流變改性材料在超高橋塔高強混凝土中的應用

張慶蕓，周新文，林瑋，徐文，魏樂永，顏智法，梁振有，關健

（1.江蘇省交通工程建設局，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實驗室，江蘇 南京 210008；4.東南大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 211189；5.中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088）

0 引言

橋梁作為跨越地理障礙的人工構筑物，是交通設施聯通的關鍵節點，是國民經濟發展和社會生活安全的重要保障。隨著交通強國戰略的快速推進，我國橋梁建設技術日趨成熟，逐步從橋梁大國走向橋梁強國[1]。分析我國現代橋梁設計，不難發現現代橋梁逐漸向超大跨徑方向發展。對于超大跨徑橋梁，橋面板自身重力成倍增長，對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的復雜性和使用期維護工作量大的考慮[2]，混凝土橋塔和鋼-混凝土組合橋塔逐漸為橋梁設計師所青睞。因此，超大跨徑橋梁設計使用高強混凝土構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增加；且高強混凝土的低水膠比特性，造成新拌混凝土黏度高，兩者疊加導致泵送難度成倍增長。研究表明，高強混凝土具有塑性黏度大、屈服應力低的特點[4]，與普通混凝土相比，相同流速下極易形成粘滯流[5]，進而造成混凝土泵送阻力高，泵送難度大的問題。

為有效降低高強混凝土泵送難度，開發了一種微納米級粉體流變改性材料，用以調控混凝土工作性能，實現順利泵送施工。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：江南-小野田水泥有限公司生產的P·Ⅱ52.5水泥，標準稠度用水量為28%，28 d抗壓、抗折強度分別為59.2、8.5 MPa，主要化學成分見表1。

粉煤灰：江蘇華電，Ⅱ級，需水量比98%，比表面積512 m2/kg，主要化學成分見表1。

流變改性材料：江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產，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，主要化學成分見表1，粒度分布見圖1。

表1 粉體材料的主要化學成分 %

圖1 流變改性材料的粒徑分布

砂：鄱陽湖砂，細度模數2.5，Ⅱ區中砂，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連續級配碎石，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、擴展度等試驗參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行；擴展時間T500參照JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規程》進行；倒置坍落度筒排空時間（簡稱倒筒排空時間）參照JGJ/T 281—2012《高強混凝土應用技術規程》進行；抗壓強度參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行。

（2）砂漿流變性能測試：使用Brookfield公司生產的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 結果與討論

2.1 流變改性材料摻量對砂漿流變性的影響

調整減水劑摻量，控制基準組砂漿流動度為（230±10）mm（此時減水劑摻量為7.8 g），固定減水劑摻量不變，研究流變改性材料摻量對新拌砂漿性能影響。試驗配合比如表2所示。

表2 流變改性材料摻量對砂漿流動度影響試驗配合比

2.1.1 砂漿流動度

根據表2配合比，試驗得到砂漿流動度與流變改性材料摻量的關系如表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，流動度試驗過程中采集的照片。

圖3 流變改性材料摻量為8%時水泥砂漿流動度試驗狀態

表3 流變改性材料對砂漿流動度的影響

由圖3可知，當砂漿流動度為245 mm時，砂漿體系較為穩定，最終流動圓餅形態完整，表面無浮漿，邊緣無泌水。這說明對于該配合比而言，其在試驗范圍內流態合適，未發生離析、泌水現象，體系均勻穩定。

2.1.2 砂漿的流變性

對砂漿流變儀采集到的剪切速率-剪切應力曲線使用Bingham模型擬合[見式（1）]，計算得到的砂漿動態屈服應力和塑性黏度如表4所示。

表4 流變改性材料摻量對砂漿流變性的影響

式中：τ——剪切應力，Pa；

τ0——屈服應力，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砂漿的屈服應力有一定降低效果，當摻量為6%時，屈服應力降低了24%；同時，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。當流變改性材料摻量為10%時，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混凝土工作性能的影響

調整減水劑摻量，控制基準組混凝土擴展度為（600±20）mm，固定減水劑摻量為7.5 kg，研究流變改性材料對新拌混凝土工作性能影響，試驗配合比如表5所示。

表5 流變改性材料摻量對混凝土工作性能影響的試驗配合比 kg/m3

2.2.1 新拌混凝土的初始工作性

對于高強混凝土可泵性的評價，已有許多研究[6-8]提出了不同的測試方法。本試驗結合相關資料與現場實際可操作性，提出用坍落度、擴展度、T500和倒筒時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%時新拌混凝土的坍落/擴展度試驗狀態。表6為流變改性材料摻量對混凝土工作性能的影響。

