趙 筠

（北京江漢科技有限公司）

前言

混凝土工程施工中，“泵送”是常用的混凝土輸送與澆筑方法，大幅度提高了混凝土建筑的施工效率。從上世紀(jì)二、三十年代開始混凝土泵送輸送以來，泵送設(shè)備不斷更新?lián)Q代，泵的技術(shù)性能越來越好。在此期間，混凝土配制與生產(chǎn)技術(shù)也取得了巨大進(jìn)步。例如，廣泛應(yīng)用了減水劑和礦物摻和料，可以配制高流動性或自密實(shí)混凝土，也可以配制高強(qiáng)、超高強(qiáng)（超高性能）混凝土，還可以針對使用環(huán)境配制高耐久混凝土，等等。然而，泵送混凝土技術(shù)發(fā)展至今，在配制“泵送性能好”的混凝土拌和物方面，技術(shù)的發(fā)展則相對落后，一直缺乏科學(xué)準(zhǔn)確、簡單易行的方法評價(jià)混凝土拌和物是否適合以及是否容易泵送。目前的混凝土生產(chǎn)與施工中，新配制的混凝土（使用新原材料或新配合比）需要在實(shí)際的或模擬的泵送管線上，經(jīng)過“真實(shí)泵送”測試拌和物泵送性能。圖1為迪拜哈利法塔（Burj Khalifa）工程施工前，進(jìn)行混凝土泵送性能測試專門安裝的“真實(shí)泵送”管線和設(shè)備。這樣的泵送試驗(yàn)測試裝置，占地大、成本高且費(fèi)工費(fèi)時(shí)，使泵送性能試驗(yàn)門檻高、難度大，一般只有針對重大工程時(shí)能夠開展這樣的試驗(yàn)測試，無法作為常規(guī)試驗(yàn)廣泛應(yīng)用于日常配制和生產(chǎn)的大量泵送混凝土。至今，泵送混凝土主要還是依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，主要依靠工作性測試和經(jīng)驗(yàn)判斷拌和物是否適合泵送和進(jìn)行改善。但是，經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)越來越難以應(yīng)對現(xiàn)在多種類和多變化的原材料，也常常不適應(yīng)現(xiàn)代混凝土的新特點(diǎn)（高流動性、自密實(shí)、低水膠比等），或不能解決現(xiàn)在遇到的新問題。隨著現(xiàn)在泵送施工應(yīng)用越來越普及，工程現(xiàn)場泵送過程中也越來越頻繁地出現(xiàn)“意外”情況，如堵泵、堵管、坍落度急劇損失、泵送阻力過高等，成為嚴(yán)重困擾混凝土生產(chǎn)與施工技術(shù)人員的問題。

圖1 迪拜哈利法塔（Bu rj Khalifa）工程測試混凝土泵送性能的600m水平泵送管線[1]

從開始使用泵和管道輸送混凝土拌和物，工程技術(shù)人員就開始探索如何配制適合泵送的混凝土，可查閱到的最早相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表在1936年[2]。探索工作一方面是根據(jù)工程實(shí)踐積累的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)對原材料和配合比的技術(shù)要求，作為配制泵送混凝土的指導(dǎo)（詳見第2.3節(jié)）；另一方面是研究嘗試建立試驗(yàn)室方法，評價(jià)混凝土泵送性能。

通過回顧上世紀(jì)所總結(jié)的泵送混凝土配制經(jīng)驗(yàn)與試驗(yàn)研究成果，結(jié)合本世紀(jì)的最新研究進(jìn)展，我們實(shí)際上已經(jīng)具備試驗(yàn)室測試評價(jià)混凝土“泵送性能”的基本條件?？梢灶A(yù)期，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，再進(jìn)一步完善試驗(yàn)室測試裝置和方法，開展試驗(yàn)室測試與真實(shí)泵送測試結(jié)果（參數(shù)）對比，并建立起可靠的系列泵送性能參數(shù)的要求或判斷標(biāo)準(zhǔn)，就可以建立起完整、科學(xué)、簡易、可靠的混凝土“泵送性能”測試與評價(jià)體系。這樣，泵送混凝土的配制與優(yōu)化就變得簡單易行。使用經(jīng)過泵送性能充分測試和得到確認(rèn)的混凝土拌和物，是保證實(shí)際工程施工泵送順利進(jìn)行的基礎(chǔ)。

首先，怎樣的混凝土拌和物“泵送性能”好呢？

1 混凝土泵送性能的涵義

混凝土拌和物的“泵送性能（pumpability）”包含“是否適合泵送”和“是否容易泵送”兩方面涵義，即需要從“可泵性”和“易泵性”兩方面進(jìn)行性能評價(jià)?！翱杀眯浴敝富炷涟韬臀锬鼙槐盟?，一般不會堵塞管道，也不會在泵送過程失去工作性，是泵送施工順利進(jìn)行的前提條件?！翱杀眯浴睂炷涟韬臀锏囊蟀ǎ?/p>

·有一定的流動性（坍落度超過5cm），易于充滿泵的缸體，在適當(dāng)?shù)谋脡毫ν苿幼饔孟履軌蛟诠艿乐幸苿樱?/p>

·有良好的粘聚性，在輸送過程和壓力作用下，不會產(chǎn)生過量的泌水、泌漿或離析，在正常泵送或重新起動時(shí)發(fā)生堵泵、堵管的可能性很?。?/p>

·在泵送壓力和剪切作用下，拌和物不會產(chǎn)生過大的流動性（工作性）損失。

·不會在泵送中斷時(shí)因處于靜置狀態(tài)快速損失流動性，而導(dǎo)致重新啟動泵送的阻力過大或無法恢復(fù)流態(tài)；

“易泵性”指混凝土拌和物在管道中流動阻力的相對高低，關(guān)系到泵送相同的距離或高度需要泵壓的高低，決定了泵送施工的效率。在遠(yuǎn)距離、高程或超高程泵送時(shí)，以及較大混凝土結(jié)構(gòu)施工時(shí)，對混凝土拌和物的“易泵性”就會提出比較高的要求。

因此，混凝土拌和物的泵送性能“好”，意味著“可泵（pumpable）”并且“易泵（easy to be pumped）”。泵送性能屬于混凝土工作性之一，是受到多種因素影響并且需要多方面“平衡兼顧”的一種性能，因此無法用單一試驗(yàn)進(jìn)行測試評價(jià)?！罢鎸?shí)泵送”可以檢驗(yàn)多種因素綜合作用的效果，因此是測試檢驗(yàn)泵送性能最有效、最可靠的方法，但試驗(yàn)裝置大、測試成本高，無法作為常規(guī)試驗(yàn)方法廣泛使用。然而，泵送性能也可以分解為上述多個方面進(jìn)行測試和評價(jià)，即：用工作性、泌水指標(biāo)、流動性損失速率（靜置、壓力和剪切作用下）等試驗(yàn)，檢驗(yàn)可泵性；用泵送阻力試驗(yàn)測試易泵性。這樣，綜合了泵送性能所涉及的各個側(cè)面，也能夠比較全面地評價(jià)混凝土泵送性能。

泵送過程在壓力或剪切作用下的流動性或工作性較快損失，是現(xiàn)代混凝土出現(xiàn)的新問題，檢驗(yàn)測試方法并不復(fù)雜（在本文第6節(jié)探討）。易泵性測試一直是試驗(yàn)室試驗(yàn)的難點(diǎn)。如今，在長期研究積累的基礎(chǔ)上已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展。首先，確認(rèn)了混凝土拌和物的泵送阻力本質(zhì)上是泵送過程形成“潤滑層”的摩擦阻力；其次，發(fā)現(xiàn)“泵送壓力－流速關(guān)系”近似線性，直線的截距和斜率參數(shù)就反映了摩擦阻力的高低。這樣，通過測試鋼－混凝土拌和物界面摩擦阻力，如法國研發(fā)的“同軸圓柱摩擦儀”（Coaxial Cylinder Tribometer），可以間接測試與評價(jià)易泵性。最近，德國成功設(shè)計(jì)出科學(xué)簡易的試驗(yàn)裝置“滑管式流變儀”（Sliding Pipe Rheometer），可以方便地直接測試“壓力－流速關(guān)系”和評價(jià)易泵性（在3~5節(jié)中介紹相關(guān)研究成果）。

2 泵送性能測試與配制泵送混凝土的經(jīng)驗(yàn)方法

2.1 “可泵性”的試驗(yàn)測試與評價(jià)

在長期的混凝土泵送施工中，堵泵堵管是最常遇到的問題?；炷涟韬臀镏钥梢员盟停且揽克嗌皾{包裹粗骨料、水泥凈漿包裹細(xì)骨料傳遞泵壓力和潤滑拌和物而流動。在管道中如果拌和物發(fā)生泌水或泌漿離析，粗細(xì)骨料失去漿體的包裹潤滑（如圖2所示），骨料與管壁的摩擦阻力會驟然增大，就可能發(fā)生堵管。同樣，如果拌和物入泵時(shí)就發(fā)生離析，很可能導(dǎo)致堵泵。因此，“可泵”的首要條件是拌和物不離析，至少不產(chǎn)生過度離析。最早避免拌和物離析的方法，主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和依靠良好的骨料級配、砂漿含量、粉料（細(xì)砂和水泥）含量等保證。

圖2 泌水、離析對泵送影響示意圖[3]

英國R.D. Browne和P.B. Bam forth[3]經(jīng)過長達(dá)8年的泵送試驗(yàn)研究，試圖建立檢驗(yàn)新拌混凝土泵送性能特征值的測試方法，包括：（1）用壓力泌水試驗(yàn)測試混凝土“脫水”的內(nèi)部阻力；（2）測定總體骨料的空隙率，輔助泵送混凝土配制；（3）在泵送管線上測試壓力，評價(jià)泵的效率和性能，以及混凝土泵送性能。他們認(rèn)為，在壓力作用下混凝土拌和物快速“脫水”是導(dǎo)致堵管的重要原因（參考圖2），因此研制了圖3所示壓力泌水試驗(yàn)裝置。

圖3 壓力泌水試驗(yàn)裝置[3]

壓力泌水試驗(yàn)方法：將混凝土拌和物分兩層裝入125mm缸中（不搗實(shí)），加壓到35kgf/cm2（約3.5MPa），然后打開泌水閥，記錄10秒和140秒泌水體積V10和V140。試驗(yàn)顯示，各種坍落度的混凝土拌和物，在140秒以后壓力泌水量很小，因此試驗(yàn)到140秒就可以終止。典型的壓力泌水試驗(yàn)結(jié)果如圖4a所示，其中V10高、V140低，不能泵送；V10低、V140高，可泵送。Browne等認(rèn)為，壓力作用下快速排出的水量V10，代表了混凝土拌和物中多余的水分；壓力作用140秒后，拌和物中的水處于被壓縮顆粒的空隙中，不易被擠壓出。新拌混凝土“脫水”快（泌水多），V10較大，（V140－V10）則相對??；反之，（V140－V10）較大，則表明混凝土具有較好的可泵性，因?yàn)椋╒140－V10）代表了顆粒之間起潤滑作用的有效水量。用最大骨料粒徑（Dmax）20mm的混凝土進(jìn)行試驗(yàn)，得到可泵送（V140－V10）最小值定量結(jié)果如圖4b所示。這樣，測試混凝土拌和物的坍落度、V10和V140，計(jì)算（V140－V10），然后在圖4b確定是否達(dá)到最小允許值，就能夠判斷混凝土是否可以泵送。需要指出，壓力泌水試驗(yàn)是用來判斷混凝土拌和物發(fā)生堵泵堵管的危險(xiǎn)性，也可以判斷拌和物多余水量的高低，作為改善配合比設(shè)計(jì)的參考，但不能用于判斷混凝土泵送阻力或“易泵性”。此外，圖4b中“可泵”與“不可泵”界限的劃分，是有限試驗(yàn)（Dmax=20mm的混凝土）得到的結(jié)果，并不一定普遍適用。

