增稠劑在中粗砂混凝土泵送施工中的應(yīng)用

陸加越，吳 爍，白 坤，劉柯琦

（1.江蘇建筑科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 210008；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103；3.中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101；4.中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)有限公司，江蘇 南京 211899）

1 背景

砂子的級(jí)配對(duì)混凝土的施工性能起著決定性的作用，但隨著河道禁采的影響，許多地區(qū)砂石料出現(xiàn)短缺，導(dǎo)致砂石料市場(chǎng)的供需平衡被打破，品質(zhì)較好的砂石料價(jià)格明顯上漲，與此同時(shí)砂石料品質(zhì)也明顯劣化，當(dāng)砂子含泥量較高時(shí)，廠家為了讓含泥量合格會(huì)進(jìn)行多次的沖洗，使得砂子中細(xì)顆粒流失。隨著泵送施工的普及，工作效率大大提升，但是中粗砂的使用會(huì)使得混凝土泵送時(shí)出現(xiàn)泌水離析的問(wèn)題，容易導(dǎo)致堵泵，而一味的提升砂率不僅會(huì)導(dǎo)致混凝土喪失流動(dòng)性，而且還會(huì)造成強(qiáng)度的偏低。增稠劑作為一種外加劑，能夠有效的鎖住自由水，提高漿體屈服應(yīng)力，提升混凝土的抗離析性能，且具有觸變作用，在外力作用下能夠恢復(fù)流態(tài)[1-2]。纖維素醚類(lèi)和高分子聚合物類(lèi)是目前使用較廣的兩種增稠劑類(lèi)型。本文針對(duì)這兩種增稠劑，研究其對(duì)中粗砂混凝土泵送性能、抗壓強(qiáng)度以及收縮方面的影響。

2 試驗(yàn)

2.1 原材料

水泥：曲陽(yáng)金隅P.O 42.5，相關(guān)指標(biāo)如表1所示。砂：人工調(diào)整級(jí)配后的天然河砂，細(xì)度模數(shù)3.7，松散堆積空隙率42%，級(jí)配如表2所示。石子：5～25mm石灰石碎石，松散堆積空隙率45%。減水劑：由蘇博特提供的高性能減水劑PCA-Ⅰ，指標(biāo)符合《混凝土外加劑》（GB 8076—2008）規(guī)范技術(shù)要求。增稠劑：高分子聚合物類(lèi)增稠劑（VM-Ⅰ）和纖維素醚類(lèi)增稠劑（X-Ⅰ），由蘇博特公司提供，分別如圖1、圖2所示。

表1 水泥的主要技術(shù)性能指標(biāo)

表2 人工調(diào)整后河砂級(jí)配

圖1 高分子聚合物類(lèi)增稠劑（VM-Ⅰ）

圖2 纖維素醚類(lèi)增稠劑（X-Ⅰ）

2.2 配合比

C30混凝土配合比如表3所示，混凝土初始坍落度控制在（200±20）mm范圍內(nèi)，減水劑摻量（1.0±0.1）%，增稠劑摻量為0.03%。

表3 C30混凝土配合比

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 混凝土攪拌方式

采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌，先將干料放入攪拌機(jī)干攪15s，將稱(chēng)好的增稠劑與減水劑攪拌均勻，與水一同加入攪拌機(jī)后，攪拌120s。

2.3.2 泵送性能測(cè)試

按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080—2016）規(guī)范要求，進(jìn)行坍落度、含氣量、壓力泌水率的測(cè)定，來(lái)表征混凝土是否滿足泵送施工的要求。含氣量測(cè)定儀為日本三洋直讀氣壓含氣量?jī)x，壓力泌水率測(cè)定儀采用SY-2型混凝土壓力泌水測(cè)定儀。

2.3.3 抗壓強(qiáng)度

采用100mm×100mm×100mm非標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，每組3塊，參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019）進(jìn)行測(cè)試。

2.3.4 塑性收縮

參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）中的非接觸法，試驗(yàn)溫度（20±2）℃，相對(duì)濕度（60±5）%。

2.3.5 干縮

試件帶模養(yǎng)護(hù)24h，拆模后立即用環(huán)氧樹(shù)脂加固軸心測(cè)釘，在標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)2d后取出，放至干縮室測(cè)量初始長(zhǎng)度，分別在1d、3d、7d、14d、28d、56d、90d、120d測(cè)量試件長(zhǎng)度，計(jì)算試件干縮率。

