超高泵送機制砂自密實混凝土配制技術*

任強，袁政成，蔣正武，孫旭軍，劉大陰，尹育萬

（1. 同濟大學先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海 201804；2. 中鐵二局集團建筑公司，四川 成都 610031）

超高泵送機制砂自密實混凝土配制技術*

任強1，袁政成1，蔣正武1，孫旭軍2，劉大陰2，尹育萬2

（1. 同濟大學先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海 201804；2. 中鐵二局集團建筑公司，四川 成都 610031）

試驗研究了膠凝材料組成與配合比參數對超高泵送高強機制砂自密實混凝土流變性能和力學性能的影響，通過配合比基本參數優化、礦物摻合料復摻、機制砂改性和外加劑優化等配制技術，配制出坍落度大于265mm、擴展度大于 650mm、倒坍落度筒流出時間在 5s 內、2h 坍落度零損失、抗壓強度等級達到 C90～C100 的超高泵送高強機制砂自密實混凝土。

機制砂；自密實混凝土；配制技術

0 引言

近些年隨著超高層建筑的增多，超高泵送混凝土技術因其施工效率高、質量好被廣泛應用，并且超高泵送施工的建筑結構通常采用高強自密實混凝土。超高泵送高強自密實混凝土因其具有減輕結構自重、降低施工能耗、提高結構耐久性等優異性能，已被應用于國內工程項目[1-3]，取得了良好的效益。

砂作為混凝土主要原材料之一，受自然資源與運輸的限制，是一種短期不可再生資源。我國不少地區的天然砂資源已經用盡，以河砂為主的天然砂已經無法滿足工程建設的需求。另外，不規范采挖天然砂資源情況的出現，嚴重影響了生態環境[4]。因此采用機制砂替代河砂配制混凝土，是混凝土可持續發展的必然趨勢[5]。

機制砂混凝土因機制砂石粉含量高、粒形不規整、表面粗糙等特性，性能與普通混凝土存在較大差異[6]，并且在泵送過程中容易發生堵管，可泵性較差，有待進行更深的研究[7]。目前對于機制砂混凝土的研究大多基于普通混凝土的研究與制備[8-10]，關于超高泵送高強機制砂自密實混凝土的研究較少[11]。

本文根據配合比設計優化理念，提出了配合比基本參數優化技術、礦物摻合料復摻技術、機制砂改性技術與外加劑改性技術，研究了超高泵送 C90～C100 機制砂自密實混凝土的工作性與力學性能。

1 試驗部分

1.1 原材料

本文選用水泥為 P·O52.5 級貴州海螺盤江水泥，基本性能參數如表 1 所示。礦物摻合料選用貴州三和環保新材料有限公司生產的硅灰 SF、貴州名川粉煤灰有限公司生產的超細粉煤灰 UFA。混凝土外加劑選用貴州中興南友生產的聚羧酸高性能減水劑（ZX），其中減水劑組分與保坍劑組分以 4∶3 比例復配成 20%固含量的外加劑（計算用水量忽略其中的水），保坍劑為聚醚類，緩凝劑選用葡萄糖酸鈉；巴斯夫外加劑（BASF），其中 RHEOPLUS417 減水劑（固含量50%）∶RHEOPLUS 保坍劑（固含量 50%）=5∶1 復配成 20% 固含量的外加劑；試驗還選用中興南友消泡劑作為輔助外加劑，降低混凝土含氣量。以上外加劑摻量均以膠凝材料質量計，并且為純固摻量。

機制砂選用中國水利水電第九工程局有限公司生產的風選砂（MS1），二區連續級配；鼎鑫砂石廠通過普通的干法生產的機制砂—鼎鑫砂（MS2），一區連續級配；貴州雙越磐石建材科技有限公司生產通過濕法生產加工的水洗砂（MS3），一區連續級配。三種機制砂主要性能參數見表 2。粗骨料選用輝綠巖，最大粒徑 16mm，通過緊密堆積獲得最佳粗骨料級配的不同粒徑骨料質量比為 m4.75～9.5mm∶ m9.5～16mm=50∶50，堆積密度1.66g/cm3。

表 1 水泥基本性能參數

1.2 試驗方案

試驗通過水膠比、砂率、膠材用量等配合比參數對機制砂自密實混凝土性能的影響，優化設計混凝土配合比基本參數（試驗配合比如表 3 所示），并結合礦物摻合料的優化與復摻技術（試驗配合比如表 4 所示），制備滿足超高泵送性能要求的 C90～C100 機制砂高性能混凝土。

表 2 機制砂性能參數

表 3 混凝土配合比基本參數優化技術配合比

表 4 混凝土性能優化技術配合比

1.3 試驗方法

自密實混凝土拌合物的工作性能主要包括填充性、間隙通過性以及抗離析性能[12]。本試驗結合國內外學者常用方法[13-15]，工作性測試按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行，主要采用坍落度、坍落擴展度和倒坍落度筒流出時間（DTISC）對拌合物性能進行評價，輔以容重和含氣量的測定。