圖4 （a）壓力泌水試驗(yàn)典型的排水量－時(shí)間曲線 （b）依據(jù)壓力泌水試驗(yàn)結(jié)果判斷可泵性[3]

圖5 泌水速率試驗(yàn)（a）試驗(yàn)儀和試驗(yàn)程序（b）泌水量與時(shí)間關(guān)系曲線示例[5]

張晏清等[4]試驗(yàn)研究用坍落度（S）和140秒壓力泌水總水量（V140）兩個指標(biāo)表征混凝土可泵性，結(jié)合實(shí)際工程泵送施工的驗(yàn)證，將可泵性分為良好、中等和不可泵三個等級：S<16cm，壓力泌水量（V140）在70m l~110ml之間，混凝土可泵性良好；S<8cm，或V140>130m l，或V140<40m l，不可泵；介于以上范圍，可泵性中等。此外，認(rèn)為混凝土拌和物穩(wěn)定性由加水量和小于0.3mm的細(xì)粉體積決定；砂漿體積與砂漿流動性共同作用決定混凝土流動性；減水劑和粉煤灰可提高可泵性。

法國D. Kaplan等[5]建立和使用一個148m長的“真實(shí)泵送”試驗(yàn)管線系統(tǒng)，進(jìn)行了68次不同混凝土拌和物泵送測試（包括許多發(fā)生堵管情況），研究堵管產(chǎn)生的過程和機(jī)理，以及避免的方法。其試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，混凝土拌和物組成、泵管系統(tǒng)設(shè)計(jì)或泵送過程操作不當(dāng)，均可能誘發(fā)堵管，并可能發(fā)生在泵送的任何階段包括潤滑管道（潤管）、泵送、中斷重新啟動和清洗管道階段。堵管產(chǎn)生原因和防止方法簡述如下：

圖6 泌水速率與可泵性之間的關(guān)系[5]

·潤管階段堵管：活塞式泵的每次推進(jìn)，會使混凝土的粗骨料在潤管水泥漿中前移，在水平管段跑到潤管漿體前面并聚集，達(dá)到一定量就會發(fā)生堵管。堵塞容易發(fā)生在彎管處和安裝安全閥、流量計(jì)等部位。避免的方法包括，在泵料斗混凝土不要與潤管水泥漿混和，應(yīng)待潤管漿液全部出了泵的料斗，再加入混凝土，或潤管漿與混凝土之間用砂漿隔離；潤管階段，泵宜以低速運(yùn)行；使用潤管水泥漿的量應(yīng)與管道長度相適應(yīng)，每20m長管用約50kg水泥（潤管水泥漿水灰比0.5~0.8）。

·泵送過程堵管：骨料最大粒徑（Dmax）超過管直徑1/4可能導(dǎo)致穩(wěn)定泵送狀態(tài)的堵管；快速提高泵送速率，有時(shí)可引起錐形管道（直徑減?。┎课欢氯?；局部的干擾如相連管節(jié)磨損程度不同、安裝流量計(jì)或有橡膠管段等，可能誘發(fā)堵塞產(chǎn)生；混凝土拌和物在泵料斗中發(fā)生離析，可能大幅度增大進(jìn)入管道的拌和物粗/細(xì)骨料比（C/F比），并因而發(fā)生堵塞；混凝土拌和物本身粗/細(xì)骨料比大，可能在泵料斗形成“拱”，使拌和物下料不暢，大量空氣進(jìn)入管道形成壓縮空氣氣囊，可能導(dǎo)致拌和物不穩(wěn)定流動和引發(fā)堵塞；混入混凝土中異物，如大石塊、長金屬絲等，也可能導(dǎo)致堵塞。

·泵送過程中斷，重新啟動時(shí)堵管：因?yàn)橐馔馇闆r如清理管道堵塞或混凝土罐車遲到等，泵送過程可能中斷數(shù)十分鐘甚至幾個小時(shí)。首要的是必須避免混凝土在管道中凝結(jié)。在靜止?fàn)顟B(tài)，如果混凝土拌和物離析，骨料沉降接觸管壁，水平管下部的潤滑層會消失，泵送阻力會大幅度增大，使泵送重新起動困難或堵塞管道。

·清洗管道時(shí)堵管：直接用水清理和清洗管道，會清洗掉骨料表面包裹的砂漿，導(dǎo)致骨料失去潤滑而產(chǎn)生堵塞。正確的方法為，在兩個橡膠球之間填充潤濕的牛皮紙（或廢水泥包裝袋），形成約1m長的低滲透性隔離塞，使水不接觸混凝土拌和物，然后再將水泵入管道進(jìn)行清洗。

圖7 各種因素對混凝土拌和物泵送壓力（易泵性）的影響[6]

上述產(chǎn)生堵管的原因中，在開始的潤管階段和結(jié)束的清洗管道階段，發(fā)生堵管多屬于錯誤操作方式造成的，采用正確的泵送工藝流程一般可以避免。在泵送過程中、泵送中斷重新啟動過程發(fā)生堵管，混凝土拌和物的“可泵性”不良或泌水離析大則是主要原因。

D. Kaplan等[5]嘗試建立常壓自由泌水速率與堵管之間的關(guān)系，采用圖5所示的試驗(yàn)裝置和程序測量混凝土拌和物的泌水速率，在真實(shí)泵送管道上實(shí)測檢驗(yàn)可泵性（是否堵管），得到的結(jié)果見圖6。結(jié)果分析表明，泌水速率可以反映混凝土拌和物的穩(wěn)定性，與發(fā)生堵管的危險(xiǎn)性有一定相關(guān)性；粗骨料為圓角（卵石）、增加粒徑0.1mm~0.7mm砂比例，有助于降低泌水速率和改善泵送性能。然而，管道堵塞是一種概率事件，誘發(fā)因素較多，不能從單一泌水速率指標(biāo)判斷發(fā)生或不發(fā)生，但泌水速率低表明泵送過程出問題的幾率低。

2.2 “易泵性”的試驗(yàn)測試與評價(jià)

由于沒有有效的試驗(yàn)室測試方法，混凝土的泵送性能，以及各種因素對泵送性能特別是“易泵性”的測試分析，長久以來只能在“真實(shí)”（試驗(yàn)鋪設(shè)的或?qū)嶋H工程使用的）泵送管線上進(jìn)行（類似圖1）。美國J.F. Best和R.O. Lane[6]曾研究一種“試驗(yàn)室混凝土泵送性能試驗(yàn)機(jī)”，分析混凝土拌和物中各因素（水灰比、砂漿體積、含氣量、坍落度、粗骨料形狀尺寸與用量、粉煤灰等）對泵送性能（易泵性）影響，并與真實(shí)泵送結(jié)果對比。“試驗(yàn)機(jī)”測試混凝土，得到結(jié)果與真實(shí)泵送測試結(jié)果的相關(guān)性不強(qiáng)，但這項(xiàng)研究從真實(shí)泵送獲得大量有價(jià)值數(shù)據(jù)，用于了解和分析多種因素對“易泵性”的影響，部分結(jié)果見圖7。一般而言，對于傳統(tǒng)的混凝土拌和物，增大坍落度、增大砂漿體積含量、引氣、使用粉煤灰和使用相對大的最大骨料粒徑（Dmax），均有助于降低泵送阻力，改善混凝土易泵性。然而，所有這些影響易泵性的因素，只能在一定的、適宜的范圍內(nèi)變化或進(jìn)行優(yōu)化（第2.3節(jié)中詳細(xì)說明）。

瑞典Johansson和Tuutti[7]試驗(yàn)測試了粉狀材料含量、粗骨料含量、工作性（坍落度）等對泵送壓力的影響（可泵性與易泵性），獲得結(jié)果包括：粉狀材料含量（水泥＋粒徑小于 0.25mm砂）460kg/m3，坍落度在10cm~15cm，泵送壓力最低；最大骨料粒徑（Dmax）小，最佳粗骨料（> 8mm）含量相對較小，參考圖8。

圖8 混凝土的（a）粉料含量、（b）粗骨料含量和（c）工作性對泵送壓力（易泵性）的影響[7]

圖9 Gu llfaks C海上石油平臺施工[8]

上述“泵送性能”的研究，均是在上世紀(jì)七十年代開展的，研究的混凝土拌和物也代表當(dāng)時(shí)的混凝土組成和性能特征。到八十年代，高效減水劑開始推廣應(yīng)用，高強(qiáng)混凝土（C60~C120）開始在工程上應(yīng)用。例如，挪威在1987~1988年建造新一代混凝土結(jié)構(gòu)的海上石油鉆井平臺Gullfaks C時(shí)，為順利澆筑這種密集配筋、高聳混凝土結(jié)構(gòu)，要求混凝土拌和物具有高施工性能，即高泵送性能和高工作性（坍落度22cm~25cm）。高泵送性能要求體現(xiàn)在：（1）不能發(fā)生堵管，因?yàn)楸霉苡谰眯月裨诨炷两Y(jié)構(gòu)中，很難清理疏通；（2）最大泵送距離為水平150多米加垂直180米（見圖9），需要混凝土具備良好的易泵性。在施工Gullfaks C平臺底部的油倉結(jié)構(gòu)時(shí)，水平泵送的泵壓常常高達(dá)250~270巴（約25MPa~27MPa），部分原因是骨料級配不良。為確保4個高180m圓筒柱順利施工，預(yù)先開展了大量模擬泵送試驗(yàn)，優(yōu)化和確認(rèn)混凝土拌和物的泵送性能。模擬泵送采用350米（水平300m、垂直50m管線，含30多個彎頭）的試驗(yàn)管線，實(shí)測不同混凝土的泵送壓力，結(jié)果顯示：2%左右的硅灰替代水泥，能顯著改善泵送性能。一方面，硅灰提高了混凝土的穩(wěn)定性或粘聚性，使高流動度（坍落度26cm~27cm）拌和物幾乎沒有泌水離析；另一方面，硅灰有潤滑作用，將泵送壓力降低15%~30%[8,9]，顯著提高泵送效率，參考圖10。得益于充分的準(zhǔn)備工作，Gullfaks C平臺滑模施工的4個圓筒柱，4萬方C65混凝土在50天中連續(xù)、高效、順利地泵送和澆筑完成，每天滑模澆筑速度達(dá)到3m~4.5m。其中發(fā)生幾次堵塞，但均是“機(jī)械性”原因，如泵、管線接頭、閥的問題。施工過程發(fā)現(xiàn)，由于原材料質(zhì)量波動（主要是粗骨料級配波動）允許調(diào)整用水量（實(shí)際水灰比在0.44~0.37范圍變化），導(dǎo)致強(qiáng)度有一定波動（28d抗壓強(qiáng)度71MPa~81MPa），但加水量的變化沒有明顯影響混凝土拌和物的工作性和泵送性能，表明少量（2%）硅灰顯著降低了拌和物對水的敏感性。該工程中在350m模擬泵送管線和實(shí)際泵送施工中，引氣混凝土的表現(xiàn)均不符合常規(guī)，其一：引氣（約4.5%）使泵送壓力有小量增大，降低了易泵性（見圖10）；其二：引氣混凝土含氣量經(jīng)過泵送不降反增。當(dāng)時(shí)開展試驗(yàn)分析，但未能確定混凝土引氣后“反?！北憩F(xiàn)的原因?？梢?，“引氣”并不總能改善易泵性。

