混凝土拌和物工作性泵送損失的分析與控制

前言泵送混凝土技術(shù)1927年創(chuàng)于德國，目前已成為建筑施工的重要技術(shù)手段，廣泛應(yīng)用于各類土木、建筑工程中。近年來，隨著高層建筑與超高層建筑的發(fā)展，超高泵送混凝土技術(shù)已成為超高層建筑施工技術(shù)不可缺少的一個(gè)方面，并且已成為一種發(fā)展趨勢而受到各國工程界的重視。但是，在超高泵送施工研究與工程應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，不同的原材料、不同的混凝土配合比所配制的混凝土的泵送性能表現(xiàn)出了與以往大為不同的差異，突出的問題之一是混凝土拌和物狀態(tài)的泵送損失問題。習(xí)慣上，泵送損失是指入泵口和出泵口的混凝土拌和物工作性能的變化，通常表現(xiàn)為出泵口的混凝土拌和物的坍落度和流動(dòng)度的降低、混凝土黏度的增加，尤其是當(dāng)泵送距離較長時(shí)，這種變化更為明顯，甚至無法滿足施工入模要求。坍落度和流動(dòng)度的泵送損失與坍落度和流動(dòng)度的經(jīng)時(shí)損失有著本質(zhì)不同。有時(shí)，若泵送損失過大，可能導(dǎo)致混凝土無法正常泵送澆筑或振搗密實(shí)。1

泵送過程分析通過分析混凝土泵送設(shè)備的工作原理可知，混凝土泵送過程的實(shí)質(zhì)是：（1）通過泵管時(shí)，由于材料產(chǎn)生部分密實(shí)和摩擦的影響，在流動(dòng)方向上產(chǎn)生壓力梯度。（2）泵的壓力大小滿足壓力梯度要求。（3）材料必須能傳遞足夠的壓力來克服管道的所有阻力。（4）混凝土的所有組分中，只有水才能在自然狀態(tài)下可泵，所以，只有水才能傳遞壓力。眾所周知，混凝土拌和物在攪拌后的最初幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，拌和物的工作性主要由拌和物中的自由水控制，自由水的多少一方面影響固體顆粒表面水膜厚度的大小，另一方面影響固體顆粒間空隙填充水用量的變化。而拌和物中的含氣量的大?。梢暈檩^小的固體顆粒）會(huì)直接影響固體顆粒間填充水的多少，（在拌和物總用水量一定的情況下）進(jìn)而影響混凝土拌和物的狀態(tài)。混凝土在泵送過程中，混凝土拌和物的性能會(huì)發(fā)生一定變化，主要表現(xiàn)是水分的遷移和氣體的壓縮。水分的遷移和氣體的壓縮給導(dǎo)致拌和物自由水的“作用狀態(tài)”發(fā)生變化，若自由水在壓力下進(jìn)入骨料內(nèi)部，會(huì)直接影響（通常是減?。┧ず穸然蝾w粒間填充水的作用效果，對(duì)于混凝土拌和物來講，這種變化所導(dǎo)致的外在表現(xiàn)就是坍落度和擴(kuò)展度變小、黏度變大，這種現(xiàn)象對(duì)于吸水率較大的骨料來說在壓力使用下變化更為明顯。而氣體壓縮相當(dāng)于顆粒間的需自由水來填充的空隙變大或固體顆粒間距變窄、相互作用增大，這種變化在一定程度上也會(huì)導(dǎo)致自由水的“作用狀態(tài)”發(fā)生變化，進(jìn)而影響混凝土拌和物的性能。顯而易見，過大的泵送損失會(huì)影響混凝土的現(xiàn)場施工。因此，為了控制泵送混凝土的泵送損失，應(yīng)在混凝土原材料選擇、配合比設(shè)計(jì)方面進(jìn)行充分考慮與控制。在泵送混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，根本方法之一就是調(diào)整混凝土材料的顆粒組成使其具有合理的級(jí)配，降低水在壓力下的過大遷移。2

