流變改性材料在超高橋塔高強混凝土中的應(yīng)用

張慶蕓，周新文，林瑋，徐文，魏樂永，顏智法，梁振有，關(guān)健

（1.江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇 南京 210004；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103；3.高性能土木工程材料國家重點實驗室，江蘇 南京 210008；4.東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211189；5.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088）

0 引言

橋梁作為跨越地理障礙的人工構(gòu)筑物，是交通設(shè)施聯(lián)通的關(guān)鍵節(jié)點，是國民經(jīng)濟發(fā)展和社會生活安全的重要保障。隨著交通強國戰(zhàn)略的快速推進，我國橋梁建設(shè)技術(shù)日趨成熟，逐步從橋梁大國走向橋梁強國[1]。分析我國現(xiàn)代橋梁設(shè)計，不難發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代橋梁逐漸向超大跨徑方向發(fā)展。對于超大跨徑橋梁，橋面板自身重力成倍增長，對直接承受纜索荷載的橋塔提出了更高要求。出于鋼橋塔局部失穩(wěn)的復(fù)雜性和使用期維護工作量大的考慮[2]，混凝土橋塔和鋼-混凝土組合橋塔逐漸為橋梁設(shè)計師所青睞。因此，超大跨徑橋梁設(shè)計使用高強混凝土構(gòu)筑超高橋塔已屢見不鮮[3]。

隨著橋塔的高度向300 m及更高的高度不斷攀升，混凝土泵送高度持續(xù)增加；且高強混凝土的低水膠比特性，造成新拌混凝土黏度高，兩者疊加導(dǎo)致泵送難度成倍增長。研究表明，高強混凝土具有塑性黏度大、屈服應(yīng)力低的特點[4]，與普通混凝土相比，相同流速下極易形成粘滯流[5]，進而造成混凝土泵送阻力高，泵送難度大的問題。

為有效降低高強混凝土泵送難度，開發(fā)了一種微納米級粉體流變改性材料，用以調(diào)控混凝土工作性能，實現(xiàn)順利泵送施工。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：江南-小野田水泥有限公司生產(chǎn)的P·Ⅱ52.5水泥，標準稠度用水量為28%，28 d抗壓、抗折強度分別為59.2、8.5 MPa，主要化學(xué)成分見表1。

粉煤灰：江蘇華電，Ⅱ級，需水量比98%，比表面積512 m2/kg，主要化學(xué)成分見表1。

流變改性材料：江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)，是一種由特殊粉體顆粒組成的功能性材料，主要原材料配比為：15%硅灰，15%粉煤灰，60%石灰石粉，3%硫酸鈣，7%納米改性顆粒。其流動度比為106%，氯離子含量0.02%，密度2.56 kg/m3，比表面積9131 m2/kg，主要化學(xué)成分見表1，粒度分布見圖1。

表1 粉體材料的主要化學(xué)成分 %

圖1 流變改性材料的粒徑分布

砂：鄱陽湖砂，細度模數(shù)2.5，Ⅱ區(qū)中砂，表觀密度2600 kg/m3，緊密堆積密度1760 kg/m3，含泥量0.8%。

碎石：常州5~30 mm連續(xù)級配碎石，表觀密度2980 kg/m3，緊密堆積密度1690 kg/m3。

減水劑：江蘇蘇博特生產(chǎn)的904型聚羧酸型高性能減水劑，固含量16%，減水率29%。

1.2 性能測試方法

（1）新拌混凝土坍落度、擴展度等試驗參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行；擴展時間T500參照JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進行；倒置坍落度筒排空時間（簡稱倒筒排空時間）參照JGJ/T 281—2012《高強混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進行；抗壓強度參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標準》進行。