圖10 Gu llfaks C工程350m試驗(yàn)管道實(shí)測硅灰對無引氣和引氣C 65混凝土泵送壓力（易泵性）的影響[9]

Gullfaks C平臺工程后，低摻量硅灰常作為“助泵劑”使用。從流變性上分析，低摻量硅灰（占膠凝材料5%以內(nèi)）可以降低混凝土拌和物的粘度，因此能改善易泵性（參考本文圖22）。

到九十年代，聚羧酸（高性能）減水劑開始推廣應(yīng)用，自密實(shí)混凝土（SCC）也真正在工程上應(yīng)用。進(jìn)入本世紀(jì)，泵送施工所涉及的混凝土種類越來越多樣（包括普通工作性、高工作性和自密實(shí)混凝土，也包括低、中、高強(qiáng)度等級混凝土）；混凝土原材料種類越來越多（減水劑就包括普通、高效、高性能產(chǎn)品，礦物摻和料品種增加且普遍應(yīng)用，出現(xiàn)新品種外加劑如增粘劑、保水劑等）；原材料（包括骨料、水泥、礦物摻和料、減水劑等）的質(zhì)量和性能的差異性越來越大。因此，現(xiàn)在影響混凝土泵送性能的因素更加多元和復(fù)雜，往往很難再依靠經(jīng)驗(yàn)作出判斷或發(fā)現(xiàn)潛在問題。

減水劑能夠改善混凝土拌和物的工作性，一般也能改善泵送性能（減小流動阻力或泵送壓力），但如果使用不當(dāng)，減水劑也可能增大混凝土拌和物泌水、泌漿或離析，導(dǎo)致堵泵堵管。自密實(shí)混凝土具備高工作性和穩(wěn)定性，但如果拌和物的穩(wěn)定性（抗離析能力）是依靠增粘劑提高粘度來實(shí)現(xiàn)的，流動阻力會較高，易泵性并不好。圖10顯示迪拜哈利法塔（Burj Khalifa）工程泵送C80和C60混凝土，實(shí)測泵送不同高度時(shí)的泵送壓力。至346m高度時(shí)，將C80混凝土粗骨料最大粒徑（Dmax）從20mm減小為14mm，泵送壓力有明顯的降低。蘇廣洪等[10]在廣州西塔工程施工中，“通過減小粗骨料最大粒徑、適量使用硅灰這兩項(xiàng)措施，明顯降低了泵送壓力，解決了西塔低強(qiáng)度等級（C35~C60）混凝土在超高泵送過程中易離析、泵壓波動較大的難點(diǎn)”。現(xiàn)代混凝土拌和物，減小Dmax可改善易泵性，這與傳統(tǒng)混凝土不同（參考圖7e和8b）。

圖11 哈利法塔（Bu rj Khalifa）工程泵送C 80和C 60混凝土至不同高度時(shí)的泵送壓力－最高壓力接近200巴（20MPa），346m以上粗骨料最大粒徑Dmax從20m m更換為14mm[1]

圖12 實(shí)際工程泵送高度50m時(shí)實(shí)測泵壓與混凝土拌和物壓力泌水V 140的關(guān)系[11]

以上所有改善易泵性的經(jīng)驗(yàn)和方法，都是在模擬或施工的真實(shí)泵送過程獲得的。張晏清[11]嘗試建立混凝土泵送壓力與壓力泌水的關(guān)系。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，泵壓與壓力泌水V140之間大致可按80m l分為兩個區(qū)域（參考圖12），V140>80m l，泵壓與V140基本無關(guān)；V140<80m l，隨V140減小泵壓上升。高層泵送時(shí)，當(dāng)V140>110m l，泵壓波動；V140>130m l，容易阻泵。因此，建議泵送混凝土的V140最佳范圍為40m l~110m l（兼顧了可泵與易泵）。逄魯峰等[12]認(rèn)為，對于高性能混凝土（HPC），特別是高強(qiáng)混凝土，由于膠凝材料用量大、細(xì)粉含量高，使拌和物保水性好，壓力泌水一般在較低范圍變化且差異較小，不適合用于評價(jià)可泵性（易泵性）。評價(jià)HPC可泵性（易泵性）的關(guān)鍵在于反映拌和物粘度的變化。他們采用擴(kuò)展度反映拌和物的變形能力（屈服應(yīng)力），倒坍落度筒流空時(shí)間反映粘度。結(jié)合實(shí)際工程施工測試結(jié)果，將HPC拌和物分為不可泵區(qū)、可泵區(qū)（擴(kuò)展度50cm以上、流空時(shí)間3~23秒）和可泵性良好區(qū)（擴(kuò)展度54cm以上、流空時(shí)間3~17秒）（這里的“可泵”應(yīng)該是“易泵”）。這兩種試驗(yàn)評價(jià)“易泵性”的方法，屬于定性或半定量判斷，可作為配制“易泵”混凝土的參考。

如今，影響泵送性能的因素越來越多元和復(fù)雜，測試與分析各因素的影響，半定量試驗(yàn)敏感性和準(zhǔn)確性不足，真實(shí)泵送的試驗(yàn)規(guī)模和成本又過高。因此，非常需要簡單科學(xué)的測試評價(jià)手段。近十來年，這方面的研究與探索取得了很大進(jìn)展（見第5節(jié)）。

2.3 配制泵送混凝土基本要求（圖表經(jīng)驗(yàn)法）

1977年W.G. Anderson[13]將配制泵送混凝土的要點(diǎn)或特征總結(jié)為“10條”，并制成圖表（詳見表1和圖13），用于指導(dǎo)泵送混凝土配制，分析和檢查所使用原材料和配合比是否符合經(jīng)驗(yàn)的要求。這“10條”是大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和應(yīng)用表1和圖13的說明，也是混凝土拌和物獲得良好泵送性能“平衡兼顧”的基本原則，至今仍然有很高的參考價(jià)值，因此簡要介紹如下[13]：

（1）粗骨料（CA）／總骨料（TA）的體積比（CA/TA）：一般在50%～65%（砂率50%~35%）范圍，宜根據(jù)最大骨料粒徑（MSA，即Dmax）和砂細(xì)度模數(shù)（FM）具體確定。

圖13 泵送混凝土的骨料級配[13,14]

表1 配制泵送混凝土分析檢驗(yàn)項(xiàng)目[13]

·CA/CT比低于50%（體積砂率大于50%），拌和物可能也是可泵的，但需要更多的水和粉料潤滑由于細(xì)骨料（FA）較多而增大的表面積。

·如果其它的指標(biāo)是最優(yōu)的，CA/CT比達(dá)到65%（體積砂率低至35%）也是可泵的。最大骨料粒徑（MSA）較大、骨料粒形較好（圓角）并且細(xì)骨料（FA）的細(xì)度模數(shù)（FM）較小，CA/CT可以比較接近65%，因?yàn)檩^大MSA和圓角顆粒需要潤滑的表面積較??；較大MSA使總骨料級配范圍增大，有助于減小骨料間空隙體積；FA的FM值小，表明填充空隙的平均粒徑較小。

·普通混凝土的粗、細(xì)骨料，因?yàn)楸戎叵嗨?，配制可以用重量?jì)算CA的比例。但對于比重不同的骨料，如輕骨料混凝土，必須計(jì)算骨料的體積比。

（2）細(xì)骨料（FA）的細(xì)度模數(shù)（FM）：對于普通砂，F(xiàn)M應(yīng)在2.4~3.0范圍；對于輕質(zhì)FA，建議FM在2.2~2.8范圍。FM是在4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.60mm、0.30mm和0.15mm（4＃、8＃、16＃、30＃、50＃和100＃）篩篩余的加權(quán)平均顆粒尺寸。

·雖然較細(xì)的砂需要相對多的水實(shí)現(xiàn)流動性，但粗的砂會增大泌水和離析的趨勢。

（3）細(xì)骨料（FA）累計(jì)通過0.30mm和0.15mm篩比例：0.30mm篩的通過率應(yīng)在15%~30%范圍；0.15mm篩的通過率應(yīng)在5%~10%范圍。水泥中超過213kg/m3的部分，或同類細(xì)度的粉狀材料，應(yīng)計(jì)入FA通過0.30mm篩的這部分。

·如有額外的細(xì)粉，可將其重量除以總骨料（TA）重量，得到額外細(xì)粉百分含量，計(jì)入到FA的0.30mm和0.15mm篩通過率中，然后檢驗(yàn)是否符合推薦范圍。

（4）水泥或同類細(xì)度粉狀材料：通過0.075mm（200＃）篩的材料應(yīng)不少于213kg/m3。

·有些同類細(xì)度材料（如粉煤灰），因?yàn)榫哂邢鄬ζ交砻婧洼^圓粒形，與泵送管線的摩擦力比水泥低。

·水泥用量中超過213kg/m3部分，應(yīng)計(jì)入FA的0.30mm和0.15mm篩通過率中（見第3條）。

（5）骨料級配：粗細(xì)骨料組合的級配曲線應(yīng)符合圖13要求。

·經(jīng)驗(yàn)表明，在最大與最小篩尺寸之間，如果粗細(xì)骨料組合的級配曲線接近直線，混凝土拌和物較容易泵送。

·如果級配曲線是鋸齒（折線）狀，或某部分低于經(jīng)驗(yàn)的界限，則混凝土拌和物屬于“勉強(qiáng)”可泵或完全不可泵。

（6）坍落度：適宜泵送的坍落度在5cm~15cm范圍。

·更低的坍落度會增大泵送管線的摩擦阻力和阻礙流態(tài)的形成；更高坍落度則會增大拌和物在管線中離析趨勢。

（7）含氣量：最佳引氣量為3~5%，可以抑制泌水、改善工作性和泵送性能。

·引氣量超過6%或7%，拌和物的可壓縮性過高，會加劇泵送管道中壓力的波動。

（8）骨料飽水狀態(tài)：普通骨料的吸水率通常在0.5%~4%。以飽和面干狀態(tài)調(diào)整和計(jì)量骨料重量，配制的混凝土拌和物經(jīng)過泵送的坍落度損失較小或沒有損失。

