高強高性能機制砂混凝土配比與超高泵送試驗研究

王澤平（陜西華旭混凝土工程有限公司，陜西 西安 710024）

高性能混凝土為提升抗壓強度，制備過程中需降低水灰比，提升物料密度，而其管道黏著力隨材料粘稠度增加呈指數(shù)級增長。在高層建筑超過200m 的泵送高度施工環(huán)境下，高強度混凝土由于泵送距離長、壓力損失大等因素，易出現(xiàn)管道堵塞和工作性衰減等問題，嚴(yán)重阻礙混凝土澆筑施工。利用混凝土優(yōu)化配比技術(shù)，開發(fā)適合于超高泵送施工環(huán)境的高強度混凝土材料，可有效解決泵送過程中的堵管道問題，減少泵送過程中的壓力損失，提升泵送后混凝土的工作性能，降低高層建筑施工能耗與成本。

1 混凝土材料的制備和優(yōu)化設(shè)計

1.1 混凝土材料的制備

本次試驗樣品的配備優(yōu)化基于常規(guī)P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，作為試驗原材料的水泥基礎(chǔ)的物化特性均能滿足GB 175-2022《通用硅酸水泥》標(biāo)準(zhǔn)要求[1]。試驗前對市購常規(guī)C60 水泥的抗壓特性進行了測定，其標(biāo)準(zhǔn)稠度為12.38%，3d抗壓強度為31.24MPa，28d抗壓強度為51.94MPa。原料采用5mm～20mm連續(xù)級配的大粒徑骨料和5mm～10mm連續(xù)級配的小粒徑骨料進行4:1混合?？紤]到高層泵送壓力，將小粒徑骨料比例進行了一定提升，且輸送管道直徑應(yīng)大于100mm。試驗選定的摻合料類型包括微珠、粉煤灰、礦渣微粉，三者的含水量分別為0.2%，0.1%，0.3%。試驗選擇當(dāng)?shù)刈詠硭鳛楸盟洼d體。為減少泵送耗水量，樣品中添加了聚羧酸減水劑，液體狀態(tài)下減水率可達(dá)到30%以上。為降低水化過程中放出的熱量對混凝土的影響，降低混凝土的溫度形變，混凝土樣品中需加入一定量的聚丙烯纖維[2]。

試驗采用一次投料法制備混凝土樣品，每份樣品均使用50L的拌合料，將以上組分按照常規(guī)投料順序加入自動攪拌機中，攪拌過程中觀察漿體狀態(tài)，攪拌后傾倒并進行人工拌合，以保證樣品組分均勻。

1.2 混凝土正交配比設(shè)計

正交配比設(shè)計過程中通過調(diào)整水膠比和砂率改變混凝土樣品的抗壓性能和泵送特性。樣品摻合料中均含有500kg/m3水泥、900kg/m3碎石（含水率0.6%）和900kg/m3砂（含水率5%）、160kg/m3水（實際用水質(zhì)量）以及7kg/m3聚羧酸減水劑、1kg/m3聚丙烯纖維[3]。試驗選擇三種礦物外摻材料（微珠、礦渣微粉、粉煤灰）為三因素，選擇0、10kg/m3、20kg/m3的微珠添加量，0、30kg/m3、60kg/m3的礦渣微粉添加量，0kg/m3、40kg/m3、80kg/m3的粉煤灰添加量為三水平進行正交設(shè)計，設(shè)計方案如表1所示。

表1 混凝土正交配比表

2 不同配比混凝土高泵送性能評價

為驗證不同配比混凝土的泵送特性，本次試驗選擇的評價指標(biāo)包括樣品倒筒時間與坍落度，以及樣品的含氣量和容重，采用國標(biāo)測定法對不同配比方案的樣品進行依次測定[4]，采用正交分析法進行數(shù)據(jù)處理，測試均采取三組平行試驗，以下圖表中的數(shù)據(jù)均為計算平均值。試驗過程中環(huán)境溫度控制為30℃，環(huán)境濕度為70%。