（2）砂漿流變性能測試：使用Brookfield公司生產(chǎn)的R/SP-SST型軟固體流變儀，采用階梯式剪切制度，見圖2。

圖2 流變測試剪切制度

（3）混凝土流變性能測試使用ConTec公司生產(chǎn)的Viscometer 5型混凝土流變儀。采用階梯式剪切制度，與砂漿流變測試的剪切制度類似。

2 結(jié)果與討論

2.1 流變改性材料摻量對砂漿流變性的影響

調(diào)整減水劑摻量，控制基準組砂漿流動度為（230±10）mm（此時減水劑摻量為7.8 g），固定減水劑摻量不變，研究流變改性材料摻量對新拌砂漿性能影響。試驗配合比如表2所示。

表2 流變改性材料摻量對砂漿流動度影響試驗配合比

2.1.1 砂漿流動度

根據(jù)表2配合比，試驗得到砂漿流動度與流變改性材料摻量的關(guān)系如表3所示。

從表3可見，除流變改性材料摻量2%外，隨著摻量的增加，砂漿流動度整體呈遞增趨勢。這說明流變改性材料有提高砂漿工作性的效果。圖3為流變改性材料摻量為8%時，流動度試驗過程中采集的照片。

圖3 流變改性材料摻量為8%時水泥砂漿流動度試驗狀態(tài)

表3 流變改性材料對砂漿流動度的影響

由圖3可知，當(dāng)砂漿流動度為245 mm時，砂漿體系較為穩(wěn)定，最終流動圓餅形態(tài)完整，表面無浮漿，邊緣無泌水。這說明對于該配合比而言，其在試驗范圍內(nèi)流態(tài)合適，未發(fā)生離析、泌水現(xiàn)象，體系均勻穩(wěn)定。

2.1.2 砂漿的流變性

對砂漿流變儀采集到的剪切速率-剪切應(yīng)力曲線使用Bingham模型擬合[見式（1）]，計算得到的砂漿動態(tài)屈服應(yīng)力和塑性黏度如表4所示。

表4 流變改性材料摻量對砂漿流變性的影響

式中：τ——剪切應(yīng)力，Pa；

τ0——屈服應(yīng)力，Pa；

μ——塑性黏度，Pa·s；

γ——剪切速率，s-1

由表4可知：摻加流變改性材料對砂漿的屈服應(yīng)力有一定降低效果，當(dāng)摻量為6%時，屈服應(yīng)力降低了24%；同時，流變改性材料可有效減小砂漿的塑性黏度，且塑性黏度降低值與流變改性材料摻量成正比。當(dāng)流變改性材料摻量為10%時，塑性黏度降低了16%，表明此流變改性材料具有良好的降黏效果。

2.2 流變改性材料摻量對混凝土工作性能的影響

調(diào)整減水劑摻量，控制基準組混凝土擴展度為（600±20）mm，固定減水劑摻量為7.5 kg，研究流變改性材料對新拌混凝土工作性能影響，試驗配合比如表5所示。

表5 流變改性材料摻量對混凝土工作性能影響的試驗配合比 kg/m3

2.2.1 新拌混凝土的初始工作性

對于高強混凝土可泵性的評價，已有許多研究[6-8]提出了不同的測試方法。本試驗結(jié)合相關(guān)資料與現(xiàn)場實際可操作性，提出用坍落度、擴展度、T500和倒筒時間綜合反映新拌混凝土的工作性。圖4為流變改性材料摻量2%時新拌混凝土的坍落/擴展度試驗狀態(tài)。表6為流變改性材料摻量對混凝土工作性能的影響。

表6 流變改性材料摻量對新拌混凝土工作性能的影響

圖4 摻2%流變改性材料新拌混凝土的初始狀態(tài)