·輕骨料內(nèi)部孔隙的吸水量，最高可達(dá)到自身重量的50%，在泵送壓力作用下可導(dǎo)致拌和物失去流動性而不可泵送。自然吸水狀態(tài)的輕骨料，在使用前應(yīng)噴水潤濕堆場全部骨料2~3天，使吸水率至少達(dá)到ASTM試驗(yàn)的24小時(shí)吸水率。

·如果在泵送壓力作用下，吸水輕骨料還有殘余吸水能力，則可能需要輔助措施使骨料達(dá)到更高的“預(yù)吸水率”。真空或熱飽和吸水的輕骨料，在這類處理過程吸水接近完全飽和。這樣，輕骨料從拌和物吸水的能力很小或沒有。以體積計(jì)量配制的輕骨料混凝土，泵送性能與普通混凝土相似。

（9）骨料形狀：

·與多角不規(guī)則骨料（碎石、機(jī)制砂）相比，天然圓角骨料（卵石、天然砂）的比表面積較小，泵送需要的水和粉料較少。破碎形成的不規(guī)則骨料，在泵管中容易產(chǎn)生互鎖作用。使用碎石粗骨料（CA）配制的混凝土拌和物一般是可泵的，但如果細(xì)骨料（FA）也是破碎砂（機(jī)制砂），泵送常常會出問題或完全不可泵。將機(jī)制砂與少量天然砂混和使用，一般能夠改善泵送性能。

·最大骨料粒徑（MSA），碎石骨料應(yīng)不超過管道直徑的33%，卵石骨料不超過管道直徑的40%。MSA定義為：所有骨料都能夠通過的最小篩孔尺寸。

（10）外加劑：

·如第7條所述，使用引氣劑有利于改善泵送性能。

·一般而言，所有能改善拌和物工作性的外加劑，如減水劑、細(xì)礦物外加劑、水溶性聚合物，也能改善泵送性能。泵送過程中斷較長時(shí)間，促凝類外加劑可能增大堵管的風(fēng)險(xiǎn)。這里不討論外加劑的影響，但每種外加劑均應(yīng)看作改善或降低泵送性能的因素。

·近年來（1977年時(shí)），泵送外加劑已經(jīng)用于降低混凝土拌和物在管道中流動的阻力。市場上也有“超塑化劑”（高效減水劑）供應(yīng)，改善混凝土粘聚性、稠度或粘度，提高泵送性能和工作性。

遵循Anderson總結(jié)的上述原則，特別是按圖13要求選擇和優(yōu)化骨料級配，是獲得混凝土優(yōu)良可泵性的基礎(chǔ)?，F(xiàn)代混凝土與七十年代差異較大的方面，是普遍使用高效和高性能（聚羧酸）減水劑和普遍使用礦物摻和料，并且種類增多。正如第10條所述，“每種外加劑（和摻和料）均應(yīng)看作改善或降低泵送性能的因素”，可以采用本文第5、6章介紹的方法測試和評價(jià)。

3 混凝土拌和物在泵管中流動狀態(tài)與潤滑層研究

傳統(tǒng)上認(rèn)為，在泵壓作用下，混凝土拌和物在管道中是以“活塞式”滑動方式流動（plug flow，見圖14a），即中間部分呈圓柱狀移動，在“圓柱”與管壁之間有一個“潤滑層”（lubrication layer），也稱作“摩擦層”（friction layer）或“邊界層”（boundary layer）。法國D. Kaplan認(rèn)為[15]，在低速流動時(shí)（即流量低于Q1），依靠薄層細(xì)砂漿潤滑管壁，混凝土拌和物是“活塞式”滑動，即流動以摩擦流為主（如圖14a所示）；增大流速需要施加更高的泵送壓力，當(dāng)作用于“活塞流”的壓力高到一定程度，所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力超過拌和物的屈服應(yīng)力（τ0），就會產(chǎn)生粘滯流（如圖14b所示），這時(shí)混凝土拌和物是摩擦流與粘滯流兩種方式流動（參考5.2節(jié)）。

圖14 混凝土拌和物在管道中流動的Kap lan模型[15]

Kaplan模型（圖14b）較好地描述了混凝土拌和物在管道中的流動狀態(tài)，更符合現(xiàn)代混凝土特性，因?yàn)楝F(xiàn)在的高流動度和自密實(shí)混凝土的屈服應(yīng)力（τ0）較低，容易形成粘滯流，即泵送管道中有時(shí)同時(shí)有摩擦流和粘滯流。

壓力推動混凝土拌和物在管道中移動，摩擦的作用會使混凝土中的漿體產(chǎn)生遷移，富集在管內(nèi)壁表面形成細(xì)砂砂漿的邊界潤滑層（由水、膠凝材料和外加劑構(gòu)成的凈漿與細(xì)砂組成）?；炷涟韬臀锬軌虍a(chǎn)生合適厚度、穩(wěn)定、連續(xù)的潤滑層，才具有可泵性；潤滑層的潤滑性能優(yōu)劣，即降低摩擦阻力的能力，決定了易泵性高低。近些年，借助一些創(chuàng)新的試驗(yàn)測試方法，對邊界潤滑層的研究與認(rèn)識正在逐步深入。

法國T.T. Ngo等[16]用圓盤和圓柱摩擦儀的鋼與混凝土拌和物界面摩擦產(chǎn)生邊界層，測試分析邊界層的組成。如圖15所示，鋼圓盤貼在新拌混凝土表面旋轉(zhuǎn)（圖15b）或鋼圓柱在新拌混凝土中旋轉(zhuǎn)（圖15c），扭矩（Ω）能定量化反映界面的摩擦阻力。摩擦儀的摩擦狀態(tài)與泵送有一定差異，但可以作為間接測試方法，分析和預(yù)測混凝土拌和物“易泵性”（在5.2節(jié)介紹）。Ngo等用摩擦儀測試不同組成的混凝土，提取和分析摩擦產(chǎn)生的“邊界層”，得到如下主要結(jié)論：

·邊界層為水、水泥和粒徑小于0.25mm的細(xì)砂組成的細(xì)砂砂漿，水灰比與混凝土基本相同。

圖15 ：（a）混凝土—鋼界面摩擦儀，（b）和（c）邊界層（潤滑層、摩擦層）生產(chǎn)與提取方法[16]

·與混凝土中細(xì)砂（< 0.25mm）部分的砂漿相比，邊界層砂漿的細(xì)砂體積含量相對較高，即有細(xì)砂富集。

·混凝土組成的不同，使邊界層厚度在1mm~9mm之間變化。混凝土水泥凈漿含量、水灰比和高效減水劑用量增大，邊界層厚度增大；混凝土細(xì)砂含量增大，邊界層厚度減小。

韓國M. Choi等[17]試驗(yàn)研究了在真實(shí)泵送流動狀態(tài)，混凝土潤滑層的性質(zhì)。試驗(yàn)使用內(nèi)經(jīng)125mm、長度170m水平泵送管道，最后一段管道中安裝有1m長透明塑料管和超聲波測速儀（見圖16），用于測試混凝土拌和物流動過程管內(nèi)同截面上的流速分布。在三種流量（30m3/h、40m3/h和50m3/h）狀態(tài)下，不同混凝土（C40、C50和C60，均含粉煤灰和磨細(xì)高爐礦渣）的測試結(jié)果見圖17。從中可見，三個強(qiáng)度等級的混凝土拌和物在不同泵送流量狀態(tài)下，潤滑層厚度都在2mm左右，表明流量或流速對潤滑層厚度沒有明顯影響。測試所使用的三個強(qiáng)度混凝土，原材料組成相同，配比不同（最大差異是水膠比），故無法顯示和分析混凝土組成對潤滑層的影響。

4 泵送壓力－流速（流量）的關(guān)系

圖16 “真實(shí)泵送”試驗(yàn)水平泵管系統(tǒng)和在線測試管內(nèi)同截面流速分布的超聲波裝置[17]

圖17 在三個流量狀態(tài)下實(shí)測混凝土拌和物在泵管內(nèi)流速分布線[17]

圖18 混凝土流動阻力與流速的關(guān)系[3]

有許多研究，嘗試用流變學(xué)理論建立數(shù)學(xué)模型（包括Kaplan模型），描述混凝土拌和物在管道中的流動和預(yù)測“易泵性”。對于非均質(zhì)、含固液氣三相的混凝土拌和物，用數(shù)學(xué)模型將各種因素對流動的影響定量化，復(fù)雜性和難度非常大。所以，通常“簡化處理”，仍然將流動狀態(tài)看作“活塞流”（見圖14a）。這樣，混凝土拌和物在管道中流動的壓力—流速（或流量）之間，即P/Q關(guān)系，可簡化為近似直線關(guān)系：

（其中：P泵送壓力，Q泵送體積流量）

圖19 三個混凝土拌和物的平均泵送壓力－流量（P/Q）關(guān)系[17]

實(shí)際上，早在上世紀(jì)五、六十年代，實(shí)測的泵送阻力與混凝土流速的數(shù)據(jù)，已經(jīng)顯示出流動阻力－流速（即壓力－流速）之間近似直線關(guān)系。R.D. Browne等[3]將一些數(shù)據(jù)匯總繪制在圖18上。其中，坍落度較?。ǚ謩e為0mm、65mm和75mm）的混凝土，流動阻力－流速的關(guān)系呈略微彎曲線，其它混凝土（坍落度≥75mm）均近似直線。M. Choi等在真實(shí)泵管系統(tǒng)測試泵送壓力與流量數(shù)據(jù)，回歸得到壓力－流量（P/Q）關(guān)系也近似直線，見圖19。該試驗(yàn)的C40、C50和C60混凝土，擴(kuò)展度在600mm~620mm范圍，屬于現(xiàn)代高工作性、自密實(shí)混凝土拌和物。

西班牙O. Rio等[18]在真實(shí)管線上測試不同組成的新拌混凝土，用最小二乘法線性回歸得到壓力－流量（P/Q）關(guān)系，相關(guān)系數(shù)（R2）均超過0.999，詳見圖20。因此，將P/Q關(guān)系簡化為直線，能夠比較準(zhǔn)確地反映真實(shí)泵送狀態(tài)。

O. Rio等還將混凝土拌和物（SR+）放置不同的時(shí)間，坍落度有一定經(jīng)時(shí)損失后，測試泵送壓力與流量，回歸得到的P/Q關(guān)系直線見圖21。從中可見，同一拌和物在不同坍落度狀態(tài)下，P/Q關(guān)系直線接近平行線，即隨坍落度降低，P/Q直線的截距k1增大，但斜率k2沒有顯著變化（參考表2）。這說明，混凝土組成（原材料和配比）固定后，k2是相對穩(wěn)定的數(shù)值。作為P/Q關(guān)系直線的斜率k2，反映了混凝土的泵送阻力，k2低表明泵送阻力相對低，即易泵性好。

同樣不難看出，P/Q直線的截距k1，代表了混凝土拌和物在泵管中開始移動（流動）需要的初始壓力（k1=P0），壓力超過了P0或k1，增大流量需要壓力以k2比例同步增大。所以，k1是評價(jià)“易泵性”的另一個參數(shù)。k1受坍落度影響，但不是線性關(guān)系，因?yàn)閗1的性質(zhì)主要決定于潤滑層。