機制砂自密實混凝土（MS-SCC）試樣制備為邊長150mm 的立方體試件，拆模后放入溫度 (20±3)℃，相對濕度≥95% 的標準養護室中養護。混凝土抗壓強度測試按照 GB/T 50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》規定的方法進行。

2 試驗結果與分析

基于緊密堆積和高性能混凝土配合比設計方法，在前期大量試驗的基礎上，得到了超高泵送高強機制砂自密實混凝土基準配合比，在此基礎上研究不同參數變化對混凝土性能的影響，確定最優配合比。機制砂自密實混凝土的基準配合比為 m膠凝材料∶m機制砂∶m石子∶m水∶m外加劑∶m緩凝劑∶m消泡劑=600∶910∶910∶150∶2.124∶0.3∶0.0048，其中膠凝材料除水泥外，摻有 10% 硅灰和 10% 超細粉煤灰。機制砂以風選砂為主，外加劑以中興南友外加劑為主，只有在考慮種類因素對混凝土性能影響時，才使用其他類型。外加劑摻量保持 0.3% 不變。

表 5 不同水膠比對機制砂自密實混凝土性能的影響

2.1 混凝土配合比基本參數優化技術

2.1.1 水膠比

在基準混凝土配合比的條件下，研究不同水膠比對混凝土性能的影響，結果見表 5。

從表 5 可以看出：隨著水膠比的增大，機制砂自密實混凝土拌合物初始坍落度和 2h 坍落度坍落度變化均不大，而初始和 2h 坍落擴展度呈先增大后減小趨勢，初始和 2h 倒坍時間呈先減小后增大趨勢，但工作性變化較小，工作性保持性均較好。隨著水膠比增大，28d混凝土抗壓強度先減小后趨于平穩，56d 抗壓強度呈降低趨勢，但變化較小。以上表明，在水膠比較低的條件下，降低水膠比雖然能提高混凝土強度，但后期強度提升效果不明顯。并且水膠比的降低雖然對初始和 2h 坍落度和坍落擴展度的影響不大，但從倒坍落度筒時間來看，會導致拌合物粘度大幅度的增加。適宜的水膠比即可達到 C90 甚至 C100 的強度等級，超高泵送對拌合物工作性要求很高，不宜采用過低的水膠比。因此，綜合工作性和強度來看，超高泵送 C90 機制砂自密實混凝土適宜的水膠比為 0.25，C100 機制砂自密實混凝土適宜的水膠比為 0.23。

2.1.2 砂率

本試驗采用風選砂，其他參數同基準配合比，研究砂率變化對機制砂自密實混凝土性能的影響，結果見表6。

由表 6 數據及所觀察到的試驗現象可知：隨著砂率逐漸增大，初始和 2h 坍落度基本無變化，而擴展度和倒坍時間變化明顯。當砂率為 46% 和 54% 時，擴展度比 50% 砂率低，54% 砂率更為明顯。這是因為當砂率過小時，拌合物砂漿量不足；而過大的砂率導致比表面積的增加，需水量隨之增加，流動性降低，粘性增加。這點，從倒坍落度筒時間可以很好地看出。

從表 6 還可以看出，隨著砂率的增加，各齡期抗壓強度均呈先減小后增大的趨勢。50% 砂率混凝土抗壓強度比另外兩組均低，但降低幅度較小。綜合砂率對拌合物工作性及其抗壓強度的影響，超高泵送高強機制砂自密實混凝土砂率不宜過低，若考慮以強度為主，可適當提高砂率，若以工作性為優，則砂率應適中，但不宜低于 50%。

2.1.3 膠材用量

本試驗在基準配合比的條件下，硅灰和超細粉煤灰摻量均為 10% 不變，不同膠材用量對超高泵送超高強機制砂自密實混凝土性能的影響結果見表 7。

由表 7 可見，膠凝材料用量的變化對拌合物坍落度和擴展度影響均不大，而倒坍時間隨著膠材用量的增加，呈現先減小后增加的趨勢，570kg/m3膠材用量的倒坍落度筒時間最慢。并且隨著膠材用量的增加，混凝土各齡期抗壓強度基本呈現逐漸增加的趨勢。

隨著膠凝材料用量的增大，混凝土工作性變化較小，強度呈增大趨勢，因此，膠凝材料用量可適當增大。

表 6 砂率對機制砂自密實混凝土性能的影響

表 7 膠材用量對機制砂自密實混凝土性能的影響

表 8 SF 和 UFA 復摻對機制砂自密實混凝土性能的影響

2.2 礦物摻合料復摻技術

選用基準配合比，研究了礦物摻合料（SF、UFA）復摻及其摻量對混凝土性能的影響，結果見表 8。從表8 可以看出，當硅灰摻量為 10% 時，隨著超細粉煤灰摻量增加，坍落度無明顯變化，坍落擴展度顯著減小，倒坍時間輕微增大，各齡期強度基本呈減小的趨勢。以上表明，超細粉煤灰對擴展度的影響較大，摻量不宜超過10%。當超細粉煤灰摻量為 10% 時，隨著硅灰摻量的增加，坍落度無明顯變化，擴展度呈先增加后減小的趨勢，倒坍時間呈先減小后增加的趨勢，56d 抗壓強度逐漸增加。超細粉煤灰摻量一定時，過低或過高的硅灰摻量均會導致機制砂自密實混凝土拌合物填充性變差、粘度變高，適宜的硅灰摻量可以得到優異的工作性，硅灰摻量的增加可以明顯提高混凝土后期強度。