表6 流變改性材料摻量對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

由圖4可知，該混凝土和易性良好，無明顯離析、泌水，其他各組試驗新拌混凝土狀態與此類似，均呈現較好和易性。

由表6可見：

（1）當不摻流變改性材料時，基準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。可以認為，在大流態混凝土中，摻入流變改性材料對初始坍落度影響不明顯，但仍舊呈輕微的負面作用規律。同時，不摻流變改性材料的新拌混凝土初始擴展度為610 mm，摻加2%~10%流變改性材料的新拌混凝土初始擴展度分別為670、560、530、510、480 mm。可以發現，摻2%流變改性材料可明顯增大混凝土的擴展度，增幅近10%；而一旦摻量超過4%時，則隨著流變改性材料的增加，新拌混凝土初始擴展度有明顯下降的趨勢。

（2）當不摻流變改性材料時，基準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，初始擴展度僅為480 mm，不存在T500。可以發現當摻入2%流變改性材料時，新拌混凝土的T500有明顯縮短，降幅達33%；而當摻量超過4%時，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，無明顯降低趨勢。同時，不摻流變改性材料的新拌混凝土倒桶時間為8.2 s，摻加2%~10%流變改性材料的新拌混凝土的倒筒時間分別為7.8、7.6、8.8、6.8、6.8 s，可以認為，摻入流變改性材料可有效降低倒桶時間。由于倒置坍落度桶試驗時，新拌混凝土流下時與筒壁之間的摩擦與混凝土泵送運動時與泵管內壁之間的摩擦極為相似，因此我們認為倒桶時間可作為評價新拌混凝土泵送性的主要指標。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 新拌混凝土的經時工作性

混凝土工作性經時損失也是影響其泵送性與可施工性的關鍵指標之一，本文通過測試不同摻量流變改性材料混凝土經時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，試驗結果如表7所示。流變改性材料摻量為10%時混凝土經時2 h的狀態如圖5所示。

圖5 摻10%流變改性材料混凝土經時2 h的狀態

表7 流變改性材料摻量對混凝土經時2 h工作性能的影響

由表7可見：

（1）基準混凝土（流變改性材料摻量為0）經時2 h的坍落度為200 mm，摻加2%~10%流變改性材料的混凝土經時2 h坍落度分別為240、230、250、230、230 mm。可以認為，在大流態混凝土中，摻入流變改性材可明顯提高混凝土的經時2 h坍落度。與表6對比可知，基準混凝土經時2 h坍落度下降了13%，而摻加流變改性材料的混凝土經時2 h坍落度均保持良好且略有增大，其中摻量為6%時混凝土經時2 h坍落度相比于初始狀態提高了14%。同時，基準混凝土經時2 h的擴展度為425 mm，而摻2%~10%流變改性材料的混凝土初始擴展度分別為660、620、625、575、500 mm，其中當摻量為2%時，其經時2 h擴展度相比于基準混凝土增幅達55%，表明摻入流變改性材料可以明顯提高混凝土經時2 h坍落擴展度。同時與新拌混凝土對比可以發現，基準混凝土經時2 h擴展度減小了30%；而摻加流變改性材料的混凝土經時2 h擴展度均保持良好且略有增大，其中6%摻量時混凝土經時2 h擴展度相比于初始狀態增大了11%。表明摻入流變改性材料對混凝土有良好的保坍效果。

（2）基準混凝土的經時2 h擴展度為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時2 h的T500分別為10.5、11.1、11.1、11.8和14.7 s。與新拌混凝土對比可知，摻流變改性材料混凝土經時2 h的T500與初始狀態相近，表明其黏度未發生明顯變化。同時，基準混凝土經時2 h的倒桶時間為11.2 s，而摻加2%~10%流變改性材料混凝土的經時2 h倒桶時間分別為9.8、9.4、5.5、7.3和6.7 s，可以認為，摻入流變改性材料可有效縮短混凝土經時2 h的倒桶時間。且相比于新拌混凝土，可以進一步發現流變改性材料對混凝土泵送性的保持有較好效果，其中摻量為6%時，混凝土經時2 h倒桶時間縮短了37.5%。表明流變改性材料的摻入對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時2 h后仍具有良好的和易性，無離析、泌水現象，且包裹性良好。其他各組試驗情況也與此類似。

