泵送混凝土的工作性变化及应对方案研究

泵送混凝土的工作性变化及应对方案研究0前言混凝土泵送后较入泵前可能出现明显的流变性或其他工作性变化，比如流动度、含气量、和易性等。分析原因主要观点有：混凝土与输送管摩擦或泵管受太阳直射升温导致水化加速；泵管拼缝欠佳，泵压导致泌水并溢出；压力条件下，自由水向骨料内部孔隙迁移；或含气量损失；混凝土输送运动中的剪切作用使固体颗粒转入无序分布状态，并促进颗粒结合，产生稠化，或在水粉比较高时，骨料运动惯性克服了稠化作用，可能产生稀化；胶凝材料因减水剂解絮作用增加的自由水大于其增加的吸附水将产生剪切稀化。以上观点中，有关温升、压力、含气量损失的说法并无普遍结论，目前研究成果更倾向于剪切作用。通过在混凝土入泵前加水和减水剂使混凝土满足泵送要求；掺入合适的矿物掺合料来提高混凝土的保水性，降低坍落度损失。但因涉及泵送生产，验证难度大，以上措施也仅适用于经泵流动度损失，对于经泵流动度增大或离析的解目前研究报道较少。本文结合工程现场测试（文中所列工程为外加剂服务中出现该类流动性问题的典型代表）和试验，分析研究压力、温度、含气量、气泡大小等因素对泵送混凝土工作性的影响。结合现有研究成果，提出泵送条件下混凝土流动度变差的解决方案，并进行验证。1试验方案1.1试验原材料（1）混凝土原材料：金隅振兴P·O42.5级水泥；S95级矿粉；北疆电厂F类Ⅰ级和Ⅲ级粉煤灰，0.045mm筛筛余分别为9.1%和42%；吉林某企业生产的粉煤灰微珠，需水量比为83%；武汉某公司生产的硅灰，SiO2含量93.7%；河砂A、B、C细度模数分别为2.4、2.4、2.6，含泥分别为3.3%、2.6%、1.9%；石灰岩碎石，5～25mm连续级配。（2）减水剂：试验室用减水剂包括高减水型聚羧酸减水剂JY-TS-1，减水率35%；缓释型聚羧酸减水剂JY-TS-302、JY-TS-2和JY-TS-301，分别符合JC/T2481—2018《混凝土坍落度保持剂》中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类要求。工程现场所用聚羧酸减水剂为复配产品，固含量分别为10%和40%。（3）缓凝剂：葡萄糖酸钠、葡萄糖、白糖、麦芽糊精、羟基乙叉二膦酸HEDP。（4）其他外加剂：十二烷基硫酸钠引气剂K12，有效物20%；引气剂AE-PLUS；7168消泡剂；羟丙基甲基纤维素（HPMC）。1.2试验方案工程出、入泵混凝土的温度、流动度/含气量的变化：对天津某公司超高泵送盘管试验及所承接两处工程的现场施工混凝土的有关试验数据进行汇总分析。C60和C35混凝土用粉煤灰分别为北疆电厂F类Ⅰ级和Ⅲ级粉煤灰，0.045mm筛筛余分别为9.1%和42%；所用减水剂均为北京某公司生产的聚羧酸高性能减水剂复配产品，固含量分别为10%、40%；C35混凝土采用砂A和砂B两种河砂，含泥分别为3.3%和2.6%；C60混凝土用河砂C，含泥为1.9%；C60混凝土用石为整形过的5～25mm连续级配碎石。其他原材料同1.1节。环境温度低于混凝土4～7℃，混凝土入泵前经时约40～60min，C35现场混凝土、C60-2现场混凝土和C60-1盘管混凝土在泵管中的输送经时约2～3min、5～7min和50min。1.3研究内容①压力对净浆流动度和水化热影响；②含气量对砂浆流动度的影响；③气泡大小对自由水量的影响；④温度对净浆流动度的影响；⑤外加剂改善泵送混凝土工作性的措施研究。1.4测试方法按照GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、GB/T8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》和JGJ/T283—2012《自密实混凝土应用技术规程》进行混凝土净浆流动度、扩展度、含气量的测试。