泵送性能

泵送性能（精选九篇）

泵送性能 篇1

1 泵送技术的发展

1.1 混凝土泵发展

泵送混凝土技术是在压力下通过硬导管或者软管输送到施工现场指定位置的一种运输方法,1927年德国的弗里茨·海尔(Fritz·Hell)设计制造了第一次获得成果应用的混凝土泵,并逐渐成为现代建筑施工的重要技术手段,广泛用于各类土木、建筑工程中。1959年德国的施维英(Schwing)公司生产出第一台全液压的混凝土泵,此后又研制了混凝土车载泵,是混凝土泵由固定式发展为可移动动式。美、英、法、日等国家也相继生产,应用了混凝土泵,并具有较高的混凝土泵送技术水平。

1.2 国内混凝土泵送技术

20世纪60年代国内开始仿制并自行研制混凝土泵,20世纪80年代混凝土泵逐渐应用到水电、桥梁、隧道、高层建筑等工程建设当中,业内开始关注混凝土泵送施工技术并出台了行业相关的标准规程。虽然泵送混凝土技术在我国起步较晚,但近年来随着城市化进程的加快以及公路、铁路等交通基础设施的迅猛发展,泵送混凝土施工技术亦日臻成熟,泵送混凝土在混凝土工程施工中所占的比例越来越高。

由于混凝土本身的多样性和施工工艺的复杂性,在普遍采用泵送施工技术的条件下,混凝土泵送施工中出现的各种问题也是层出不穷,特别是近年来,以铁路混凝土为代表的高性能混凝土在泵送施工中较易出现各类问题,已影响到混凝土质量控制及工程施工生产。

2 影响混凝土泵送的因素

2.1 混凝土泵送设备

1)混凝土泵即采用内燃或电力能源驱动机械和液压系统通过特定的设计构造和控制系统将混凝土排出或吸入。由于混凝土泵的设计模式、移动方式和生产厂家繁多,结构形式不尽相同,目前普遍采用液压活塞式混凝土泵,本文不再累述。但各种混凝土泵均有共同目标即:将混凝土输送到指定位置。

2)将生产好的混凝土拌合物输送到建筑施工的指定位置,混凝土泵在整个系统工程当中起着至关重要的作用。工欲善其事,必先利其器。机械设备均有其自身的额定功率(W)、适用范围和结构特性,混凝土泵也不例外,如输送压力(MPa)、输送量(m3/h)、额定功率(kW)等多项技术参数。施工技术人员应根据工程特点、施工方案、混凝土工作性能等综合考虑分析,采用满足泵送施工要求的混凝土泵送设备,否则,即便其他各种因素均属正常的情况下,采用“小马拉大车”的设备将难以正常完成施工过程。

3)混凝土泵操作人员对设备的熟练程度、操作使用手法及与施工人员配合等诸多因素也会对混凝土泵送施工环节起到重要的影响。例如:在某大型铁路钢管拱桥的拱脚部位混凝土泵送浇注现场,由于工况条件艰难,现场采用47 m泵车垂直向下泵送施工,泵车操作人员对铁路高性能混凝土尚不熟悉,且较为个性固执,在泵送作业期间等待混凝土罐车时,笔者几次要求其泵车采用间歇泵送方式,每隔3 min左右进行一次正、反泵送操作,以防止泵车输送管内的混凝土拌合物的浆体因长时间处于重力作用下流失,而导致在弯头处的混凝土堵塞泵管。但泵车操作人员不与理会,而是将泵车熄火,使泵车布料臂杆处于垂直向下状态,而造成泵车输送管堵塞。

2.2 混凝土工作性

1)混凝土的起源历史久远,其成分组成、结构形式等几经更迭,从古代起,建设者就试图寻找一种能够将石子(石块)或砖块胶结在一起的材料,发展至现代以水泥起主要胶结作用的建筑用材料。而今,为适应复杂多样的各类建筑和施工要求,建设者们又负与混凝土应具有更好的泵送施工性能,混凝土的材料组成、工作性能亦随之改变以适应设备、环境等各方面的要求。

