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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jì)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(diǎn)，是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)生活安全的重要保障。隨著交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的快速推進(jìn)，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(qiáng)國[1]。分析我國現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)，不難發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代橋梁逐漸向超大跨徑方向發(fā)展。對(duì)于超大跨徑橋梁，橋面板自身重力成倍增長，對(duì)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(hù)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(jì)師所青睞。因此，超大跨徑橋梁設(shè)計(jì)使用高強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)混凝土具有塑性黏度大、屈服應(yīng)力低的特點(diǎn)[4]，與普通混凝土相比，相同流速下極易形成粘滯流[5]，進(jìn)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(qiáng)混凝土泵送難度，開發(fā)了一種微納米級(jí)粉體流變改性材料，用以調(diào)控混凝土工作性能，實(shí)現(xiàn)順利泵送施工。

1 試 驗(yàn)

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(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為28%，28 d抗壓、抗折強(qiáng)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(jí)，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(dòng)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(xì)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(jí)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(kuò)展度等試驗(yàn)參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行；擴(kuò)展時(shí)間T500參照J(rèn)GJ/T 283—2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行；倒置坍落度筒排空時(shí)間（簡稱倒筒排空時(shí)間）參照J(rèn)GJ/T 281—2012《高強(qiáng)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行；抗壓強(qiáng)度參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)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(duì)砂漿流變性的影響

調(diào)整減水劑摻量，控制基準(zhǔn)組砂漿流動(dòng)度為（230±10）mm（此時(shí)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(duì)新拌砂漿性能影響。試驗(yàn)配合比如表2所示。

表2 流變改性材料摻量對(duì)砂漿流動(dòng)度影響試驗(yàn)配合比

2.1.1 砂漿流動(dòng)度

根據(jù)表2配合比，試驗(yàn)得到砂漿流動(dòng)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(dòng)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(shí)，流動(dòng)度試驗(yàn)過程中采集的照片。

圖3 流變改性材料摻量為8%時(shí)水泥砂漿流動(dòng)度試驗(yàn)狀態(tài)

表3 流變改性材料對(duì)砂漿流動(dòng)度的影響

由圖3可知，當(dāng)砂漿流動(dòng)度為245 mm時(shí)，砂漿體系較為穩(wěn)定，最終流動(dòng)圓餅形態(tài)完整，表面無浮漿，邊緣無泌水。這說明對(duì)于該配合比而言，其在試驗(yàn)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(duì)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(jì)算得到的砂漿動(dòng)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(duì)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(duì)砂漿的屈服應(yīng)力有一定降低效果，當(dāng)摻量為6%時(shí)，屈服應(yīng)力降低了24%；同時(shí)，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(shí)，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(duì)混凝土工作性能的影響

調(diào)整減水劑摻量，控制基準(zhǔn)組混凝土擴(kuò)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(duì)新拌混凝土工作性能影響，試驗(yàn)配合比如表5所示。

表5 流變改性材料摻量對(duì)混凝土工作性能影響的試驗(yàn)配合比 kg/m3

2.2.1 新拌混凝土的初始工作性

對(duì)于高強(qiáng)混凝土可泵性的評(píng)價(jià)，已有許多研究[6-8]提出了不同的測試方法。本試驗(yàn)結(jié)合相關(guān)資料與現(xiàn)場實(shí)際可操作性，提出用坍落度、擴(kuò)展度、T500和倒筒時(shí)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(shí)新拌混凝土的坍落/擴(kuò)展度試驗(yàn)狀態(tài)。表6為流變改性材料摻量對(duì)混凝土工作性能的影響。

表6 流變改性材料摻量對(duì)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(yàn)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(shí)，基準(zhǔn)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?？梢哉J(rèn)為，在大流態(tài)混凝土中，摻入流變改性材料對(duì)初始坍落度影響不明顯，但仍舊呈輕微的負(fù)面作用規(guī)律。同時(shí)，不摻流變改性材料的新拌混凝土初始擴(kuò)展度為610 mm，摻加2%~10%流變改性材料的新拌混凝土初始擴(kuò)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(kuò)展度，增幅近10%；而一旦摻量超過4%時(shí)，則隨著流變改性材料的增加，新拌混凝土初始擴(kuò)展度有明顯下降的趨勢。