由圖4可知，該混凝土和易性良好，無明顯離析、泌水，其他各組試驗新拌混凝土狀態(tài)與此類似，均呈現(xiàn)較好和易性。

由表6可見：

（1）當(dāng)不摻流變改性材料時，基準組新拌混凝土的坍落度為230 mm，摻加2%~10%流變改性材料的新拌混凝土初始坍落度分別為235、225、220、225、215 mm。可以認為，在大流態(tài)混凝土中，摻入流變改性材料對初始坍落度影響不明顯，但仍舊呈輕微的負面作用規(guī)律。同時，不摻流變改性材料的新拌混凝土初始擴展度為610 mm，摻加2%~10%流變改性材料的新拌混凝土初始擴展度分別為670、560、530、510、480 mm?？梢园l(fā)現(xiàn)，摻2%流變改性材料可明顯增大混凝土的擴展度，增幅近10%；而一旦摻量超過4%時，則隨著流變改性材料的增加，新拌混凝土初始擴展度有明顯下降的趨勢。

（2）當(dāng)不摻流變改性材料時，基準組新拌混凝土的初始T500為11.1 s，摻加2%~8%流變改性材料的新拌混凝土初始T500分別為7.4、11.3、12.0、11.6 s；流變改性材料摻量為10%時，初始擴展度僅為480 mm，不存在T500?？梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng)摻入2%流變改性材料時，新拌混凝土的T500有明顯縮短，降幅達33%；而當(dāng)摻量超過4%時，隨著流變改性材料的增加，新拌混凝土T500與不摻流變改性材料相當(dāng)，無明顯降低趨勢。同時，不摻流變改性材料的新拌混凝土倒桶時間為8.2 s，摻加2%~10%流變改性材料的新拌混凝土的倒筒時間分別為7.8、7.6、8.8、6.8、6.8 s，可以認為，摻入流變改性材料可有效降低倒桶時間。由于倒置坍落度桶試驗時，新拌混凝土流下時與筒壁之間的摩擦與混凝土泵送運動時與泵管內(nèi)壁之間的摩擦極為相似，因此我們認為倒桶時間可作為評價新拌混凝土泵送性的主要指標。因此，使用流變改性材料可以有效提高混凝土的泵送性。

2.2.2 新拌混凝土的經(jīng)時工作性

混凝土工作性經(jīng)時損失也是影響其泵送性與可施工性的關(guān)鍵指標之一，本文通過測試不同摻量流變改性材料混凝土經(jīng)時2 h工作性損失來反映摻流變改性材料混凝土的保坍性能，試驗結(jié)果如表7所示。流變改性材料摻量為10%時混凝土經(jīng)時2 h的狀態(tài)如圖5所示。

圖5 摻10%流變改性材料混凝土經(jīng)時2 h的狀態(tài)

表7 流變改性材料摻量對混凝土經(jīng)時2 h工作性能的影響

由表7可見：

（1）基準混凝土（流變改性材料摻量為0）經(jīng)時2 h的坍落度為200 mm，摻加2%~10%流變改性材料的混凝土經(jīng)時2 h坍落度分別為240、230、250、230、230 mm?？梢哉J為，在大流態(tài)混凝土中，摻入流變改性材可明顯提高混凝土的經(jīng)時2 h坍落度。與表6對比可知，基準混凝土經(jīng)時2 h坍落度下降了13%，而摻加流變改性材料的混凝土經(jīng)時2 h坍落度均保持良好且略有增大，其中摻量為6%時混凝土經(jīng)時2 h坍落度相比于初始狀態(tài)提高了14%。同時，基準混凝土經(jīng)時2 h的擴展度為425 mm，而摻2%~10%流變改性材料的混凝土初始擴展度分別為660、620、625、575、500 mm，其中當(dāng)摻量為2%時，其經(jīng)時2 h擴展度相比于基準混凝土增幅達55%，表明摻入流變改性材料可以明顯提高混凝土經(jīng)時2 h坍落擴展度。同時與新拌混凝土對比可以發(fā)現(xiàn)，基準混凝土經(jīng)時2 h擴展度減小了30%；而摻加流變改性材料的混凝土經(jīng)時2 h擴展度均保持良好且略有增大，其中6%摻量時混凝土經(jīng)時2 h擴展度相比于初始狀態(tài)增大了11%。表明摻入流變改性材料對混凝土有良好的保坍效果。