2试验结果与分析2.1压力对净浆流动度和水化热的影响C35和C60-2现场混凝土泵送压力分别为10MPa和12MPa，C60-1盘管泵送压力8.0～12.5MPa。受试验条件限制，试验室仅进行了3.0MPa静态加压模拟。加压设备由SY-2型压力泌水仪取出筛网，垫平导水槽，关闭泌水阀，在筒体内置完整塑料袋改造而成，见图1。试验室调整减水剂用量，在折固掺量0.18%时，常压净浆流动度出现增长、稳定、损失三个阶段。取加水后10min和120min作为流动度增长期和损失期的加压起测点。加压至3.0MPa衡压60min。在各测试时点同步进行浆体的流动度测试，见图2，为方便作图，对塑性较好但是流动度不满足扩展度试验的净浆，取其扩展度为60mm。停止加压后进行常压和加压浆体水化热测试。加压试验操作参考GB/T50080—2016压力泌水试验的加压方法。由图2可知：在流动度增长期，加压后净浆流动度无明显变化，但处于流动度损失期净浆经过加压，流动度损失至200mm的时间提前约35min。净浆流动度损失可能源于以下综合作用：随减水剂分散作用下降，水泥颗粒间絮凝作用增加，加压环境将促进这一作用；熟料受烧成急冷期矿物收缩和粉磨过程中挤压等作用形成一定数量微裂缝，压力下，水对微裂隙渗入能力加大；水泥水化产物可溶性很低，包裹于熟料颗粒表面，形成膜层抑制水泥水化，压力下，水对水化产物膜层渗入能力增强。水化热试验数据未体现显著差异（不再列出），具体影响机理有待进一步研究。综上所述，考虑到现场泵压约为试验室施加压力的三倍左右，将进一步减小促进流动性损失期混凝土流动性。如果在满足泵送要求下减小泵送压力，预计将有助于减少经泵的流动性损失。2.2含气量对砂浆流动度的影响及气泡大小对自由水量的影响对现场C35和C60混凝土各进行了4车次混凝土测试，每车取样测试1次，各混凝土入泵前经时约40～60min。C35第1、2车次混凝土用砂为砂A，泵后混凝土工作性损失较大，第3、4车次进行混凝土用砂调整，换用砂B，第3车次混凝土出泵出现浮浆，第4车次生产下调减水剂0.2%，出泵混凝土匀质性良好。C60混凝土第1、2车次（在盘管试验时进行，采用含微珠的C60-1配合比）出泵时混凝土有明显浮浆；第3、4车次（在工地现场进行，采用含硅灰的C60-2配合比）出泵混凝土匀质性良好。对各测试混凝土，采用两种插捣方式测量经泵前后混凝土的含气量，计算出泵和入泵混凝土含气量的比值。一种是一次装满，插捣15次；另一种是分三层装满，每层插捣25次，分别计为含气量比1和含气量比2。有关流动度和含气量变化情况见图3和图4。由图3、图4可知，混凝土的出入泵含气量比大于100%的比例占测试总数的75%，含气量比小于100%的情况全部出现于泵后浮浆混凝土中；出入泵混凝土含气量比2总体小于含气量比1；C60-2混凝土的含气量比差异相对较小。出入泵含气量比大于100%代表含气量增加。这说明经泵后流态非离析混凝土含气量不会损失，混凝土经泵损失并非由含气量损失导致。根据经验可知，入泵前拌和物从搅拌车卸出下落和出泵过程中料流冲击引入的空气是含气量上升的部分原因。含气量比2总体小于含气量比1说明，在更长时间振捣下，出泵混凝土气泡溢出比例更大。取C35第4次测试出入泵混凝土按一次装满方式成型试件，硬化后观察，以可见气泡为基础，出泵成型混凝土较入泵成型混凝土中直径5mm以上大气泡有所减少，但可见0.5～1.0mm的气泡比例较高。表观气泡情况见图5。设计试验研究含气量对砂浆流动度的影响。以质量比计，按m（水泥）：m（粉煤灰）：m（矿粉）：m（砂）：m（水）=1∶0.26∶0.26∶1.84∶0.42比例制备砂浆，TS-1减水剂折固掺量0.22%，以引气剂调整砂浆含气量，测试不同含气量砂浆流动度和保水状态，结果见图6。