混凝土配合比設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)隨著混凝土理論的研究和發(fā)展，目前，混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)主要依據(jù)以下幾個(gè)基本理論或規(guī)律，這些內(nèi)容也是商品混凝土在日常生產(chǎn)過程中進(jìn)行拌和物性能調(diào)整或質(zhì)量控制的重要依據(jù)或原則。比如，泌水問題可以用水膜厚度和顆粒填充密度進(jìn)行解釋和調(diào)整控制，泵送問題可以用水膜厚度與顆粒間相互作用進(jìn)行解釋和控制等。（1）水灰比定則混凝土的齡期、溫度和水泥品種一定時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的減小而增大，符合以下關(guān)系：

式中：fc為抗壓強(qiáng)度，K1和K2為常數(shù)，取決于養(yǎng)護(hù)齡期和溫度以及水泥品種。（2）固體顆粒填充密度從宏觀角度看，混凝土可以被認(rèn)為是由骨料和水泥漿兩部分組成。中粒徑顆粒能填充大粒徑顆粒之間的空隙，而小粒徑顆粒又能填充中粒徑顆粒之間的空隙，各粒徑大小如此連續(xù)的填隙作用能有效減少空隙的體積，增大整個(gè)骨料部分的填充密度。因?yàn)樗酀{需要先填充骨料部分的空隙，填隙以外的水泥漿才能用于潤滑、帶動(dòng)骨料流動(dòng)，所以在水泥漿體積一定時(shí)，提高骨料填充密度能增加混凝土工作性，或在流動(dòng)性要求相同時(shí)減少水泥漿的體積。從微觀角度看，水泥漿可以被認(rèn)為是由水泥及粉煤灰等凝膠微料和水兩部分組成。在凝膠微料部分中，固體顆粒的粒徑范圍包括小于1μm至75μm。和宏觀觀察到的骨料顆粒填充效應(yīng)一樣，由較小粒徑顆粒產(chǎn)生的連續(xù)、系列填隙作用同樣能有效減少凝膠微料中空隙的體積，增加填充密度。因?yàn)樗枰忍畛淠z微料部分的空隙，填隙以外的水才能用于潤滑、帶動(dòng)整個(gè)水泥漿流動(dòng)，所以在水體積一定時(shí)，提高凝膠微料填充密度能增加混凝土工作性，或在流動(dòng)性要求相同時(shí)減少水的體積。（3）水膜厚度研究表明，水泥漿、砂漿和混凝土的流變性能不僅僅取決于填充密度，還取決于其固體顆粒的表面積大小。一般來說，固體顆粒的表面積越大，水泥漿、砂漿和混凝土的流動(dòng)性就越小。該現(xiàn)象可用水膜厚度理論來解釋。香港大學(xué)的研究表明，在等量剩余水（剩余水為從總水量中扣除填充固體顆粒間空隙所需部分后余下可用于潤滑、帶動(dòng)水泥漿流動(dòng)的水）的情況下，表面積越大水膜厚度就越小，反之亦然。顯然，增大水膜厚度可提高流動(dòng)性，而減小水膜厚度則會(huì)對(duì)流動(dòng)性造成不利影響。水膜厚度已經(jīng)被證明為決定水泥漿、砂漿和混凝土流變性和粘聚性的主要因素。盡管還發(fā)現(xiàn)對(duì)流變性和粘聚性影響的因素包括用水量、固體顆粒填充密度和固體顆粒表面積，而這眾多因素的影響可簡單歸結(jié)為水膜厚度該單一因素的影響。一直以來，優(yōu)化水泥漿、砂漿和混凝土配合比的方向是使其填充密度最大化。然而，當(dāng)添加硅灰、超細(xì)粉煤灰、超細(xì)?；郀t礦渣、微石灰石粉和超細(xì)水泥等充填材料時(shí)，雖然可以提高填充密度，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致固體顆粒表面積大大增加。既然決定流變性的主要因素是水膜厚度，因此我們在配合比的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)最大化水泥漿、砂漿和混凝土的水膜厚度而不應(yīng)是填充密度（填充密度最大化是措施，不是最終目標(biāo)）。