有了泵送的壓力－流量（P/Q）之間簡單的、近似直線的關(guān)系（P= k1+k2·Q），以及參數(shù)k1、k2的物理意義，即k1代表泵送的起動壓力，k2代表泵送阻力，研發(fā)測試易泵性的簡易方法就有了依據(jù)和明確方向—直接或間接地測試混凝土拌和物的k1和k2參數(shù)，但需要體現(xiàn)“拌和物摩擦形成的潤滑層”而不是拌和物本體（實(shí)際上k1與k2分別體現(xiàn)了潤滑層的屈服應(yīng)力和塑性粘度，在本文5.2、5.3節(jié)介紹）。此外，在泵送施工過程，P/Q關(guān)系還可用于在線實(shí)時(shí)檢測混凝土拌和物的變化，作為混凝土質(zhì)量穩(wěn)定性的監(jiān)測手段[18]。拌和物的組成（用水量、水膠比、骨料含量或級配、減水劑摻量等）發(fā)生變化，k1和k2會同時(shí)變化。泵送過程在泵送管線上實(shí)時(shí)測量壓力與流量，同步計(jì)算的k1和k2能實(shí)時(shí)顯示出拌和物是否發(fā)生了變化。

表2 混凝土SR+經(jīng)時(shí)的最小二乘法回歸泵送壓力－流量直線（P = k1 + k2·Q）的k1、k2和R 2值[18]

圖20 平穩(wěn)狀態(tài)下不同混凝土拌和物的泵送壓力－流量（P/Q）關(guān)系[18]

圖21 同一個混凝土拌和物（SR+，w/c=0.46）經(jīng)時(shí)后P/Q關(guān)系的變化[18]

5 “易泵性”試驗(yàn)測試方法

5.1 混凝土流變儀是否適合用于評價(jià)“易泵性”？

具有一定流動性的混凝土拌和物，流變性可用理想化賓漢姆（Bingham）模型（τ0≠0，塑性粘度μ是常數(shù)）描述，即：

τ = τ0+ μ·γ（其中：τ剪切應(yīng)力，τ0屈服應(yīng)力，μ塑性粘度，γ剪切速率）

與傳統(tǒng)評價(jià)新拌混凝土工作性方法（如坍落度、擴(kuò)展度、T50時(shí)間、倒坍落度筒和V形漏斗流空時(shí)間等）相比，流變參數(shù)屈服應(yīng)力（τ0）和塑性粘度（μ）能夠更好地定量描述混凝土工作性，并且物理意義明確。用流變儀測試混凝土的流變性參數(shù)，可以試驗(yàn)分析各種因素影響流變性的方式和強(qiáng)弱（如減水劑、水、引氣、硅灰或其它礦物摻和料等對τ0和μ的影響，參考圖22a），或用于分析確定減水劑、摻和料等適宜摻量范圍。以圖22b為例分析，膠凝材料300kg/m3或400kg/m3時(shí)，要降低混凝土粘度μ，硅灰取代水泥應(yīng)分別不超過4%或5%。

現(xiàn)在，有幾種商業(yè)化供應(yīng)的混凝土流變性能測試儀[20,21]，如圖20所示冰島和法國研制的流變儀，均是“同軸”旋轉(zhuǎn)葉片或葉輪結(jié)構(gòu)（類似“攪拌器”），通過測試不同旋轉(zhuǎn)速率的扭矩反映對混凝土拌和物產(chǎn)生的剪切速率和應(yīng)力，按照賓漢姆模型計(jì)算得到流變參數(shù)τ0和μ。

流變儀為研究、分析和評價(jià)新拌混凝土工作性提供了一種新手段，但不同流變儀的結(jié)構(gòu)和尺寸差異非常大，它們測試得到的數(shù)據(jù)可靠嗎？能真實(shí)反映混凝土工作性嗎？為此，美國ACI 236A“新拌混凝土工作性”委員會組織分別在法國LCPC試驗(yàn)室（2000年）和美國MB試驗(yàn)室（2003年）進(jìn)行了兩次對比試驗(yàn)，結(jié)果表明[20]：幾種流變儀（冰島BML、法國BTRHEOM、法國CEMAGREF-IMG、加拿大IBB和英國Two-Point）測定屈服應(yīng)力和塑性粘度的“絕對值”差異很大，但均能有效評價(jià)這兩個參數(shù)，不同流變儀相互之間的測試結(jié)果也有比較好的相關(guān)性。由此可見，基于賓漢姆模型設(shè)計(jì)的各種流變儀，所測試的流變性參數(shù)（τ0和μ）屬于“相對值”。不同結(jié)構(gòu)和尺寸的流變儀，都能比較敏感地反映不同混凝土拌和物流變性的差異，即能“相對”準(zhǔn)確地測試和評價(jià)混凝土流變性，但只有在同一臺或相同流變儀上獲得的測試結(jié)果，才具有直接可比性。此外，對比分析不同試驗(yàn)方法的數(shù)據(jù)顯示[21]：屈服應(yīng)力τ0與坍落度、擴(kuò)展度之間有較好相關(guān)性；塑性粘度μ與T50之間有一定相關(guān)性。其中的原因在于：與時(shí)間無關(guān)的坍落度、擴(kuò)展度等測試值，反映的是混凝土的屈服應(yīng)力；與時(shí)間相關(guān)的T50、倒坍落度筒或V形漏斗流空時(shí)間測試值，反映的是塑性粘度。

圖22 用冰島混凝土BM L流變儀測試分析（a）各種因素對流變性影響（b）硅灰取代水泥量的影響[19]

圖23 混凝土流變儀[21,22]

法國F. de Larrard等[22]嘗試用混凝土流變儀（圖23b）測試的塑性粘度，建立與泵送阻力的關(guān)系，但效果不佳（相關(guān)性系數(shù)只有0.59）。這種傳統(tǒng)“攪拌器”式的混凝土流變儀，測試的是混凝土拌和物本體的流變參數(shù)，不能顯著體現(xiàn)潤滑層的“摩擦”性質(zhì)或流變性，而潤滑層又來源于混凝土的砂漿，因此混凝土的本體流變性與易泵性之間有關(guān)聯(lián)，但相關(guān)性較弱。也就是說，“單獨(dú)”使用傳統(tǒng)的流變儀，只能半定量評價(jià)混凝土的易泵性。

5.2 圓柱摩擦儀

D. Kaplan等[23]通過大量泵送試驗(yàn)研究和理論分析認(rèn)為：混凝土拌和物在管道中前進(jìn)主要是依靠邊界潤滑層“滑移”（摩擦流，參考圖14a），泵送壓力損失來源于潤滑層的剪切變形（參考圖24）。與管橫截面相比，潤滑層厚度可以忽略，這樣可以將潤滑層看作鋼－混凝土界面，潤滑層剪切應(yīng)力（τi）看作界面摩擦應(yīng)力。泵送壓力與流量（P/Q）的直線關(guān)系說明：摩擦應(yīng)力與壓力無關(guān)，與滑移速率呈直線關(guān)系。因此，可以應(yīng)用賓漢姆模型描述潤滑層，這樣得到泵送界面潤滑層的剪切應(yīng)力（即摩擦應(yīng)力）τi為：

圖24 混凝土在管道中滑移[23]

然后可以推導(dǎo)泵送過程潤滑層屈服應(yīng)力（τ0i）和粘度（μi）分別為：

（其中：P0為P/Q直線的截距k1（巴）；k2為P/Q直線的斜率（巴·h/m3）；R為管半徑（m）；L為管長度（m）；g為重力加速度（m/s2））

根據(jù)以上分析，D. Kaplan等設(shè)計(jì)了測試鋼－混凝土界面摩擦特性的儀器—同軸圓柱摩擦儀，見圖25。該儀器是在圖23b流變儀基礎(chǔ)上，將測試流變的“攪拌器”更換為鋼圓柱筒，用于測試鋼－混凝土界面的摩擦。測試原理為：鋼圓柱在混凝土拌和物中旋轉(zhuǎn)，摩擦在鋼－混凝土界面產(chǎn)生潤滑層后，測量不同旋轉(zhuǎn)速率的扭矩，可以計(jì)算得到潤滑層屈服應(yīng)力τ0i和塑性粘度μi。

圖26是用真實(shí)泵送測試數(shù)據(jù)與摩擦儀測試數(shù)據(jù)，計(jì)算得到潤滑層τ0i和μi的結(jié)果對比。測試36組不同混凝土拌和物，兩種方法得到的μi緊靠x = y直線，一致性較強(qiáng)（圖26a）；τ0i的離散性較大，但仍能得到擬合直線x = y。這表明，用同軸圓柱摩擦儀測試獲得的結(jié)果，能夠有效反映潤滑層的性能特征，但圖26b說明該儀器或方法對τ0i的敏感性不是很高，可能需要較多的測試量，才能獲得比較準(zhǔn)確的測試結(jié)果。

圖25 同軸圓柱摩擦儀[23]

以“摩擦流”為主的拌和物（參考Kaplan模型，圖14a），用潤滑層參數(shù)τ0i和μi就可以建立壓力－流量（P/Q）關(guān)系（見下面式-3），即τ0i和μi就可以評價(jià)易泵性（分別直接體現(xiàn)k1與k2）。高流動性混凝土（如坍落度超過240mm）一般會同時(shí)出現(xiàn)“粘滯流”（參考圖14b），D. Kaplan等建立的壓力－流量模型采用Buckingam-Reiner模型和方程計(jì)算“粘滯流”部分，得到計(jì)算壓力方程式-4（略去推導(dǎo)過程），這時(shí)除潤滑層流變參數(shù)τ0i和μi外，還需要混凝土拌和物本體的塑性粘度（μ）和屈服值（τ0），即需要結(jié)合使用流變儀和摩擦儀兩個儀器分別（也可以是同一臺儀器分別使用兩種部件）進(jìn)行測試，然后用專門軟件計(jì)算。據(jù)介紹[23]，通過36個真實(shí)泵送測試和3個工地現(xiàn)場測試對比，用兩組參數(shù)τ0i、μi和τ0、μ計(jì)算預(yù)測壓力－流量（P/Q）關(guān)系，驗(yàn)證了這種方法的準(zhǔn)確性。圖27為一個工地現(xiàn)場泵送C60和C35混凝土，實(shí)測與預(yù)測P/Q關(guān)系的對比。

圖26 用真實(shí)泵送測試與圓柱摩擦儀測試數(shù)據(jù)計(jì)算得到潤滑層粘度μi與屈服應(yīng)力τ0i的結(jié)果對比[23]

圖27 C 60與C35混凝土泵送的泵液壓壓力－流量關(guān)系實(shí)測與預(yù)測結(jié)果對比[23]

當(dāng)潤滑層剪切應(yīng)力小于混凝土屈服應(yīng)力（τi≤τ0）時(shí)，Q總=Q摩擦流（總流量等于摩擦流的流量），壓力方程為：

當(dāng)潤滑層剪切應(yīng)力大于混凝土屈服應(yīng)力（τi>τ0）時(shí)，Q總=Q摩擦流+Q粘滯流（總流量等于摩擦流+粘滯流的流量），壓力方程為：