由图6可知，随含气量增加，砂浆流动度先增后降。气泡的滚珠作用促进流动性，而形成气泡消耗的自由水将降低流动性。当二者处于某种程度的平衡时，可以实现流动性和保水性的最佳状态。超过这一范围后，继续形成气泡将减小流动性。另外，设计研究了气泡大小对自由水量的影响。以K12和AE-PLUS配制引气剂溶液，掺入量分别为1.0%和0.5%。采用等体积塑料瓶，以相同方式同时、充分晃动引气剂溶液至气泡充分生成，静置约5～6s及时观察，结果见图7。结果表明，在相同气泡体积条件下，更小泡径的气泡消耗更多的自由水。AE-PLUS引气剂溶液泡沫细小，等气泡体积空间，其液面高度低于K12引气溶液约15%。结合以上分析，可以认为经泵后混凝土稳定性有所降低的原因在于气泡平均尺寸有一定增加，从而减少了气泡对液相的消耗。为什么气泡平均尺寸会增加呢？笔者认为可以从泵送过程中气泡聚并机理进行解释。气泡间接触将产生部分气泡聚并。根据文献，气泡靠近和碰撞、碰撞处形成液膜、液膜排液、变薄并最终破碎实现聚并。随着液相黏度增加，气泡聚并时间延长。气泡聚并在较短时间内即可完成，低黏度体系可能仅10-5～10-6s，即使雷诺值3.4的高黏液体中，气泡从接触至聚并完成也仅10s左右。气泡聚并研究虽主要针对自由运动的较大气泡，但是对泵送混凝土影响机理相同。其一是多相体的剪切作用。泵送中混凝土在靠近泵管中轴处流速大，而靠近管壁处流速小，存在速度梯度，进而产生剪切作用。据文献表明，大流态自密实混凝土在泵管中剪切速率可能达到30~60s-1，润滑层部分可能达到100s-1，远大于生产和运输中搅拌的剪切速率。多相体系的高剪切环境导致微气泡间的接触频率和碰撞力度增加，将比常压低剪切环境大的多，将进一步促进气泡聚并。其二是强剪切稀化作用。至少在减水剂充足浆体中，强剪切过程产生的低黏度液相环境必将促进气泡聚并。其三，聚并排液。气泡碰撞产生的液膜必然产生排液，不论气泡合并最终是否实现，而排液增加的液相量又将促进其它气泡聚并。所以相对于静置或罐车转动条件下，泵送剪切作用对掺充足减水剂混凝土流动度的增长或离析的加重将更明显。至于C60-2含气量比差异较小，可以从混凝土黏度较高导致聚并过程较慢且气泡溢出较少的角度解释。虽然无法方便地设计单因素试验进行验证，但根据以上分析，推测抑制气泡聚并，降低经泵剪切稀化程度并提高混凝土浆体的保水性或内聚力可能会提高经泵混凝土稳定性。2.3工程出、入泵混凝土的温度变化及温度对净浆流动度的影响有经验认为混凝土在泵送过程中温度有所上升，现场测试数据证实了这一说法。C35现场混凝土、C60-2现场混凝土和C60-1盘管混凝土在泵管中的输送经时分别约2～3min、5～7min和50min，随泵送距离及经时延长，经泵混凝土均出现一定温升，C60-1盘管混凝土温升高达6.1℃，其它混凝土平均温升约1.0℃/100m。施工时的环境温度低于混凝土4～7℃，不存在辐射温损，实际温升应至少不低于该测值。混凝土的出、入泵温度如图8所示。从行业共识的角度，温升会加速水泥水化，促进混凝土经泵稠化。有研究证实较高温度也使酯类的基团水解加快，转化率提高，缓释型聚羧酸减水剂一般均接枝酯类功能基团，利用其在碱性条件下的水解生成羧基而产生吸附能力，达到保坍分散目的。为研究温度对缓释型减水剂作用发挥的影响，设计方案进行验证。以不同温度的拌和水调节制取初始温度分别为19.1℃、22.5℃、26.1℃和29.0℃的同配比净浆，JY-TS-301折固掺量0.21%，净浆水胶比0.29。净浆初始无流动度，于26.0℃环境中保留，100min后净浆温度分别为24.2℃、25.4℃、26.0℃和27.8℃，各经时流动度见图9。由图9可知，JYTS-301的作用发挥对温度敏感，随温度提高，净浆流动度增长加速。