量為0.9 kg/m3。

2 纖維原材料

混凝土用聚丙烯纖維應(yīng)符合（GB/T 21120—2018）中技術(shù)要求，抗拉強(qiáng)度應(yīng)大于 500 MPa［2］。聚丙烯纖維網(wǎng)外觀如圖1所示。

圖1 聚丙烯纖維網(wǎng)

由于聚丙烯纖維在工程施工中得到越來越多的應(yīng)用，往往有些不法廠商以次充好，從中牟利。

聚丙烯纖維由纖維級(jí)原生聚丙烯原料與專用助劑復(fù)合而成，而劣質(zhì)纖維一般由粉料或再生料和普通紡織用助劑復(fù)合而成。劣質(zhì)纖維遇水后分散作用差，在混凝土中主要以簇狀聚集，如圖2所示。因此其對(duì)混凝土抗裂及抗折性能的改善作用大打折扣。而優(yōu)質(zhì)聚丙烯纖維在混凝土中可以均勻分散，充分發(fā)揮抗折能力強(qiáng)、抗裂性好、抗疲勞及耐磨損作用，如圖3所示。

圖2 劣質(zhì)纖維簇狀分布

圖3 優(yōu)質(zhì)聚丙烯纖維均勻在混凝土中分布

由于受工地實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)條件及能力的限制，大多不能進(jìn)行聚丙烯纖維各項(xiàng)性能的檢測(cè)，而僅通過目測(cè)對(duì)聚丙烯纖維的優(yōu)劣性難以鑒別，在此介紹幾個(gè)簡(jiǎn)易快捷的鑒別方法。（1）水浴對(duì)比法：由于聚丙烯纖維比水輕，可取500 mL水放入兩個(gè)水杯中，分別加入一定數(shù)量的纖維，攪拌10 s后進(jìn)行觀察。合格的聚丙烯纖維分散均勻，懸浮于水中；劣質(zhì)者不能均勻分散或以團(tuán)狀、簇狀懸浮于水中或下沉至水底。（2）氣味鑒別法：聚丙烯纖維環(huán)保，無味、無刺激；劣質(zhì)纖維有污染，味濃且刺激性強(qiáng)。

3 混凝土配合比設(shè)計(jì)及工作性能優(yōu)化分析

3.1 技術(shù)難點(diǎn)

聚丙烯纖維網(wǎng)混凝土要求聚丙烯纖維網(wǎng)均勻地分散于混凝土拌合物中，由于其對(duì)混凝土的網(wǎng)織束縛作用使得漿體粘聚力大幅增加，導(dǎo)致混凝土發(fā)沉、發(fā)粘，流動(dòng)性、可泵性大幅下降。

如果僅靠增加減水劑摻量，提高引氣組分，雖然能使混凝土粘聚性有所降低，但其流動(dòng)性和可泵性改觀并不明顯。如果摻量過大，易導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)泌漿現(xiàn)象，無法實(shí)現(xiàn)性能兼顧，且實(shí)體結(jié)構(gòu)物還會(huì)出現(xiàn)砂線、蜂窩麻面等現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 混凝土外觀的蜂窩麻面及砂線

3.2 原因分析及尋找突破口

在混凝土中，漿體量以及砂率的大小對(duì)混凝土的工作性能影響很大，適當(dāng)增加漿體用量以及適宜的砂率可有效改善混凝土流動(dòng)性和可泵性，但漿體量的增加會(huì)導(dǎo)致混凝土體積穩(wěn)定性降低［3］，增加混凝土出現(xiàn)裂縫的幾率。這與添加纖維用于提高混凝土抗裂性能的宗旨相違背，因此不采取增加漿體用量的措施。

聚丙烯纖維網(wǎng)加入后，其網(wǎng)織束縛作用使得漿體粘聚力大幅增加，是導(dǎo)致混凝土內(nèi)聚力增加、粘聚性過大、不滿足泵送施工的根本原因。因此必須采取相應(yīng)手段，使得加入纖維后的漿體粘聚力與未加纖維的漿體粘聚力相當(dāng)，從根本上解決問題。

3.3 配合比設(shè)計(jì)及工作性能優(yōu)化

目前，對(duì)于混凝土粘聚性并無相應(yīng)的檢測(cè)方法或具體的卡控指標(biāo)，僅在混凝土坍落度試驗(yàn)完成后，通過人為觀察坍落擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行感性判定［4］。對(duì)于經(jīng)驗(yàn)不足的檢測(cè)人員，很難去判斷混凝土拌合物狀態(tài)是否適用于現(xiàn)場(chǎng)泵送施工。

因此在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，首先通過改善漿體工作性能，再結(jié)合倒置坍落度筒排空試驗(yàn)［5］、坍落度及含氣量試驗(yàn)結(jié)果共同對(duì)該配合比的混凝土工作性能進(jìn)行驗(yàn)證。

3.3.1 漿體性能的改善

結(jié)合該配合比設(shè)計(jì)難點(diǎn)，在不改變漿體及纖維比例的前提下，結(jié)合外加劑復(fù)配技術(shù)，通過改善漿體流動(dòng)度及粘度，使得漿體性能滿足要求。

參照GB/T 8077—2012中“水泥凈漿流動(dòng)度”試驗(yàn)方法［6］，對(duì)凈漿漿體流動(dòng)度進(jìn)行檢測(cè)；參照Q/CR 596—2017對(duì)漿體粘度進(jìn)行檢測(cè)［7］。

在纖維加入前后，對(duì)漿體流動(dòng)度及粘度性能的影響進(jìn)行分析，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 漿體流動(dòng)度及粘度檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