（4）顆粒間相互作用當(dāng)固液相混合物一起流動(dòng)時(shí)，混合物內(nèi)會(huì)出現(xiàn)位于不同層間的顆粒的剪切現(xiàn)象，一層中的顆粒會(huì)與鄰近層的顆粒以一定的傾角碰撞再橫向偏移，在流動(dòng)固液混合物里形成不規(guī)則的橫向膨脹，需要維持固液混合物流動(dòng)狀態(tài)所需的剪切應(yīng)力會(huì)隨之增大，此現(xiàn)象在固液混合物流過窄口時(shí)尤為明顯。研究發(fā)現(xiàn)，加大細(xì)顆粒材料的用量直至其超過填充較大顆粒材料間空隙所需數(shù)量時(shí)，固液混合物的窄口通過能力得到明顯改善?？梢韵胂螅@種超過空隙體積用量后的“剩余顆粒層”增加了粗顆粒之間的距離，減小粗顆粒之間的相互碰撞。此外，此“剩余顆粒層”還可以起到滾珠效應(yīng)，減小粗顆粒之間相互運(yùn)動(dòng)的阻力。因此，摻加超過填充較大顆粒材料間空隙、使填充密度最大化所需數(shù)量的細(xì)顆?？梢栽黾恿鲃?dòng)性和窄口通過能力。這也說明，無論對(duì)于水泥漿、砂漿還是混凝土來說，填充密度最大化和性能最優(yōu)化并非一定相一致。（5）最小單位用水量或膠凝材料用量當(dāng)原材料一定時(shí)，水膠比固定后，選用滿足工作性要求的最小用水量或最小膠凝材料用量，即最小漿體用量，可以提高硬化混凝土的體積穩(wěn)定性，同時(shí)，降低混凝土的水化溫升、提高混凝土抵抗環(huán)境侵蝕的能力，也可以降低混凝土的成本。當(dāng)然，有時(shí)也同時(shí)提出最小水泥用量要求，以達(dá)到滿足混凝土早期強(qiáng)度要求。眾所周知，在進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，一般認(rèn)為其模型是，粗骨料為結(jié)構(gòu)的骨架，細(xì)骨料首先填充粗骨料的空隙（顆粒填充密度理論），進(jìn)一步對(duì)粗骨料進(jìn)行包裹而降低粗骨料之間的碰撞并使之流動(dòng)（顆粒間相互作用理論，泵送混凝土增加砂率或含氣量就是這一原理）；同樣道理，水泥顆粒填充、包裹細(xì)骨料，最后，由水填充水泥顆粒的空隙并包裹水泥顆粒（顆粒間相互作用理論和水膜厚度理論）。通過分析水泥漿體中拌合水的分布與數(shù)量可知，要使水泥漿體產(chǎn)生流動(dòng)，拌合水的數(shù)量要滿足以下兩個(gè)條件：（1）濕潤水泥顆粒表面，在表面形成一層足夠厚的水膜。此部分水為表面層水。（2）填滿水泥顆粒的間隙。此部分拌合水為填充水（又稱自由水）。影響混凝土拌和物黏度的重要因素是自由水含量。填充水與表面層水之和即為漿體流動(dòng)所需的拌合水量。這也是水在混凝土拌和物塑性狀態(tài)下最初幾小時(shí)的主要存在形式（此階段，水泥水化消耗的水很少、礦物摻合料還未發(fā)生二次反應(yīng)）。不難發(fā)現(xiàn)，水膜厚度越大，漿體的流動(dòng)性就越好。對(duì)于商品混凝土來說，拌和物重要的性能之一就是要具有良好的流動(dòng)性。要想具有較好的流動(dòng)性，就要追求足夠厚的水膜。但是，水膜厚度過大，說明拌和物中的自由水過多，漿體黏度越小，拌和物易出現(xiàn)泌水、離析現(xiàn)象。水膜厚度越小，說明自由水也越少，漿體就越黏，就易出現(xiàn)塑性收縮裂縫。所以，從這一點(diǎn)來說，在混凝土拌和物加水?dāng)嚢韬蟮淖畛鯉讉€(gè)小時(shí)內(nèi)，商品混凝土拌和物施工性能的控制，從本質(zhì)上講，主要是水膜厚度的調(diào)整與控制。在商品混凝土配合比設(shè)計(jì)過程中，往往追求的是較大的水膜厚度。也就是說，要采取化學(xué)的或物理的措施，在總用水量一定的前提下足夠的“省水”以提高顆粒的水膜厚度。