（2）當(dāng)不摻流變改性材料時(shí)，基準(zhǔn)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(shí)，初始擴(kuò)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(shí)，新拌混凝土的T500有明顯縮短，降幅達(dá)33%；而當(dāng)摻量超過4%時(shí)，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(shí)，不摻流變改性材料的新拌混凝土倒桶時(shí)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(shí)間分別為7.8、7.6、8.8、6.8、6.8 s，可以認(rèn)為，摻入流變改性材料可有效降低倒桶時(shí)間。由于倒置坍落度桶試驗(yàn)時(shí)，新拌混凝土流下時(shí)與筒壁之間的摩擦與混凝土泵送運(yùn)動(dòng)時(shí)與泵管內(nèi)壁之間的摩擦極為相似，因此我們認(rèn)為倒桶時(shí)間可作為評(píng)價(jià)新拌混凝土泵送性的主要指標(biāo)。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(shí)工作性

混凝土工作性經(jīng)時(shí)損失也是影響其泵送性與可施工性的關(guān)鍵指標(biāo)之一，本文通過測試不同摻量流變改性材料混凝土經(jīng)時(shí)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(yàn)結(jié)果如表7所示。流變改性材料摻量為10%時(shí)混凝土經(jīng)時(shí)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(shí)2 h的狀態(tài)

表7 流變改性材料摻量對(duì)混凝土經(jīng)時(shí)2 h工作性能的影響

由表7可見：

（1）基準(zhǔn)混凝土（流變改性材料摻量為0）經(jīng)時(shí)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(shí)2 h坍落度分別為240、230、250、230、230 mm?？梢哉J(rèn)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(shí)2 h坍落度。與表6對(duì)比可知，基準(zhǔn)混凝土經(jīng)時(shí)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(shí)2 h坍落度均保持良好且略有增大，其中摻量為6%時(shí)混凝土經(jīng)時(shí)2 h坍落度相比于初始狀態(tài)提高了14%。同時(shí)，基準(zhǔn)混凝土經(jīng)時(shí)2 h的擴(kuò)展度為425 mm，而摻2%~10%流變改性材料的混凝土初始擴(kuò)展度分別為660、620、625、575、500 mm，其中當(dāng)摻量為2%時(shí)，其經(jīng)時(shí)2 h擴(kuò)展度相比于基準(zhǔn)混凝土增幅達(dá)55%，表明摻入流變改性材料可以明顯提高混凝土經(jīng)時(shí)2 h坍落擴(kuò)展度。同時(shí)與新拌混凝土對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，基準(zhǔn)混凝土經(jīng)時(shí)2 h擴(kuò)展度減小了30%；而摻加流變改性材料的混凝土經(jīng)時(shí)2 h擴(kuò)展度均保持良好且略有增大，其中6%摻量時(shí)混凝土經(jīng)時(shí)2 h擴(kuò)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(duì)混凝土有良好的保坍效果。

（2）基準(zhǔn)混凝土的經(jīng)時(shí)2 h擴(kuò)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(shí)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(duì)比可知，摻流變改性材料混凝土經(jīng)時(shí)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(shí)，基準(zhǔn)混凝土經(jīng)時(shí)2 h的倒桶時(shí)間為11.2 s，而摻加2%~10%流變改性材料混凝土的經(jīng)時(shí)2 h倒桶時(shí)間分別為9.8、9.4、5.5、7.3和6.7 s，可以認(rèn)為，摻入流變改性材料可有效縮短混凝土經(jīng)時(shí)2 h的倒桶時(shí)間。且相比于新拌混凝土，可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)流變改性材料對(duì)混凝土泵送性的保持有較好效果，其中摻量為6%時(shí)，混凝土經(jīng)時(shí)2 h倒桶時(shí)間縮短了37.5%。表明流變改性材料的摻入對(duì)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(shí)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(yàn)情況也與此類似。