（2）基準混凝土的經(jīng)時2 h擴展度為425 mm，因此T500不存在；而摻入2%~10%流變改性材料的新拌混凝土經(jīng)時2 h的T500分別為10.5、11.1、11.1、11.8和14.7 s。與新拌混凝土對比可知，摻流變改性材料混凝土經(jīng)時2 h的T500與初始狀態(tài)相近，表明其黏度未發(fā)生明顯變化。同時，基準混凝土經(jīng)時2 h的倒桶時間為11.2 s，而摻加2%~10%流變改性材料混凝土的經(jīng)時2 h倒桶時間分別為9.8、9.4、5.5、7.3和6.7 s，可以認為，摻入流變改性材料可有效縮短混凝土經(jīng)時2 h的倒桶時間。且相比于新拌混凝土，可以進一步發(fā)現(xiàn)流變改性材料對混凝土泵送性的保持有較好效果，其中摻量為6%時，混凝土經(jīng)時2 h倒桶時間縮短了37.5%。表明流變改性材料的摻入對混凝土的泵送性有良好的保持效果。

由圖5可見，摻10%流變改性材料的混凝土經(jīng)時2 h后仍具有良好的和易性，無離析、泌水現(xiàn)象，且包裹性良好。其他各組試驗情況也與此類似。

綜上可知，流變改性材料的摻入，對新拌混凝土初始坍落度、擴展度無提升作用，但對經(jīng)時2 h后的混凝土流動性有明顯提升。這可能是因為流變材料為微納米級粉體，具有較高的表面能，團聚效應(yīng)顯著，在常規(guī)攪拌下難以有效分散，進而造成其填充膠凝材料間隙效應(yīng)削弱；且其與水泥顆粒之間存在對減水劑的競爭吸附，導(dǎo)致水泥絮凝結(jié)構(gòu)未能被充分打開，造成摻加流變改性材料混凝土的初始流動性下降。而存放經(jīng)時2 h后，二次攪拌使得流變改性材料充分填充膠凝材料間隙，同時微納米顆粒表面已經(jīng)被減水劑飽和吸附，進而發(fā)揮出其流變改性效果，經(jīng)時2 h流動度和黏度顯著降低，且泵送性也明顯提高。

2.3 流變改性材料摻量對混凝土流變性的影響

2.3.1 抗離析性

在實際混凝土生產(chǎn)過程中，通過調(diào)整減水劑摻量達到控制新拌混凝土施工性的目的。因此，試驗控制各組混凝土的擴展度一致，均為（600±20）mm，分析流變改性材料對混凝土流變性能的影響，圖6為不同流變改性材料摻量新拌混凝土的抗離析性測試結(jié)果。

圖6 不同流變改性材料摻量新拌混凝土的轉(zhuǎn)速-扭矩關(guān)系

由圖6可見，隨著轉(zhuǎn)速的加快，混凝土扭矩增大。這符合流體基本規(guī)律，且各組混凝土的轉(zhuǎn)速-扭矩的關(guān)系近似為直線，因此可以認為該混凝土符合Bingham流變本構(gòu)模型。離析是造成混凝土堵泵的主要原因之一，本研究使用離析系數(shù)（Sc）用來評價混凝土的體系穩(wěn)定性，如式（2）所示[9]：

式中：k——測量段0.2 r/s點處的斜率值；

k'——校核段0.2 r/s點處的斜率值。

混凝土流變性測試過程中，因重力和剪切作用，粗骨料有下沉的趨勢，若混凝土穩(wěn)定性差，則粗骨料沉降顯著，將造成測量前后體系中物料分布不均勻，則反映為測量扭矩不同。Sc則是通過計算測量前后扭矩的差值，反映其混凝土穩(wěn)定性。一般認為，若Sc小于5%，則表示體系穩(wěn)定性較好，未發(fā)生離析；若Sc大于10%，則說明離析嚴重，混凝土穩(wěn)定性差。