（以賓漢姆流變模型和Buckingam-Reiner粘滯流模型為基礎(chǔ)推導(dǎo)得到上述方程，其中：L泵管長度，R泵管半徑，k填充系數(shù)，μi、τ0i為潤滑層流變參數(shù)，μ、τ0為混凝土本體流變參數(shù)）。

5.3 滑管式流變儀

德國普茨邁斯特（Putzmeister）公司最新研發(fā)的“滑管式流變儀”（Sliding Pipe Rheometer，簡稱Sliper“滑管儀”），采用模擬真實(shí)泵送的狀態(tài)測試壓力與流速，直接獲得評價(jià)易泵性的兩個參數(shù)k1與k2，使易泵性的測試更加科學(xué)簡便?！盎軆x”的結(jié)構(gòu)見圖28，原理為：在滑管中裝入混凝土拌和物插搗密實(shí)，上下移動滑管5~10次使混凝土與管壁之間形成潤滑層；然后提起滑管，在滑管上套加重環(huán)，讓滑管自由落下，同時(shí)在下部活塞頂端測試壓力（P）和滑管落下速率（換算為流量Q）。通過幾次不同配重（最少2次），使滑管以不同速率落下，得到兩組以上P和Q，就可計(jì)算得到k1與k2。

圖28 滑管式流變儀的結(jié)構(gòu)和組成[24]

V. Mechtcherine等[24]介紹，為分析在滑管內(nèi)混凝土是以怎樣的方式流動，即是單純的“滑移”（摩擦流），還是既有“滑移”又有“剪切移動”（粘滯流），用混凝土染色的方法觀察，發(fā)現(xiàn)滑管內(nèi)只有“滑移”。其實(shí)，這很可能是因?yàn)榛軆?nèi)的壓力比較低，不能產(chǎn)生足夠高的剪切應(yīng)力使混凝土產(chǎn)生粘滯流。僅考慮“滑移”的摩擦流，式-2和式-3同樣適合滑管式流變儀?；炷恋撞繙y試壓力（Pt）包含混凝土自重產(chǎn)生的壓力（PH），減去自重部分壓力得到：

圖29 滑管儀測試結(jié)果預(yù)測的壓力－流量與現(xiàn)場泵送管線測試結(jié)果對比[24]

P= Pt·PH= Pt·ρ·g·H = k1+ k2·Q（其中：ρ和H為混凝土密度和高度，g重力加速度）

滑管儀沒有考慮或不足以產(chǎn)生粘滯流，理論上似乎不夠全面。也就是說，滑管儀測試得到的k2等于Kaplan模型的前半段斜率α（流量低于Q1，見圖14b）；如果出現(xiàn)粘滯流（流量超過Q1），k2會降低為β（見圖14b），滑管儀無法體現(xiàn)β。然而，滑管儀模擬了混凝土在泵管中流動，得到的k1、k2直接真實(shí)地體現(xiàn)潤滑層的流動阻力；與圓柱摩擦儀一樣，結(jié)合混凝土本體的流變參數(shù)μ和τ0，也可以用式-4預(yù)測有粘滯流的P/Q關(guān)系。

為驗(yàn)證滑管儀評價(jià)混凝土易泵性的可靠性，德國德雷斯頓技術(shù)大學(xué)進(jìn)行了大量試驗(yàn)對比，圖29是實(shí)際工程使用的普通混凝土（OC）、含粉煤灰普通混凝土（OC-F1）和含粉煤灰自密實(shí)混凝土（SCC-F2），用滑管儀測試結(jié)果預(yù)測P/Q關(guān)系與現(xiàn)場實(shí)測的結(jié)果對比?？梢?，預(yù)測的P/Q關(guān)系相當(dāng)準(zhǔn)確。

圖30 滑管儀測試不同混凝土拌和物P/Q（易泵性）對比[24]

使用滑管儀測試混凝土拌和物的易泵性，研究與分析各種因素對易泵性的影響，就變得簡便易行。V.Mechtcherine等試驗(yàn)對比了水泥品種（CEM II 42.5N和CEM I 42.5R-HS）、粗骨料種類（卵石與碎石）、水膠比（0.60、0.45和0.30）、工作性（擴(kuò)展度F3和F5）、礦物摻和料（粉煤灰和硅灰）對易泵性的影響，測試結(jié)果匯總于圖30。從總體上看，易泵性決定于水膠比，高水膠比拌和物更易泵。按圖30右側(cè)所列的各對比組（每個對比組的拌和物只有一個因素變化，其它完全相同），可以分析單一因素變化對易泵性的影響。從中可見，所使用的兩種水泥易泵性差異不大（對比1號12號）；卵石粗骨料混凝土的易泵性比碎石混凝土稍好（對比1號3號、5號6號）；硅灰改善了易泵性（對比6號7號），但粉煤灰降低了易泵性（對比6號8號）。該試驗(yàn)粉煤灰的結(jié)果反常，不能確定是粉煤灰質(zhì)量的原因，還是在低水膠比狀態(tài)下粉煤灰的潤滑作用不能發(fā)揮出來。

歐洲混凝土標(biāo)準(zhǔn)（EN 206-1）將混凝土拌和物工作性按所用試驗(yàn)方法分為不同等級，按擴(kuò)展度分為F1~F6六個等級，其中F3等級擴(kuò)展度為450±30mm、F5等級為590±30mm。工作性（擴(kuò)展度等級F3與F5）對易泵性的影響，可分別對比圖30中三組組成和配比相同但高效減水劑摻量不同的拌和物，即對比①組3號（F3）4號（F5）、② 組8號（F3）11號（F5）和 ③組7號（F3）

10號（F5）。其中，①組的水膠比0.45，F(xiàn)3工作性的3號比F5工作性的4號易泵性稍好；②組的水膠比0.3，二者（8號與11號）的工作性不同，但易泵性沒有明顯差異；③組水膠比0.3且含硅灰，F(xiàn)5工作性的10號拌和物具有明顯更好的易泵性（10號拌和物的高效減水劑用量比7號拌和物多2.3kg/m3或16%）?？梢?，工作性（坍落度或擴(kuò)展度）與易泵性之間沒有明確的關(guān)系。

分別用滑管儀、冰島流變儀（圖23a）和擴(kuò)展度D2（混凝土拌和完成當(dāng)時(shí)測試的擴(kuò)展度為D1，然后再緩慢攪拌15分鐘，測試的擴(kuò)展度為D2）測試各混凝土拌和物，對比不同方法得到的流變參數(shù)和擴(kuò)展度D2發(fā)現(xiàn)：流變儀測試拌和物的塑性粘度（μ）與滑管儀測試潤滑層粘度（μi）之間的線性相關(guān)性非常強(qiáng)（相關(guān)系數(shù)R2=0.99，見圖31a），二者測試的拌和物屈服應(yīng)力（τ0）與潤滑層（τ0i）之間有一般的相關(guān)性（R2=0.72，見圖31b）。顯然，潤滑層的細(xì)砂砂漿來源于混凝土拌和物，二者之間的凈漿組成（水泥、外加劑、水膠比等）基本相同，故潤滑層粘度（μi或k2）與混凝土拌和物粘度密切相關(guān)；在骨料構(gòu)成上，潤滑層與混凝土有較大差異，可解釋二者的屈服應(yīng)力之間只有一般的相關(guān)性。另外，擴(kuò)展度D2與潤滑層屈服應(yīng)力（τ0i）之間的相關(guān)性一般（R2=0.75，見圖31c），但與流變儀測試的拌和物屈服應(yīng)力（τ0）之間有強(qiáng)相關(guān)性（R2=0.94，見圖31d）。由此可見，結(jié)合使用滑管儀和擴(kuò)展度D2，有可能比較準(zhǔn)確地評價(jià)混凝土拌和物的流變參數(shù)μ和τ0。如果圖31a和31d建立的相關(guān)性，得到廣泛大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，則滑管儀和擴(kuò)展度D2就可以替代流變儀簡化試驗(yàn)測試。

圖31 滑管儀、冰島流變儀和擴(kuò)展度D 2測試數(shù)據(jù)的線性相關(guān)性[24]

圖32 為普茨邁斯特公司的滑管儀?；軆x模擬真實(shí)泵送獲得物理意義明確的量化泵送性能參數(shù)，有限的實(shí)際工程泵送測試對比也驗(yàn)證了滑管儀測試結(jié)果的準(zhǔn)確性?；軆x的問世，使試驗(yàn)室定量化測試與分析易泵性影響因素變得可行和可操作，是配制和優(yōu)化泵送混凝土的有效工具。作為一種新試驗(yàn)測試方法，滑管儀應(yīng)該還要經(jīng)歷一個改進(jìn)和完善過程，方便使用操作和提高可靠性，并在大量應(yīng)用的基礎(chǔ)上總結(jié)正確操作方法，有望最終成為一種廣泛應(yīng)用的試驗(yàn)方法。

圖32 普茨邁斯特公司的滑管儀[25]

6 泵送過程混凝土拌和物工作性和流動性損失問題

混凝土拌和物的工作性或流動性（用坍落度、擴(kuò)展度或流變參數(shù)τ0、μ評價(jià)）是一個隨時(shí)間變化的性能。工作性的“經(jīng)時(shí)損失”指混凝土拌和物在動態(tài)（在罐車中慢速攪拌狀態(tài)）或靜止?fàn)顟B(tài)，由于水泥水化消耗越來越多水、化學(xué)外加劑（減水劑、緩凝劑等）作用逐步減弱等原因，受溫度影響、隨時(shí)間延長產(chǎn)生的“不可逆”工作性損失（二次添加水或減水劑攪拌，可部分恢復(fù)工作性）?；炷凉ぷ餍缘慕?jīng)時(shí)損失是正常的過程，需要根據(jù)具體工程特點(diǎn)、澆筑方法、環(huán)境溫度等條件和要求，控制工作性損失的速率，為運(yùn)輸、泵送和澆筑保留足夠長時(shí)間。

然而，現(xiàn)代混凝土拌和物組成與配比、原材料質(zhì)量與性能的變化，如采用低水膠比、應(yīng)用聚羧酸減水劑、應(yīng)用礦物摻和料、水泥細(xì)度增大等等，使其它可導(dǎo)致工作性損失的原因和機(jī)理變的顯著起來。也就是說，現(xiàn)代混凝土拌和物的工作性除有傳統(tǒng)意義上的“經(jīng)時(shí)損失”外，還可能受其它因素作用“加速”工作性損失。泵送過程存在的“加速”因素包括靜置狀態(tài)（無剪切作用）、壓力作用和剪切作用，可導(dǎo)致有些“敏感”混凝土拌和物漿體“增稠”和工作性快速損失?！翱杀谩钡幕炷涟韬臀?，除入泵時(shí)工作性或流動性良好外，還需要具備兩個性能：一是泵送過程因故中斷，停止一段時(shí)間，要能比較容易重新啟動和恢復(fù)“流動”；二是經(jīng)過泵送的拌和物，到達(dá)澆筑部位仍然需要保持良好的工作性。為此，配制泵送混凝土拌和物時(shí)，需要考慮和防止發(fā)生這些“加速”流動性與工作性損失的可能性。