2.1 坍落度、拓展度和倒筒時間對比

坍落度測定選用標(biāo)準(zhǔn)坍落計時法則，在試驗前將300mm 高、最大直徑為450mm 的坍落筒與鋼板面進行噴淋潤濕，坍落筒倒放裝滿后，迅速提起，并進行同步計時，待混凝土完全坍落流出后，計算標(biāo)準(zhǔn)倒筒時間。填滿壓實后的坍落桶快速提起，等混凝土完全坍落后將坍落桶放置在坍落后的混凝土樣的同一水平線上，用尺子測量坍落堆體與筒頂高度差并詳細(xì)記錄，此為混凝土樣品的坍落；測量坍落后堆體的最大直徑。坍落后的混凝土形狀應(yīng)呈現(xiàn)較為規(guī)則的錐狀，若呈現(xiàn)不規(guī)則形狀則應(yīng)重新測量[5]。不同配比混凝土倒筒時間、坍落度和拓展度測定結(jié)果如圖1所示。

圖1 混凝土坍落與拓展度性能圖

如圖1 所示，在各配比方案中，坍落度最大的樣品為方案9，其坍落度為246mm，拓展度為677mm，倒筒時間為2.4s，倒筒時間相較于完全無添加的方案7縮短了11.11%。試驗結(jié)果表明，粉煤灰等活性礦物材料填充效果良好，添加后有效提升了水泥的可流動性，改良了混凝土的泵送特性。將坍落度數(shù)據(jù)進行正交化處理，得到的影響因子系數(shù)如表2所示。

表2 坍落度正交處理因子系數(shù)表

表3 立方體混凝土抗壓強度/MPa

根據(jù)表1可得，三種添加料中對坍落度影響最大的是微珠的添加，其極差R值為17.67，根據(jù)K1、K2、K3的大小比值可知，微珠添加量為10kg/m3時樣品的坍落度最大，同理可知礦渣微粉添加量為60kg/m3、粉煤灰添加量為40kg/m3時，樣品的坍落度達(dá)到峰值。此方案并未存在正交設(shè)計方案當(dāng)中，因此需要重新構(gòu)建試驗對樣品特性進行實際測定，根據(jù)測試結(jié)果，優(yōu)化后的方案記為方案10，制備的混凝土樣品的坍落度為249mm，拓展度為680mm，倒筒速度為2.4s，與設(shè)計方案中的方案進行比較，采用的摻雜料含量降低但是坍落度卻得到了一定提升，施工過程中節(jié)省原材料，提高泵送施工難度，有效降低了工程材料消耗量[6]。優(yōu)化方案制備的混凝土黏聚性良好，無離析，整體無泌水，且能快速坍落，表現(xiàn)出了良好的混凝土特性[6]。

2.2 抗壓強度

將各方案制備的九種樣品制備兩塊100mm×100mm×100mm的混凝土式樣，等到樣品凝固風(fēng)干后開始養(yǎng)護，采用GB/T 50081-2022《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法和標(biāo)準(zhǔn)》中標(biāo)準(zhǔn)方法測定混凝土構(gòu)件的抗壓強度[7]。

測定結(jié)果顯示，在30d后混凝土抗壓強度最好的構(gòu)件是方案2，其抗壓強度為91.4MPa，在第5d 時混凝土構(gòu)件抗壓強度為30d時的81.50%，在第10d時混凝土構(gòu)件抗壓強度為30d 時的90.80%，可見其混凝土強度增長較快。方案8 的30d 抗壓強度為86.4MPa，略低于方案2，但其化學(xué)摻料添加量少，經(jīng)濟性強。以30d 時抗壓強度為目標(biāo)參數(shù)進行正交數(shù)據(jù)處理，所得的影響因子參數(shù)如表4所示。

表4 抗壓強度正交處理因子系數(shù)表

根據(jù)R 值大小比較可得，三種添加料中微珠的添加是影響構(gòu)件抗壓強度的首要因素，根據(jù)K1、K2、K3的大小比值可知，微珠添加量為10kg/m3時樣品的抗壓能力最大，同理可知礦渣微粉添加量為30kg/m3、粉煤灰添加量為80kg/m3時，樣品的抗壓強度達(dá)到峰值，此方案記為方案11。方案11同樣未存在正交設(shè)計方案當(dāng)中，因此重新配置混凝土構(gòu)件并再次進行抗壓測試。試驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的方案制備的混凝土的30d抗壓能力為91.7MPa，優(yōu)于正交設(shè)計中的方案2。優(yōu)化后的方案中礦摻料的含量大大增加，有效提高了混凝土的強度等級，且混凝土在10d到30d時混凝土的抗壓能力增長率趨于平緩，這可能是受到制備過程中混凝土水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量積累有關(guān)[8]。