如摻加減水劑、采用需水量較小的礦物摻合料或提高膠凝材料堆積密度等。在水泥漿體中加入減水劑后，水泥顆粒之間產(chǎn)生斥力，水泥顆粒間包裹的水得以釋放，但填充水的數(shù)量基本上不會(huì)發(fā)生大的變化，表面層水的厚度或顆粒間的水膜層距離卻增加了，因此漿體變得易于流動(dòng)，流動(dòng)度得到提高。當(dāng)減水劑的減水率達(dá)到最大之后，減水的對(duì)象已不是表面層水而是填充水了。對(duì)于填充水的削減，減水劑無能為力。填充水的數(shù)量取決于系統(tǒng)的堆積密度。要削減填充水，必須提高系統(tǒng)的堆積密度。為此，可采用的一個(gè)辦法，就是在水泥堆積系統(tǒng)中摻入比水泥顆粒細(xì)得多的礦物質(zhì)微粒。這些礦物質(zhì)微粒能夠填充水泥顆粒間空隙，使原來的填充水變?yōu)楸砻鎸铀?，為水膜厚度的增加提供可能。因此，從這個(gè)角度來看，礦物質(zhì)微粉這時(shí)成為混凝土拌和物的一種減水組分，但這種減水組分在減水原理上完全不同于化學(xué)減水劑，這就是“礦物減水劑”名字的由來。礦物減水劑的減水作用，往往可以在化學(xué)減水劑無能為力的超低水膠比條件下發(fā)揮出來。需要注意到的是，比水泥顆粒更細(xì)小的礦物微粉摻入之后，在間隙填充水減少的同時(shí)，由于系統(tǒng)比表面積的增大，表面層水的數(shù)量也會(huì)增大。因此，礦物微粉減水作用的大小，取決于其填充效應(yīng)與其表面吸水效應(yīng)的相對(duì)大小。減水性能良好的礦物減水劑應(yīng)該是填充性好且比表面積又相對(duì)較低的礦物微粉。據(jù)此，可以通過法國混凝土材料科學(xué)家DeLarrard提出的可壓縮堆積模型（CompressiblePackingModel，簡稱CPM模型）計(jì)算礦物減水劑的參數(shù)，如最佳粒度和最佳摻量等。3

泵送損失的控制措施通過混凝土合比設(shè)計(jì)理論和泵送過程分析可知，泵送損失的本質(zhì)是由于混凝土拌和物在壓力下自由水發(fā)生了遷移或氣體含量發(fā)生了大的變化，自由水的遷移直接導(dǎo)致起潤滑作用的顆粒水膜厚度的減小。這些“減小而跑走了的”自由水可能進(jìn)入到了固體顆粒（尤其是骨料）開口孔中，也可能填充到了顆粒間空隙中，也可能由于減水劑發(fā)生變化、減水效果降低導(dǎo)致膠凝材料“重新”吸咐或包裹了這些水，總之最終導(dǎo)致拌和物的流動(dòng)性下降。理論分析和工程經(jīng)驗(yàn)表明，要降低或消除泵送損失對(duì)施工澆筑的不良影響，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行調(diào)整與控制：（1）拌和物的經(jīng)時(shí)損失要??；（2）增加拌和物坍落度或擴(kuò)展度的初始（入泵）值；（3）選擇壓力泌水率小的或在壓力作用下性能穩(wěn)定的減水劑，尤其是在采用聚羧系減水劑時(shí)；（4）骨料的吸水率和空隙率要小，尤其是細(xì)骨料；（5）混凝土組成材料中各種細(xì)粉料（尤其是膠凝材料）級(jí)配要合理；可通過摻加適量石灰石粉、硅粉等調(diào)整顆粒級(jí)配；雙摻礦渣粉和粉煤灰出問題時(shí)，可改為單摻粉煤灰或礦渣粉等。北京某商品混凝土公司，采用汽車泵施工混凝土，入泵坍落度210mm～230mm，由于泵送損失過大，出泵入模時(shí)只有130mm～160mm，給現(xiàn)場澆筑施工帶來嚴(yán)重影響，經(jīng)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)是聚羧酸減水劑出了問題，更換品種后即解決。哈爾濱某商品混凝