因此，配制超高泵送 C90～C100 機制砂自密實混凝土宜選擇 10% 硅灰和 10% 超細粉煤灰，硅灰摻量可適當增加以提高后期強度，超細粉煤灰摻量不宜超過10%。

2.3 機制砂改性技術

在基準混凝土配合比的條件下，研究機制砂石粉含量及類型對機制砂自密實混凝土性能的影響。通過篩分來調整各種類型機制砂的石粉含量。

2.3.1 機制砂石粉含量

機制砂石粉含量對超高泵送機制砂自密實混凝土性能的影響結果見表 9。

由表 9 及所觀察到的試驗現象可見，當石粉含量從6% 逐漸增大到 12% 時，混凝土坍落度和擴展度均先增大后降低，倒坍時間呈先減小后增大的趨勢，可見石粉過高或過低均不利于混凝土的工作性，這是因為石粉含量降低時，漿體量減少；而石粉含量過大，又會吸附較多的自由水，使漿體干稠，流動性變差。對比不同石粉含量下的混凝土強度可以發現，9% 石粉含量的機制砂混凝土各齡期抗壓強度均稍低于其它兩組，因此綜合考慮石粉含量宜取 9% 左右。

2.3.2 機制砂類型

本試驗中，鼎鑫砂和水洗砂石粉含量均控制為風選砂的石粉含量（9%），其他參數同基準配合比。研究機制砂類型對超高泵送 C90 機制砂自密實混凝土性能的影響，結果見表 10。

從表 10 可以看出，與風選砂混凝土相比，鼎鑫砂拌合物和水洗砂拌合物坍落度和擴展度均較小，倒坍時間顯著增加，且工作性損失較快。對比三種類型機制砂制備的機制砂混凝土強度發展規律可以發現，鼎鑫砂與水洗砂混凝土不同齡期強度基本相同，發展規律相似，而風選砂混凝土前期強度較低，28d 強度高于鼎鑫砂和水洗砂混凝土，56d 強度則三者差不多。因此，超高泵送 C90～C100 機制砂自密實混凝土宜選用風選砂。

表 9 石粉含量對機制砂自密實混凝土性能的影響

表 10 機制砂類型對機制砂自密實混凝土性能的影響

表 11 消泡劑摻量對機制砂自密實混凝土流變性的影響

2.4 外加劑優化技術

針對使用硅灰易帶來的混凝土含氣量較高的問題，研究不同消泡劑摻量對超高泵送機制砂自密實混凝土拌合物流變性的影響。消泡劑摻量以膠凝材料質量計。超細粉煤灰摻量 15%，緩凝劑摻量 0.07%，膠材重量560kg/m3，其他參數和基準配合比一樣，結果見表 11。

由表 11 及所觀察到的試驗現象可見，消泡劑有明顯降低混凝土含氣量的效果。隨著消泡劑摻量的增加，坍落度和擴展度均比較好，倒坍時間基本呈逐漸增加的趨勢，拌合物容重逐漸增加。以上表明，含氣量過高容易離析，含氣量過低會使混凝土粘度增大，因此應選擇合適消泡劑摻量，本試驗中消泡劑最佳摻量為膠材質量的 0.00072%。

3 結論

（1）機制砂類型與石粉含量對超高泵送機制砂混凝土的工作性和強度具有顯著影響，通過機制砂參數的優化，可制備出滿足性能需求的超高泵送 C90～C100機制砂自密實混凝土。

（2）在水膠比較低條件下，水膠比對機制砂混凝土流動性和粘聚性的影響更顯著，膠材用量對拌合物粘聚性影響很大。機制砂自密實混凝土配合比中，砂率不宜過低。

（3）復摻硅灰和超細粉煤灰礦物摻合料可以有效改善混凝土流動性、粘聚性和力學性能。若考慮更高強度，硅灰摻量可適當增加，但超細粉煤灰摻量不宜過大。

（4）機制砂石粉含量需在一個適宜的范圍，過低或過高均會增加拌合物粘聚性，風選砂更宜用來配制自密實混凝土。消泡劑摻量對混凝土含氣量影響很大，但考慮到拌合物離析和過粘問題，應選擇合適的消泡劑摻量。

（5）通過配合比基本參數優化技術、礦物摻合料復摻技術、機制砂改性技術和外加劑優化技術等，可配制出坍落度大于 265mm、坍落擴展度大于 650mm、倒坍落度筒時間在 5s 內、2h 坍落度零損失、抗壓強度等級達 C90～C100 的超高泵送高強機制砂自密實混凝土。

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國家自然科學基金資助項目（51678442，51478348，51508404）；國家高鐵聯合基金項目（U1534207）；上海市科委重點項目（15DZ1205003）；中央高校基本科研業務費專項資金資助。

任強，同濟大學材料科學與工程學院博士研究生，主要從事機制砂高性能混凝土相關研究。

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