2)新拌混凝土的工作性能对混凝土的可泵性非常重要。易于泵送的混凝土应该是以相对均匀近似流体形式存在;且混凝土拌合物的具有良好的触变性,即“混凝土材料在剪切力的作用下表面粘性降低,紧接着当剪切力移开时逐渐恢复,其影响是随时间而变化的”。根据现行标准规范,通常以坍落度(坍落扩展度)综合表征混凝土拌合物工作性能和可泵性能,但单纯从坍落度(坍落扩展度)的检测指标亦不能全面反映混凝土的可泵性能。例如:随着聚羧酸系高性能减水剂的大量使用,铁路高性能混凝土具有一个显著的特征:低水胶比。低水胶比的混凝土因触变性不良、内聚力较大,造成拌合物非常黏,从而容易导致泵送困难的问题,曾经在某高速铁路连续梁混凝土泵送浇注施工现场,混凝土拌合物的工作性试验指标(坍落度230 mm、坍落扩展度560 mm)满足泵送要求,但是由于拌合物太黏(并非混凝土离析堵管)混凝土泵车仍无法正常泵送,造成施工停滞。

2.3 混凝土配合比设计

1)混凝土配合比设计直接影响拌合物工作性能和硬化后混凝土的力学及耐久性能,一个良好的配合比设计是满足泵送施工要求的基本条件。混凝土配合比设计遵循四个基本要求:耐久性、经济性、工作性、强度,从另一个层面讲配合比本身也是对各种材料用量的把握,平衡、妥协各种因素,以满足基本性能要求。一名优秀的混凝土工程师可以根据混凝土所用的各种原材料在配合比中发挥其最大的效果,以尽可能满足施工生产要求,同时,不同的设计者亦可能产生异曲同工之妙。例如:细骨料在混凝土配合比中对泵送性能的影响。某泵送性能较差的混凝土拌合物,其浆体对骨料的包裹性不良、骨料有堆积现象,容易造成混凝土拌合物在输送管道内堆积并堵塞管道,其可能的原因是:细骨料的级配较差、各粒径组成中的细颗粒较少,可适当提高砂率或增加胶材用量以保证基本泵送混凝土的整体流变性。

2)混凝土是由多个无机材料组分混合而成的一个有机整体。各组成材料之间既互相制约又互相促进,并相互融合、激发得以整体混凝土性能的体现。混凝土博大精深,工程部位、施工环境、原材料品质、强度等级、耐久性要求等不尽相同,总而言之,设计者在配合比设计过程中应灵活运用专业知识和混凝土整体性特点,经过试验确定满足泵送施工和各项性能的混凝土。

2.4 泵送管道布置

1)混凝土经过泵送能否顺利到达指定位置,其输送管道是在整个泵送过程中的重要一环,混凝土输送管应根据工程特点、粗骨料最大粒径、拌合物性能、施工场地条件、混凝土浇筑方案等进行合理选型和布置,输送管布置宜平直、减少弯头用量。输送管道可以是硬管,也可以是重型软管,但重型软管不如硬管性能好,混凝土在其管内运动中收到的阻力更大。管道及之间的接头应密闭,以防止混凝土拌合物在管内受到挤压时浆体从接头或破裂的缝隙中漏掉,造成骨料堆积、堵塞管道。

2)混凝土输送管道主要是配合固定式混凝土拖泵(地泵)使用,对于地形复杂、施工难度大的工程结构,混凝土输送管道布置应编制专项的方案,但施工技术人员往往忽视其对泵送施工过程的影响,一但发生情况,盲目归罪于混凝土配合比的问题。例如:在某运煤专用线的铁路连续梁体混凝土泵送施工现场,因地形受限、工地采用固定式拖泵(地泵)进行混凝土泵送,现场管道布置基本形式为:水平(20 m)-垂直(50 m)-水平(20 m),但泵送施工中总是出现“爆管”的问题。经过现场勘查,“爆管”系拖泵水平输送管道间的接头几经“爆开”。排出泵送设备、混凝土的因素外,经过分析和观察,此问题主要是水平输送管道固定不牢造成,由于采用固定式拖泵,在其泵送过程中,设备产生后座力而造成相对输送管道的前后移动,使得管道接头“拔脱”,经过加固拖泵支腿、输送管支架、更换高压接头管箍后,后续施工过程中基本没在出现此类“爆管”现象。