綜上可知，流變改性材料的摻入，對新拌混凝土初始坍落度、擴展度無提升作用，但對經時2 h后的混凝土流動性有明顯提升。這可能是因為流變材料為微納米級粉體，具有較高的表面能，團聚效應顯著，在常規攪拌下難以有效分散，進而造成其填充膠凝材料間隙效應削弱；且其與水泥顆粒之間存在對減水劑的競爭吸附，導致水泥絮凝結構未能被充分打開，造成摻加流變改性材料混凝土的初始流動性下降。而存放經時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，同時微納米顆粒表面已經被減水劑飽和吸附，進而發揮出其流變改性效果，經時2 h流動度和黏度顯著降低，且泵送性也明顯提高。

2.3 流變改性材料摻量對混凝土流變性的影響

2.3.1 抗離析性

在實際混凝土生產過程中，通過調整減水劑摻量達到控制新拌混凝土施工性的目的。因此，試驗控制各組混凝土的擴展度一致，均為（600±20）mm，分析流變改性材料對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果。

圖6 不同流變改性材料摻量新拌混凝土的轉速-扭矩關系

由圖6可見，隨著轉速的加快，混凝土扭矩增大。這符合流體基本規律，且各組混凝土的轉速-扭矩的關系近似為直線，因此可以認為該混凝土符合Bingham流變本構模型。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（Sc）用來評價混凝土的體系穩定性，如式（2）所示[9]：

式中：k——測量段0.2 r/s點處的斜率值；

k'——校核段0.2 r/s點處的斜率值。

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則是通過計算測量前后扭矩的差值，反映其混凝土穩定性。一般認為，若Sc小于5%，則表示體系穩定性較好，未發生離析；若Sc大于10%，則說明離析嚴重，混凝土穩定性差。

根據式（2）計算得到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%，可以認為各組混凝土在流變性測試前后，內部粗骨料未發生離析，體系穩定。這有利于混凝土順利泵送，減小堵管風險。

2.3.2 降黏效果

黏度是反映混凝土泵送性的關鍵指標。一般認為，混凝土黏度越大，其泵送時阻力越大，泵阻越大，則泵壓越高。

由圖6可見，當固定某一轉速時，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時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，進而實現其降低泵送阻力，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流變本構模型。使用Bingham模型對其流變曲線進行擬合，計算得到混凝土流變參數如表8所示。

表8 流變改性材料摻量時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力均穩定在10 Pa左右。這是因為通過控制減水劑用量達到了擴展度基本一致的效果，根據文獻報導[10]，混凝土擴展度與屈服應力存在較強相關性。所以，混凝土擴展度相同的情況下，屈服應力基本相同。

（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。當流變改性材料摻量為10%時，可降低塑性黏度達74%。表明流變改性材料對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定，可提高混凝土的泵送性。

2.4 流變改性材料摻量對混凝土抗壓強度的影響（見表9）

表9 流變改性材料摻量對混凝土抗壓強度的影響

從表9可見：（1）基準混凝土的7 d抗壓強度為56.4 MPa，摻2%~10%流變改性材料混凝土的7 d抗壓強度分別為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抗壓強度；但當摻量超過8%時，則會造成其抗壓強度輕微下降。（2）對于28 d抗壓強度，除摻10%流變改性材料混凝土的抗壓強度低于基準組外，在2%~8%摻量下，混凝土的抗壓強度均無明顯降低。這是因為流變改性材料可有效填充膠凝材料間隙，改善硬化混凝土孔結構，提高其密實度，進而實現提高強度的效果。由于流變改性材料水化活性不如水泥強，一旦摻量過高，其提高密實度帶來的強度增強效果不如減少水泥水化產物造成的強度削弱效果。

3 結論

（1）流變改性材料可有效提高砂漿的流動度，且有明顯降低砂漿塑性黏度的效果。

（2）流變改性材料會使新拌混凝土的初始流動度有所減小，但可有效縮短混凝土的倒筒時間；流變改性材料可提高混凝土的經時工作性保持能力，經時2 h坍落度、擴展度有明顯提高，T500和倒筒時間均有明顯縮短，提高混凝土的泵送性。

（3）在保證混凝土體系穩定性的前提下，流變改性材料摻量為10%時，可使新拌混凝土的塑性黏度降幅達73%，顯著提高混凝土的泵送性。

（4）高強混凝土中摻入適量的流變改性材料對混凝土的抗壓強度基本無不良影響。