2.3 碳化指標(biāo)計算分析

將制備的立方混凝土件放置在烘箱中75℃烘干48h，而后放入標(biāo)準(zhǔn)碳化試驗箱進行處理，碳化試驗箱內(nèi)溫度為25℃，濕度為70%，含氧量與二氧化碳含量穩(wěn)定，碳化處理30d，而后取出測量橫截面的碳化深度。這種碳化方法可用于測定樣品是否可適應(yīng)酸雨環(huán)境，是評價混凝土構(gòu)件穩(wěn)定性和耐用度的重要方法。各方案構(gòu)件測定的碳化深度值如表5所示。

表5 立方體混凝土碳化深度/mm

測定結(jié)果顯示，在3d時混凝土構(gòu)件裸露在空氣中并未出現(xiàn)碳化現(xiàn)象，但隨著放置時間延長，混凝土碳化逐步向件內(nèi)延伸，30d時材料碳化深度基本穩(wěn)定。其中，方案8碳化深度為0.291mm，其碳化深度為無添加的方案7碳化深度的60.50%。向其中添加微珠和粉煤灰有效提高了混凝土的密實程度，提高了混凝土的耐久性。以30d碳化深度為目標(biāo)參數(shù)，正交法處理數(shù)據(jù)結(jié)果如表6所示。

表6 抗壓強度正交處理因子系數(shù)表

根據(jù)R 值大小比較可得，三種添加料中微珠的添加是影響構(gòu)件穩(wěn)定性的首要因素，根據(jù)K1、K2、K3的大小比值可知，微珠添加量為10kg/m3，礦渣微粉添加量為0kg/m3、粉煤灰添加量為0kg/m3時，樣品的抗碳化能力達(dá)到峰值。此方案同樣未存在正交設(shè)計方案當(dāng)中，因此重新配置混凝土構(gòu)件并再次進行抗壓測試。試驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的方案制備的混凝土的30d碳化深度為0.423mm，與正交設(shè)計中的方案8 配料差距較大，此時正交法失效，放棄優(yōu)化方案，記錄方案8的測試數(shù)據(jù)。

3 最終配比方案比選

經(jīng)過試驗分析，方案8、方案10、方案11 在抗碳化持久度、坍落度和延展性以及抗壓強度存在一定的優(yōu)勢，為得到綜合性能最優(yōu)的混凝土配比，對三個方案的其他方面進行了綜合考察，其檢測結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同配比試驗結(jié)果

綜合考量后認(rèn)為方案10各項基本性能均能滿足高壓送泵需求，其坍落度為249mm，拓展度680mm，倒筒時間為2.4s，其抗壓強度為92.5MPa，30d的碳化深度為0.512mm。

4 結(jié)語

（1）本文針對高層建筑高壓泵送混凝土過程中由于混凝土黏性高、壓力損失大導(dǎo)致的管道堵塞問題，通過向其中投加高活性微珠、粉煤灰和礦渣微粉的形式對混凝土進行改性，并利用正交法進行試驗設(shè)計，驗證了不同配比方案混凝土的坍落度、拓展度、倒筒時間、抗壓能力和穩(wěn)定性。

（2）經(jīng)過直觀數(shù)據(jù)對比和正交數(shù)據(jù)處理法，證明微珠的投加量是影響各參數(shù)的首要因素，確立了最優(yōu)性能配比方案為微珠添加量為10kg/m3、礦渣微粉添加量為60kg/m3、粉煤灰添加量為40kg/m3。此方案制備的高性能混凝土其坍落度為249mm，拓展度680mm，倒筒時間為2.4s，其抗壓強度為92.5MPa，30d 的碳化深度為0.512mm，既滿足高層建筑施工的混凝土性能要求，又滿足更高建筑的泵送需要。