漿體組分包括膠凝材料、水和外加劑、一定的含氣量。結(jié)合漿體各組分的作用，要提高漿體的流動(dòng)度、降低漿體粘度，可以從幾方面考慮：（1）改善膠凝材料顆粒粒型及粒徑分布［8］；（2）適當(dāng)提高減水劑的減水率；（3）增加漿體含氣量。

對(duì)于膠凝材料，由于粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)及其優(yōu)越的填充效應(yīng)［9］，可采用單摻粉煤灰，通過適當(dāng)增加粉煤灰摻量來改善漿體工作性能。對(duì)于增加減水劑減水率及漿體含氣量措施，則需要通過調(diào)整減水劑配方來實(shí)現(xiàn)。

因所用粉煤灰為Ⅱ級(jí)粉煤灰，需水量比為98%，燒失量2.1%、細(xì)度23%。結(jié)合粉煤灰的品質(zhì)，綜合考慮其對(duì)強(qiáng)度的影響，粉煤灰摻量由原來的20%提高至30%。

對(duì)于減水劑的復(fù)配，本文在3.3.2章節(jié)中詳細(xì)分析。

對(duì)于漿體含氣量，參照砂漿含氣量測(cè)定的方法進(jìn)行檢測(cè)［10］。適當(dāng)提高漿體含氣量，結(jié)合混凝土強(qiáng)度考慮，將含氣量控制在4%～6%之間，使?jié){體更加松軟、柔和，同時(shí)增加了漿體的飽滿度，以此達(dá)到降低漿體粘度的目的。

通過以上措施，漿體流動(dòng)度提高至198.86 mm，漿體粘度降低至3 430 mPa·s。

3.3.2 減水劑復(fù)配

聚羧酸減水劑主要組成成分包括減水組分、保坍組分、調(diào)凝組分、增稠組分、引氣組分等［11］。

優(yōu)化前減水劑調(diào)凝組分采用葡鈉、引氣組分采用黃引、增稠組分采用糊精，其配方如表2所示。

表2 優(yōu)化前減水劑配方

減水劑配方調(diào)整主要從以下幾方面考慮：（1）適當(dāng)增加減水率；（2）適當(dāng)增加引氣；（3）降低混凝土粘度；（4）增加混凝土柔和度。

增稠組分主要包括纖維素、糊精等，用于改善混凝土泌漿及離析現(xiàn)象，增加混凝土粘聚性［12］。鑒于此次配合比設(shè)計(jì)及優(yōu)化主要是為了降低聚丙烯纖維混凝土的粘聚性，因此，在減水劑復(fù)配時(shí)，去掉其增稠組分。

增加減水率可通過調(diào)整減水母液及保坍母液的比例，并稍提高兩種母液的總摻量來實(shí)現(xiàn)。

提高含氣量可使用引氣效果更好的科萊恩引氣劑替換黃引，并稍提高其用量來實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于混凝土流動(dòng)性和柔和程度的改善，雖然可以通過提高混凝土含氣量來實(shí)現(xiàn)，但是過高的含氣量會(huì)對(duì)混凝土力學(xué)性能帶來很大的負(fù)面影響，因此在此次減水劑優(yōu)化中，首次使用了新產(chǎn)品“聚羧酸伴侶”，如圖5所示。

圖5 聚羧酸伴侶

聚羧酸伴侶為一種粘稠、均勻的黃褐色液體，采用淀粉為原料制備的新型功能型母液，將其加入聚羧酸減水劑后，可提高減水劑的適應(yīng)性、降低敏感度并改善混凝土的流動(dòng)性和柔和度。

通過試配調(diào)整，最終確定減水劑配方，如表3所示。

表3 優(yōu)化后減水劑配方

3.3.3 效果評(píng)價(jià)

通過膠凝材料組成比例的調(diào)整、含氣量的適當(dāng)增加、減水劑的復(fù)配等措施，優(yōu)化后的聚丙烯纖維混凝土工作性能明顯得到改善。如圖6～圖7所示，坍落度為230 mm，含氣量為4.6%。

圖6 混凝土出機(jī)狀態(tài)

圖7 混凝土坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)

對(duì)于混凝土可泵送性能，在配合比設(shè)計(jì)和優(yōu)化時(shí)，采用坍落度筒倒置排空試驗(yàn)進(jìn)行度量和卡控。優(yōu)化配合比后的混凝土排空時(shí)間為8 s，適用于泵送工藝施工。

經(jīng)28 d、56 d試驗(yàn)，混凝土強(qiáng)度、耐久性試驗(yàn)結(jié)果滿足配制強(qiáng)度及耐久性要求。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)施工驗(yàn)證，該配合比下的混凝土工作性能優(yōu)良，有良好的流動(dòng)性，不泌水，泵送順暢，保障了后期工程的順利施工和工程質(zhì)量?，F(xiàn)場(chǎng)施工如圖8～圖9所示。

圖8 混凝土澆筑現(xiàn)場(chǎng)

圖9 拆模后的混凝土外觀

4 結(jié)束語

由于混凝土組成較為復(fù)雜，且不同組分在混凝土中的不同作用導(dǎo)致混凝土各項(xiàng)性能的差異。本文采用提高粉煤灰摻量、適當(dāng)增加混凝土含氣量、降低漿體粘度、調(diào)整減水劑組分等措施，圓滿解決了聚丙烯纖維網(wǎng)混凝土不易于泵送的施工技術(shù)難題。

對(duì)于混凝土各項(xiàng)性能的塑造和優(yōu)化，應(yīng)緊密結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)，在滿足工作性能的前提下兼顧經(jīng)濟(jì)性。實(shí)踐證明，科學(xué)施工、嚴(yán)格管理、控制得當(dāng)是優(yōu)化配合比的前提和關(guān)鍵。