6.1 靜置產(chǎn)生的流動性較快損失

坍落度經(jīng)時(shí)損失的測試方法，一般是將混凝土拌和物盛放在桶中，蓋上蓋防止水分蒸發(fā)損失，靜置0.5、1、2或3小時(shí)等，測試坍落度。如果靜置后，經(jīng)過攪拌再測試坍落度，得到的是“真實(shí)”的不可逆坍落度損失。如果靜置后，直接裝入坍落度筒測試，得到的坍落度損失包含“真實(shí)”損失和“假性”損失?！凹傩浴惫ぷ餍該p失類似于“假凝”，經(jīng)過攪拌是可以恢復(fù)的或可逆的，產(chǎn)生的原因可用“觸變性”（thixotropy）解釋。

觸變性的產(chǎn)生機(jī)理為：拌和物在攪拌的剪切作用下，逐步進(jìn)入顆粒懸浮狀態(tài)，屈服應(yīng)力（τ0）降到最低水平；在靜置狀態(tài)，不受剪切的作用，漿體中顆粒逐漸變?yōu)槟蹱顟B(tài)，屈服應(yīng)力重新升高（參考圖33）?！澳邸保╟oagulation or flocculation）指顆粒之間相互物理性點(diǎn)接觸形成骨架結(jié)構(gòu)，包括早期水化產(chǎn)物對顆粒接觸點(diǎn)的化學(xué)粘結(jié)[26]。化學(xué)粘結(jié)較弱時(shí)，重新施加剪切作用可以破壞點(diǎn)接觸，恢復(fù)顆粒懸浮狀態(tài)而降低屈服應(yīng)力。

圖33 剪切對凝聚顆粒體系作用[19]

低水膠比、含礦物摻和料的“濃顆粒分散體系”混凝土，如果減水劑的分散“效力”不夠強(qiáng)大，漿體顆粒的凝聚速率可能會較高而呈現(xiàn)高觸變性，即處于無剪切靜置狀態(tài)屈服應(yīng)力會較快增長，表現(xiàn)為工作性較快損失（“假性”損失）。M.K. Rahman等[27]研究礦物摻和料對自密實(shí)混凝土（SCC）的觸變性影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示：硅灰（2.5%~7.5%）和石灰石粉（5%~15%）替代水泥，可將漿體的顆粒凝聚速率最高提高約50%；10%粉煤灰替代水泥，則將凝聚速率提高了3.5倍。使用高觸變性SCC澆筑垂直結(jié)構(gòu)，有利于減小對模板作用的側(cè)向壓力，因?yàn)楦哂|變性SCC澆筑流動到位后，靜置較短時(shí)間自身屈服應(yīng)力就快速增長，支撐自重的能力同步增大。

對于泵送混凝土，高觸變性是一個潛在導(dǎo)致堵管的因素，因?yàn)橐坏┰诠艿乐刑幱陟o置（停止）狀態(tài)，高觸變性混凝土即使沒有離析也會因?yàn)榱鲃有該p失大，增大泵送重新啟動和恢復(fù)流動的難度。施工中，泵送開始后一般會盡可能保持混凝土在管道中處于“動態(tài)”（如正、反泵交替或慢速運(yùn)行），但有時(shí)還是會不得不停下來。例如，泵送過程因?yàn)槎鹿芏袛?，需要降壓和拆開管路疏通，管路中的混凝土就會有一段時(shí)間處于靜置狀態(tài)。因此，泵送混凝土需要關(guān)注在靜置狀態(tài)下的工作性損失。最好的檢驗(yàn)方法是將混凝土拌和物裝在坍落度筒內(nèi)靜置0.5或1小時(shí)（避免漏水、漏漿），然后測試坍落度或擴(kuò)展度，這樣測試的工作性損失包含“經(jīng)時(shí)損失”和“觸變性損失”。

6.2 壓力作用導(dǎo)致的工作性損失

有些混凝土拌和物，經(jīng)過泵送到達(dá)澆筑位置，工作性出現(xiàn)較大損失，不僅泵送壓力或阻力增大，也使?jié)矒v工作困難。這樣的混凝土拌和物，流動性在泵管中較快衰減，也屬于不適合泵送或可泵性不良。對壓力或剪切作用比較“敏感”，通常是混凝土經(jīng)過泵送工作性損失大的原因。

泵送壓力導(dǎo)致工作性衰減的常見原因，是有水分被壓入常壓下未充分飽和的骨料，降低了拌和物中的有效水量?；炷凉橇系目紫堵矢呋蛭矢?，如輕骨料混凝土，常容易發(fā)生這樣的工作性（坍落度）損失。壓力作用一般會擠出一些漿體中的氣泡，在一定程度上降低混凝土含氣量和工作性。此外，穩(wěn)定性差的混凝土拌和物，在泵送壓力作用下泌水、泌漿會導(dǎo)致拌和物均勻性降低，使拌和物工作性和泵送壓力波動大，其中有失水或失漿的部分拌和物工作性可能顯著降低。

6.3 剪切增稠現(xiàn)象和導(dǎo)致的工作性損失

如果經(jīng)過泵送，出現(xiàn)了超過“經(jīng)時(shí)損失”和“壓力損失”的工作性損失，則混凝土拌和物的漿體可能有“剪切增稠”（shear thickening）現(xiàn)象—拌和物的表觀粘度隨剪切速率增加而增大（稠度增大、流動性降低）。泵送過程，泵的壓力推動混凝土拌和物在泵管中以摩擦流（和粘滯流）移動（參考圖14），拌和物和潤滑層受到剪切作用，高流速狀態(tài)和經(jīng)過彎管時(shí)會產(chǎn)生更大的剪切作用，低水膠比、高減水劑用量的混凝土拌和物容易發(fā)生“剪切增稠”的問題。

用流變學(xué)描述，在較大的剪切速率范圍，新拌水泥基材料受剪切超過一定速率會發(fā)生兩種情況（見圖34虛線部分）[28]：其一，剪切應(yīng)力和表觀粘度保持直線（仍然符合賓漢姆流變模型，粘度不變）；其二，剪切應(yīng)力和表觀粘度隨剪切速率增大而非線性升高，即出現(xiàn)了“剪切增稠”現(xiàn)象，起始點(diǎn)的剪切應(yīng)力稱作“臨界剪切應(yīng)力”。圖35顯示了一組不同高效減水劑摻量混凝土的表觀粘度與剪切應(yīng)力之間的關(guān)系。在低減水劑用量、低擴(kuò)展度時(shí)，沒有出現(xiàn)剪切增稠現(xiàn)象（也許是剪切速率范圍不夠大）；高減水劑用量、擴(kuò)展度在SCC范圍，出現(xiàn)剪切增稠現(xiàn)象，并且隨減水劑用量增大，剪切增稠行為變強(qiáng)，臨界剪切應(yīng)力則降低。

圖35 含石灰石粉自密實(shí)混凝土拌和物的表觀粘度與剪切應(yīng)力的關(guān)系[29]

水泥凈漿和混凝土流變性試驗(yàn)研究顯示[29-32]，Herschel-Bulkley的粘塑性流變模型可以較好地定量化體現(xiàn)剪切減稠與增稠行為：

τ = τ0+ K·Yn（其中，τ0屈服應(yīng)力，K為稠度，Y為剪切速率，n粘塑性指數(shù)）

當(dāng)粘塑性指數(shù)n<1時(shí)，表明是剪切減稠；n>1，是剪切增稠；n=1，與賓漢姆模型等效。剪切增稠不是水泥基材料獨(dú)有現(xiàn)象，過去針對礦物粉體分散體系有較多研究。“濃分散體系”或固相體積含量較高的分散體系，都有在低剪切應(yīng)力作用下粘度降低（減稠），高剪切應(yīng)力作用粘度升高（增稠）現(xiàn)象（參考圖36）。關(guān)于剪切減稠與增稠的產(chǎn)生機(jī)理，早期用“有序－無序”（orderdisorder）或“剪脹”（shear dilatancy）理論解釋，認(rèn)為：剪切使作用于顆粒的布朗力（Brownian force）以流體動力為主，顆粒形成有序的排列層，流動是剪切作用下多個顆粒層之間的層間流，流動阻力降低，這時(shí)剪切作用降低粘度（減稠）；剪切增稠開始于“有序排列層”消失，即達(dá)到臨界剪切應(yīng)力，剪切作用使顆粒進(jìn)入“無序”狀態(tài)流動，與此同時(shí)固相顆粒占據(jù)體積增大（即產(chǎn)生了“剪脹”效應(yīng)），增大了流動阻力和表觀粘度。臨界剪切應(yīng)力（τc）是顆粒排列“有序”與“無序”的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

圖36 不同固相比例懸浮液的表觀粘度與剪切應(yīng)力的關(guān)系（低剪切應(yīng)力減稠，高剪切應(yīng)力增稠）[29]

近年來的研究認(rèn)為，不一定是“有序－無序”或“剪脹”導(dǎo)致剪切增稠，因?yàn)闆]有測試到剪切誘導(dǎo)的“顆粒有序排列”，同樣發(fā)生了剪切增稠現(xiàn)象。新“團(tuán)聚”（cluster formation）理論認(rèn)為，剪切增稠的產(chǎn)生是高流體動力作用于顆粒，克服了顆粒間的排斥力，暫時(shí)性形成顆?！皥F(tuán)聚”，產(chǎn)生的堵塞作用阻礙了流動。開始發(fā)生“團(tuán)聚”對應(yīng)于臨界剪切應(yīng)力（τc），“團(tuán)聚”是可逆的。高剪切作用下的“團(tuán)聚”現(xiàn)象也得到一些試驗(yàn)的驗(yàn)證[29,32]。此外，還有“顆粒慣性”（grain inertia）理論，認(rèn)為懸浮顆粒之間的慣性動量轉(zhuǎn)移也可以引起剪切增稠。D. Feys等[29]根據(jù)許多相關(guān)研究結(jié)果和自己的試驗(yàn)研究，分析認(rèn)為：“有序－無序”理論適合于單粒級顆粒分散體系；“團(tuán)聚”理論適合于有觸變性的材料，即在靜置狀態(tài)會發(fā)生凝聚的小顆粒分散體系；“顆粒慣性”理論則可以解釋大顆粒對剪切增稠的作用。混凝土的漿體具有觸變性，又含大顆粒（骨料），故存在“團(tuán)聚”和“顆粒慣性”兩種剪切增稠機(jī)理。剪切增稠行為可以用粘塑性指數(shù)（n）和臨界剪切應(yīng)力（τc）描述。n（一般在1~2之間）表示發(fā)生剪切稠化的強(qiáng)烈程度（intensity），n>1則有剪切增稠行為，n越大剪切增稠行為越強(qiáng)烈。τc則顯示是否容易出現(xiàn)剪切增稠現(xiàn)象，越小表明越容易開始和發(fā)生。

近年來，開始重視和研究剪切增稠行為，因?yàn)槌霈F(xiàn)這樣的問題增多，這與低水膠比、使用聚羧酸減水劑、配制使用SCC越來越多有關(guān)。對于凈漿、砂漿和混凝土拌和物，影響剪切增稠的因素比較多，包括水膠比、減水劑品種與用量、水泥品種、礦物摻和料種類和粒徑分布、骨料最大粒徑等。目前，這方面試驗(yàn)研究還有限，得到的結(jié)果包括[29-34]：