3 結(jié)果與討論

3.1 增稠劑對(duì)混凝土可泵性的影響

不同增稠劑對(duì)含氣量及穩(wěn)泡性能的影響如圖3所示。由圖3可以看到，是否添加增稠劑對(duì)混凝土含氣量的影響不大，但加入增稠劑的混凝土在1h經(jīng)時(shí)含氣量損失較小，整體含氣量變化更為平穩(wěn)。這是因?yàn)楹瑲饬康姆€(wěn)定性主要取決于氣泡的穩(wěn)定存在，增稠劑的加入提高了漿體的塑性粘度，使得氣泡在漿體中運(yùn)動(dòng)困難，提高了氣泡在混凝土中分布的均勻性，也使得小氣泡之間相遇成為大氣泡的概率變小。表4為不同增稠劑對(duì)混凝土新拌性能的影響。從表4的數(shù)據(jù)可以看到，添加增稠劑的混凝土對(duì)于壓力下泌水的程度有了極大改善。在泵送施工中，經(jīng)常能遇到混凝土在泵管內(nèi)輸送時(shí)突然碰到彎管，變徑等情況，管內(nèi)壓力徒增，混凝土中自由水會(huì)在泵壓突增情況下從骨料空隙中流出，出現(xiàn)骨料堆積造成堵管現(xiàn)象[3]。表4可以看到當(dāng)中粗砂混凝土不加增稠劑時(shí)，壓力泌水率達(dá)到了50%，而常規(guī)泵送混凝土的壓力泌水率應(yīng)不高于40%，超出改范圍，則堵泵機(jī)會(huì)會(huì)提高[4]。加入高分子聚合物類(lèi)增稠劑后，壓力泌水率降低了50%，而加入纖維素醚類(lèi)增稠劑，壓力泌水率降低了70%。這說(shuō)明增稠劑能夠彌補(bǔ)中粗砂斷級(jí)配帶來(lái)的堵泵風(fēng)險(xiǎn)，從而使得中粗砂也能夠應(yīng)用于泵送施工。

圖3 不同增稠劑對(duì)含氣量及穩(wěn)泡性能的影響

表4 不同增稠劑對(duì)混凝土新拌性能的影響

3.2 增稠劑對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

不同增稠劑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如圖4所示。由圖4可以看到，摻增稠劑的混凝土抗壓強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)組混凝土抗壓強(qiáng)度，說(shuō)明增稠劑的加入對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度無(wú)不良影響。這是因?yàn)樵龀韯┑募尤胧沟没炷潦庸鼭{能力提升，提高了混凝土勻質(zhì)性，也提高了漿體與骨料之間的膠結(jié)強(qiáng)度，減少了某一區(qū)域水分大量聚集的情況，因此使得強(qiáng)度還略有提高。

圖4 不同增稠劑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

3.3 增稠劑對(duì)混凝土收縮性能的影響

不同增稠劑對(duì)混凝土塑性收縮的影響如圖5所示。由圖5可以看到，加入增稠劑可以降低混凝土的塑性收縮，相較于基準(zhǔn)混凝土的塑性收縮率2205μm·m-1，加入高分子聚合物類(lèi)增稠劑后塑性收縮率為1874μm·m-1，降低了約15%，加入纖維素醚類(lèi)增稠劑的混凝凝土塑性收縮率為1653μm·m-1，降低了約25%。

圖5 不同增稠劑對(duì)混凝土塑性收縮的影響

混凝土的塑性收縮階段主要由兩個(gè)方面決定：一方面，當(dāng)混凝土處于大流態(tài)時(shí)，在澆筑成型后，由于水泥和骨料的表觀密度較大，會(huì)出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，同時(shí)空隙中的自由水被填滿，沿著固體顆粒的下沉通道往上泌水，當(dāng)上表面水分蒸發(fā)后，混凝土體積減小。另一方面，混凝土中的自由水由于蒸發(fā)、水化消耗等原因，形成毛細(xì)管負(fù)壓，進(jìn)而收縮增大。而摻加了增稠劑后，由于其提升了混凝土的保水性能，使得一定程度上一致了混凝土的塑性收縮[5]。

不同增稠劑對(duì)混凝土干縮的影響如圖6所示。從圖6可以看到，摻增稠劑的混凝土干燥收縮均小于基準(zhǔn)混凝土。在120d齡期時(shí)，不加增稠劑的混凝土干燥收縮率在620μm·m-1，而加入了高分子聚合物類(lèi)增稠劑后，混凝土的干燥收縮率在567μm·m-1，較基準(zhǔn)組降低了8%，摻纖維素醚類(lèi)增稠劑，混凝土的干燥收縮率在539μm·m-1，較基準(zhǔn)組降低了13%。干燥收縮是由于混凝土硬化后受到外界濕度過(guò)低或者溫度過(guò)高等影響使其內(nèi)部水分與外界進(jìn)行交換，從而導(dǎo)致內(nèi)部由于缺少而收縮[6]。但是加入增稠劑后，提高了混凝土入模成型階段水分分布的均勻性，使得混凝土密實(shí)性增加，降低了與外界進(jìn)行水分梯度交換的頻率降低，從而降低了混凝土的干燥收縮率。

圖6 不同增稠劑對(duì)混凝土干縮的影響

4 結(jié)語(yǔ)

（1）在相同坍落度情況下，摻加增稠劑能夠大幅提高中粗砂混凝土的穩(wěn)泡性能和壓力泌水率，從而使混凝土的可泵性能大幅提升。

（2）摻加增稠劑的混凝土抗壓強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)組混凝土抗壓強(qiáng)度，增稠劑的加入使得混凝土石子裹漿能力提升，提高了混凝土勻質(zhì)性，也提高了漿體與骨料之間的膠結(jié)強(qiáng)度，減少了某一區(qū)域水分大量聚集的情況，因此使得強(qiáng)度還略有提高。

（3）摻加增稠劑能夠?qū)χ写稚盎炷疗鸬浇凳湛s的作用。試驗(yàn)表明，摻高分子聚合物類(lèi)增稠劑（VM-Ⅰ）的混凝土，在坍落度達(dá)到（200±20）mm時(shí)，相較于基準(zhǔn)混凝土，塑性收縮和干燥收縮分別減少了15%和8%，摻纖維素醚類(lèi)增稠劑（X-Ⅰ）的混凝土，在坍落度達(dá)到（220±20）mm時(shí)，相較于基準(zhǔn)混凝土，塑性收縮和干燥收縮分別減少了25%和13%。