根據(jù)式（2）計算得到0~10%摻量流變改性材料混凝土的Sc分別為1.7%、2.0%、0.3%、1.7%、4.2%、0.5%，可以認為各組混凝土在流變性測試前后，內(nèi)部粗骨料未發(fā)生離析，體系穩(wěn)定。這有利于混凝土順利泵送，減小堵管風(fēng)險。

2.3.2 降黏效果

黏度是反映混凝土泵送性的關(guān)鍵指標。一般認為，混凝土黏度越大，其泵送時阻力越大，泵阻越大，則泵壓越高。

由圖6可見，當(dāng)固定某一轉(zhuǎn)速時，混凝土扭矩隨著流變改性材料摻量的增加而降低，這說明新拌混凝土在流動時的阻力隨著流變改性材料摻量的增大而減小。即流變改性材料有降低混凝土黏度的效果，進而實現(xiàn)其降低泵送阻力，提高泵送性的目的。

2.3.3 混凝土的流變性

分析圖6可知，混凝土符合Bingham流變本構(gòu)模型。使用Bingham模型對其流變曲線進行擬合，計算得到混凝土流變參數(shù)如表8所示。

表8 流變改性材料摻量時混凝土流變性的影響

由表8可見：

（1）除2%和10%摻量外，其余各組混凝土屈服應(yīng)力均穩(wěn)定在10 Pa左右。這是因為通過控制減水劑用量達到了擴展度基本一致的效果，根據(jù)文獻報導(dǎo)[10]，混凝土擴展度與屈服應(yīng)力存在較強相關(guān)性。所以，混凝土擴展度相同的情況下，屈服應(yīng)力基本相同。

（2）隨流變改性材料摻量的增加，混凝土的塑性黏度逐漸減小。當(dāng)流變改性材料摻量為10%時，可降低塑性黏度達74%。表明流變改性材料對新拌混凝土塑性黏度有明顯的降低效果，且能保證混凝土體系穩(wěn)定，可提高混凝土的泵送性。

2.4 流變改性材料摻量對混凝土抗壓強度的影響（見表9）

表9 流變改性材料摻量對混凝土抗壓強度的影響

從表9可見：（1）基準混凝土的7 d抗壓強度為56.4 MPa，摻2%~10%流變改性材料混凝土的7 d抗壓強度分別為63.1、62.0、59.6、54.2、54.0 MPa。表明適量摻加流變改性材料可有效提高混凝土的7 d抗壓強度；但當(dāng)摻量超過8%時，則會造成其抗壓強度輕微下降。（2）對于28 d抗壓強度，除摻10%流變改性材料混凝土的抗壓強度低于基準組外，在2%~8%摻量下，混凝土的抗壓強度均無明顯降低。這是因為流變改性材料可有效填充膠凝材料間隙，改善硬化混凝土孔結(jié)構(gòu)，提高其密實度，進而實現(xiàn)提高強度的效果。由于流變改性材料水化活性不如水泥強，一旦摻量過高，其提高密實度帶來的強度增強效果不如減少水泥水化產(chǎn)物造成的強度削弱效果。

3 結(jié)論

（1）流變改性材料可有效提高砂漿的流動度，且有明顯降低砂漿塑性黏度的效果。

（2）流變改性材料會使新拌混凝土的初始流動度有所減小，但可有效縮短混凝土的倒筒時間；流變改性材料可提高混凝土的經(jīng)時工作性保持能力，經(jīng)時2 h坍落度、擴展度有明顯提高，T500和倒筒時間均有明顯縮短，提高混凝土的泵送性。

（3）在保證混凝土體系穩(wěn)定性的前提下，流變改性材料摻量為10%時，可使新拌混凝土的塑性黏度降幅達73%，顯著提高混凝土的泵送性。

（4）高強混凝土中摻入適量的流變改性材料對混凝土的抗壓強度基本無不良影響。