·水膠比（或水粉比）降低，可強(qiáng)化剪切增稠行為（參考圖37），但對臨界剪切應(yīng)力（τc）影響不大；

·與傳統(tǒng)高效減水劑相比，聚羧酸（PCE）類減水劑對剪切增稠行為有較大影響，不同分子結(jié)構(gòu)的影響差異性也較大，摻量增加會加劇剪切增稠行為和降低臨界剪切應(yīng)力（τc）（參考圖35、圖37）；

·不同水泥品種的剪切增稠行為差異較大，低熱水泥發(fā)生剪切增稠的可能性或強(qiáng)烈程度均較低（參考圖37）；

·礦物摻和料品種、細(xì)度和級配可能顯著影響剪切增稠行為，其中：

—偏高嶺土?xí)?qiáng)化剪切增稠行為；

—石灰石粉會強(qiáng)化剪切增稠行為，高細(xì)度或粒徑分布較窄有更大的強(qiáng)化作用；

—粉煤灰對剪切增稠有減弱作用或沒有影響；

—硅灰可消除或減弱剪切增稠行為（參考圖37）；

圖37 不同水泥、減水劑、水膠比、含或不含硅灰凈漿的粘塑性指數(shù)（對剪切減稠/增稠的影響）[32]

對于混凝土攪拌和泵送，剪切增稠是一種不良行為特性，嚴(yán)重的話可導(dǎo)致攪拌或泵送無法進(jìn)行。因此，配制泵送混凝土應(yīng)盡可能避免或減弱拌和物的剪切增稠行為。目前，研究剪切增稠行為一般使用凈漿粘度計(jì)或混凝土流變儀。簡單的檢驗(yàn)方法，可在混凝土正常攪拌完成后，再延長攪拌時(shí)間或快速攪拌，觀察拌和物的工作性是否因延長攪拌或快速攪拌而降低。

如今雖然對混凝土剪切增稠行為還沒有研究透徹，但現(xiàn)有結(jié)果也可以為工程應(yīng)用提供有效指導(dǎo)。大多數(shù)情況下，有顯著剪切增稠行為的混凝土，更換減水劑或水泥就可以避開問題。在泵送過程，如出現(xiàn)剪切增稠問題（泵壓隨流量提高而非線性增大、出泵管混凝土工作性損失大），應(yīng)降低泵送速率，使泵送產(chǎn)生的剪切應(yīng)力低于臨界應(yīng)力（τc）。剪切增稠升高的“稠度”是可逆的，在低于τc的剪切應(yīng)力作用下（以低速率泵送），“稠度”會恢復(fù)到未“增稠”前?！霸龀怼焙蟮幕炷脸隽吮霉?，沒有了低于τc的剪切應(yīng)力作用，損失的流動性或工作性就只有通過振搗可恢復(fù)。

7 泵送混凝土配制要點(diǎn)和泵送性能測試與確認(rèn)方法

正如余成行等[35]指出：“泵送失敗的兩個主要原因是摩擦阻力大和離析”。配制泵送混凝土，除滿足硬化性能（耐久性、強(qiáng)度等）的要求外，需要具備好的泵送性能，既要可泵又要易泵。實(shí)現(xiàn)可泵性的核心是控制住“離析”，提高易泵性則是盡可能地減小“摩擦阻力”，在原材料選擇、組成和配合比設(shè)計(jì)時(shí)要平衡兼顧，需要關(guān)注的要點(diǎn)總結(jié)如下：

·粗、細(xì)骨料：良好的骨料級配是控制離析的關(guān)鍵，也是獲得優(yōu)良易泵性的基礎(chǔ)。泵送混凝土骨料級配要求參考圖13，連續(xù)且轉(zhuǎn)折平緩的級配曲線最佳。粗骨料最大粒徑（Dmax）宜小于泵管直徑的1/4。普通細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)宜介于2.4~3.0，應(yīng)含一定比例細(xì)砂（粒徑小于300μm的比例宜在15%~30%范圍，小于150μm比例宜在5%~10%范圍，結(jié)合膠凝材料用量確定適宜細(xì)砂比例），有助于拌和物的“保水”和在泵管中摩擦形成潤滑層。使用機(jī)制砂時(shí)，最好能與部分天然砂混和使用。需要關(guān)注和檢驗(yàn)骨料的飽和面干吸水率在常壓與真空（或壓力）狀態(tài)下的差異，防止拌和物流動性對泵送壓力“敏感”。

·細(xì)粉材料與砂漿含量：控制離析和提供潤滑，泵送混凝土需要有一定的細(xì)砂漿體積含量，最小需要量與骨料級配和Dmax相關(guān)。經(jīng)驗(yàn)顯示[25]，如果Dmax= 32mm，水泥用量宜不小于240kg/m3（以水泥密度3.15計(jì)算折合體積含量約76升/m3，含礦物摻和料的膠凝材料，總體積應(yīng)不低于該體積含量）；粒徑小于0.25mm（或0.30mm）的細(xì)粉料（水泥+細(xì)砂）宜不小于400kg/m3（以砂密度2.65計(jì)算折合體積含量約136升/m3）；總砂漿體積含量宜不小于450升/m3。

·膠凝材料與減水劑：控制離析的另一重要方面是使用保水性好的水泥或膠凝材料，并且與選用的減水劑之間有良好的相容性或適應(yīng)性。保水性決定于顆粒表面的親水性、吸附水能力和總表面積，水泥和礦物摻和料的礦物組成、細(xì)度（比表面積）不同，保水性會有較大差異。減水劑對水泥或膠凝材料的分散效果、有效作用時(shí)間，以及對漿體粘稠度影響，也會顯著影響泵送性能。應(yīng)通過泌水率、滯后泌水率（拌和物放置1~2小時(shí)的泌水率）、工作性和經(jīng)時(shí)損失、剪切增稠等試驗(yàn)，檢驗(yàn)水泥或膠凝材料的保水性，以及與減水劑組合的適應(yīng)性。

·泵送性能的改善和優(yōu)化：混凝土拌和物是含系列尺寸和不同密度固體顆粒的懸浮分散體系，降低粘度（μ）和稠度（τ0）一般會增大離析趨勢或降低穩(wěn)定性。上述對骨料級配、細(xì)粉與砂漿含量、膠凝材料保水性和減水劑相容性的要求，主要為了控制泌水和漿骨離析。改善泵送性能，是在保證穩(wěn)定性（不離析）的前提下，降低粘度和稠度（減小泵送阻力），即在不犧牲粘聚性的條件下降低粘稠度。例如，加水可降低粘稠度，但也會降低粘聚性或增大離析，反而可能降低可泵性。利用氣泡、硅灰、粉煤灰等的“滾珠潤滑”作用，可以降低粘度（μ，參考圖22），同時(shí)不降低或能提高混凝土拌和物的粘聚性。因此，引氣、使用硅灰或原狀粉煤灰通常是改善泵送性能的有效方法。有些新型外加劑，如粘度調(diào)節(jié)劑、纖維素類保水劑或穩(wěn)定劑等，能有效提高拌和物的粘聚性和穩(wěn)定性，同時(shí)不顯著增大粘度，也適合于改善泵送性能。使用“摩擦儀”或“滑管儀”測試和定量化各種因素對易泵性的影響，可以方向明確地優(yōu)化泵送混凝土的組成和配比。使用簡單的試驗(yàn)方法，應(yīng)結(jié)合反映稠度的擴(kuò)展度（或坍落度）和反映粘度的T50（或倒坍落度筒流空時(shí)間）半定量測試，可以粗略判斷改善易泵性的方向。

·可泵性試驗(yàn)測試與評價(jià)：用工作性（坍落度或擴(kuò)展度）和工作性經(jīng)時(shí)損失測試判斷基本可泵性；用泌水率試驗(yàn)，包括140s常壓泌水率（參考圖6）、1h和2h小時(shí)滯后常壓泌水率（是否顯著增大），或10s和140s壓力泌水率（參考圖4b），判斷拌和物的抗離析能力?，F(xiàn)代混凝土拌和物在靜置狀態(tài)或受壓力、剪切作用，有發(fā)生流動性或工作性快速損失的可能性，并可能導(dǎo)致可泵性不良或泵送失敗。因此，在泵送混凝土配制與優(yōu)化階段，還應(yīng)增加測試混凝土工作性對靜置、壓力和高剪切作用（高速攪拌）的敏感性，全面確認(rèn)可泵性。

·易泵性試驗(yàn)測試與評價(jià)：使用“摩擦儀”或“滑管儀”測試，用P/Q關(guān)系的參數(shù)k1與k2分析和評價(jià)（參考圖30）。

結(jié)語

實(shí)現(xiàn)泵送施工的順利進(jìn)行，需要做好混凝土泵送性能、泵送工藝和質(zhì)量穩(wěn)定性三個方面工作。首先，配制的混凝土拌和物須具備良好的可泵性和易泵性，并得到全面的試驗(yàn)測試與確認(rèn)；其次，需要泵送設(shè)備選型、管線布置、泵送工藝流程與方法科學(xué)合理，避免機(jī)械性原因誘導(dǎo)堵管或泵送中斷，重視避免潤滑和清洗管道時(shí)發(fā)生堵管；此外，需要良好的原材料質(zhì)量和混凝土生產(chǎn)質(zhì)量控制，保證混凝土泵送性能的穩(wěn)定性。

現(xiàn)有的泵送性能（可泵性與易泵性）試驗(yàn)室測試與評價(jià)方法，基本上可以系統(tǒng)性地指導(dǎo)泵送混凝土配制、性能優(yōu)化與性能確認(rèn)。然而，在可泵性試驗(yàn)與評價(jià)方法方面，還需要進(jìn)一步完善，需要更多試驗(yàn)研究和統(tǒng)計(jì)分析，提高現(xiàn)有泌水指標(biāo)測試評價(jià)方法的可靠性或發(fā)展新的方法。例如，采用常壓與壓力泌水試驗(yàn)評價(jià)抗離析性能，兩種方法哪個更好？是否適用于低水膠比混凝土？我國的壓力泌水率指壓力作用下10秒與140秒泌水量之比（Bp或Bv= V10/V140）[36,37]，能否或如何用這個指標(biāo)評價(jià)可泵性？針對混凝土拌和物剪切增稠行為，需要建立相應(yīng)的測試方法，研究在泵送過程發(fā)生剪切增稠的條件等。此外，采用滑管式流變儀（滑管儀）測試易泵性，可靠性需要更多試驗(yàn)對比驗(yàn)證，儀器和試驗(yàn)方法也需要進(jìn)一步完善。在此基礎(chǔ)上，預(yù)計(jì)可以建立起比較完善的試驗(yàn)室測試評價(jià)體系，在大多數(shù)情況下替代真實(shí)泵送，測試與評價(jià)混凝土的泵送性能。

根據(jù)過去長期積累的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合科學(xué)、簡易、完善的泵送性能的系統(tǒng)性測試評價(jià)，配制與生產(chǎn)泵送混凝土將變的容易操作，獲得更好的泵送性能將變的方向明確，泵送施工也將更有保障。

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