綜上可知，流變改性材料的摻入，對(duì)新拌混凝土初始坍落度、擴(kuò)展度無提升作用，但對(duì)經(jīng)時(shí)2 h后的混凝土流動(dòng)性有明顯提升。這可能是因?yàn)榱髯儾牧蠟槲⒓{米級(jí)粉體，具有較高的表面能，團(tuán)聚效應(yīng)顯著，在常規(guī)攪拌下難以有效分散，進(jìn)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(duì)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(dòng)性下降。而存放經(jīng)時(shí)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(shí)微納米顆粒表面已經(jīng)被減水劑飽和吸附，進(jìn)而發(fā)揮出其流變改性效果，經(jīng)時(shí)2 h流動(dòng)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(duì)混凝土流變性的影響

2.3.1 抗離析性

在實(shí)際混凝土生產(chǎn)過程中，通過調(diào)整減水劑摻量達(dá)到控制新拌混凝土施工性的目的。因此，試驗(yàn)控制各組混凝土的擴(kuò)展度一致，均為（600±20）mm，分析流變改性材料對(duì)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(rèn)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(píng)價(jià)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(diǎn)處的斜率值；

k'——校核段0.2 r/s點(diǎn)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(jì)算測量前后扭矩的差值，反映其混凝土穩(wěn)定性。一般認(rèn)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(yán)重，混凝土穩(wěn)定性差。

根據(jù)式（2）計(jì)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(rèn)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(xiǎn)。

2.3.2 降黏效果

黏度是反映混凝土泵送性的關(guān)鍵指標(biāo)。一般認(rèn)為，混凝土黏度越大，其泵送時(shí)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(shí)，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(dòng)時(shí)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(jìn)而實(shí)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(duì)其流變曲線進(jìn)行擬合，計(jì)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(shí)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?yàn)橥ㄟ^控制減水劑用量達(dá)到了擴(kuò)展度基本一致的效果，根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)[10]，混凝土擴(kuò)展度與屈服應(yīng)力存在較強(qiáng)相關(guān)性。所以，混凝土擴(kuò)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(shí)，可降低塑性黏度達(dá)74%。表明流變改性材料對(duì)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(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響（見表9）

表9 流變改性材料摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

從表9可見：（1）基準(zhǔn)混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度為56.4 MPa，摻2%~10%流變改性材料混凝土的7 d抗壓強(qiáng)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(qiáng)度；但當(dāng)摻量超過8%時(shí)，則會(huì)造成其抗壓強(qiáng)度輕微下降。（2）對(duì)于28 d抗壓強(qiáng)度，除摻10%流變改性材料混凝土的抗壓強(qiáng)度低于基準(zhǔn)組外，在2%~8%摻量下，混凝土的抗壓強(qiáng)度均無明顯降低。這是因?yàn)榱髯兏男圆牧峡捎行畛淠z凝材料間隙，改善硬化混凝土孔結(jié)構(gòu)，提高其密實(shí)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高強(qiáng)度的效果。由于流變改性材料水化活性不如水泥強(qiáng)，一旦摻量過高，其提高密實(shí)度帶來的強(qiáng)度增強(qiáng)效果不如減少水泥水化產(chǎn)物造成的強(qiáng)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(dòng)度，且有明顯降低砂漿塑性黏度的效果。

（2）流變改性材料會(huì)使新拌混凝土的初始流動(dòng)度有所減小，但可有效縮短混凝土的倒筒時(shí)間；流變改性材料可提高混凝土的經(jīng)時(shí)工作性保持能力，經(jīng)時(shí)2 h坍落度、擴(kuò)展度有明顯提高，T500和倒筒時(shí)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(shí)，可使新拌混凝土的塑性黏度降幅達(dá)73%，顯著提高混凝土的泵送性。

（4）高強(qiáng)混凝土中摻入適量的流變改性材料對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度基本無不良影響。