这说明较高温度下，减水剂中接枝和未接枝的的酯类基团的水解规律一致。从以上分析，温度升高对混凝土工作性产生何种影响受两方面作用制约：一方面，在有效减水剂不足体系中，温升加速水泥水化，减少温升将有助于减少混凝土体系的经泵稠化。另一方面，体系中如果缓释型聚羧酸减水剂富余量较多，泵送产生的温升将促进缓释型聚羧酸减水剂酯类基团的水解，减少温升预期可减少其经泵稀化。3解决方案根据以上分析，集成外加剂合成与复配技术，提出系统性思路：①提高混凝土减水剂的均匀性并根据需要合理调整减水剂用量，使运输及经泵过程中减水剂供给量均匀、适当，降低剪切稀化和稠化基础；②合理采用缓凝剂；③提高混凝土易泵性，降低泵送压力对流动性损失的影响；④提高分散速度，降低外加剂超掺风险，降低剪切稀化基础；⑤提高混凝土内聚力，减少气泡聚并的离析风险。限于篇幅，仅对以上研究简要介绍。从以上研究可见，经泵工作性变化和混凝土体系中减水剂有直接关系，所以第一个思路是选择接枝不同功能基团的缓释减水剂实现减水作用梯度释放，使混凝土在浇筑前能对体系适时适量地提供减水剂。图10是接枝不同水解活性缓释基团的聚羧酸减水剂与减水型聚羧酸减水剂按5∶5比例复配，进行的混凝土各经时流动度试验结果。由图10可知，JY-TS-302早期释放快，后期保坍能力较弱，减水能力较高；JY-TS-301前期释放能力较弱，主体释放区间位于1.5～2.5h，释放均匀持久，水解后减水能力较低；JY-TS-2界于前二者之间，减水和保坍释放较为均衡。根据入泵前经时估算、经泵时长和原材料对减水剂的消耗特点，将不同缓释母液进行有机结合，使入泵前混凝土中保留有适宜有效量的减水剂。第二个思路是采用适宜的缓凝剂。合适的缓凝剂可抑制对减水剂的消耗，有助于减水剂供给的均匀性，维持易泵性，调节混凝土的保水性，改善内聚力，减小气泡抑出，但不同的缓凝剂具有不同的特点，需要充分把握其性能特征。表3为各缓凝剂的保水性。图11是取不同缓凝剂以2.0%和4.0%两个梯度与8.0%减水剂复配，按复合减水剂2.0%掺量进行的混凝土各经时流动性试验结果。由表3和图11可知，辅助减水效果从大至小依次为：葡萄糖酸钠＞糊精＞葡萄糖＞白糖=HEDP；流动性保持效果从强到弱依为：HEDP＞白糖＞葡萄糖酸钠＞糊精＞葡萄糖；保水效果从强到弱依为白糖=糊精＞葡萄糖=HEDP＞葡萄糖酸钠。在以上两条的基础上，外加剂配方中可酌情加入降黏型减水剂、保水剂和优质引气剂等，提高混凝土易分散性、易泵性和黏聚性。该技术调整思路已应用于多个案例，对解决混凝土工作性经泵大幅变化的问题均取得良好的效果。4结语（1）在有效减水剂不足情况下，经泵压力可促使浆体发生稠化，具体影响机理有待进一步研究。（2）含气量的损失不是混凝土经泵稠化现象产生的原因；气泡排液和聚并在理论上促进了混凝土的经泵稀化。（3）在缓释型聚羧酸减水剂掺量较高的情况下，经泵温升可促使浆体发生稀化。（4）通过调整减水剂组分和掺量可以有效控制经泵混凝土流动度大幅变化。工程质量保证措施1、质量目标本工程质量目标为合格。为确保工程质量，从质量管理体系的各工序质量程度网络控制两大方面严格控制，并制定出相应的质量保证措施以确保工程的质量。质量保证体系的管理组织，从公司到项目部，配套管理，形成严格的统一管理体系，定员定岗责任到人。2、质量保证体系（1）建立健全质量保证体系，配备足够的专业质量检查人员，确保工程质量。（2）加强技术管理，认真贯彻国家规范、操作规程及各项管理制度，确确岗位责任制，组织学习图纸、施工组织设计和工艺卡，做好技术交底工作，并建立技术考核制度。（3）施工过程中，按部位检查操作方法和施工效果、及时纠正差错。按部位及时填写应检查项目的隐、预检记录单，接受建设单位和质量检查人员检查。督促班组执行自检