3 改善混凝土泵送施工的措施

在混凝土泵送施工过程中,泵送设备、混凝土性能、管道布置、人员组织等各方面因素均影响、制约着整个环节能否顺利。正如上述文中列举部分主要影响因素并针对相应问题具体分析:

1)混凝土泵送设备的选择应根据混凝土输送管路系统布置方案及浇筑工程量、浇筑进度以及混凝土工作性能、设备状况等施工具体条件确定混凝土泵的型号、类型。泵送施工中,特别是铁路高性能混凝土遇到泵送困难的问题时,选择与之匹配的混凝土泵送设备或挡位是决定泵送效果的关键。

2)混凝土工作性能是影响泵送效率的瓶颈,良好的工作性对混凝土泵送施工甚为重要,混凝土生产人员应依据材料、环境等因素的变化适时调整混凝土工作性能保证其相对稳定、品质均匀,以服务泵送施工。

3)混凝土配合比设计是决定混凝土各项性能的前提条件,良好的配合比设计参数很大程度上左右着泵送施工情况,配合比设计人员应依据材料品质、设计要求、工况设备条件、环境因素等综合考虑、并经过试验确定满足设计、施工要求的混凝土配合比,尤其是实际施工生产中灵活运用主次矛盾的平衡关系。

4)泵送管道布置是混凝土泵送施工中人为影响泵送效果的重要因素,施工技术人员应结合现有的经验、具体问题具体分析、发散思维制定科学合理的管道布置方案,尽量减少泵送施工中的不利条件。

4 结束语

混凝土是由多个无机材料组份混合而成的一个有机且复杂整体。而混凝土泵送工作流程又涵盖了:材料、设备、环境、人员等多种因素,诸多因素均对这个相对复杂的整体产生内在或外在的影响。归根结底,人是影响这个系统工程中的核心所在。文章举例施工出现问题,从宏观层面分别加以分析、阐述,意在启发工程施工建设者对混凝土泵送过程的整体理解,若能综合运用幸能起到四两拨千斤的效果。

摘要：通过剖析影响混凝土泵送施工性能的各种因素,结合铁路混凝土特点和混凝土泵送施工机理等,提出解决混凝土拌合物可泵性能差及降低泵送施工隐患的相应措施。

泵送性能 篇2

(中铁二十局集团,陕西咸阳 71)

摘要:风火山隧道的施工和使用都处在负温以下,需研究出适于负温下施工的高性能混凝土,文章详细

介绍低温早强高性能混凝土试验中材料的选择、配合比的优化、施工参数选定及施工的质量控制。关键词:低温早强 高性能混凝土 试配试验 施工质量中图分类号:TU528131;U455191 文献标识码:B

212 原材料选择

(1)水泥。选用3215R以上的低碱普通硅酸盐水

1 工程概况

风火山隧道全长1338m,轨顶标高海拔4908139m,处于高原冰雪型气候区,其特征是干燥、急风、暴雪、雷电等变化无常,常年平均气温在-6℃以下,年平均地温为-115℃～-410℃。地质岩层复杂,集饱冰冻土、富冰冻土、裂隙冰、泥砂岩于一体,施工基本是在负温下进行的,是在低温下使用,凝土施工的研究。

泥或硅酸盐水泥,主要技术指标见表2。

(2)细骨料。>218秀水河河砂,主3。

(3),不得含有冰、雪等3,主要技术指标见表4。(3065处右侧泉水,其指5。

表2 水泥主要技术指标

指 标标准允许值实

测值

祁连山大通河

细度标准稠度Π%≤10315410

26132615

2 211 复合外加剂的选择

用水量

安定性

初凝

必须合格合格合格

≥45min

终凝≤10h

抗折

抗压

≥515≥3215813813

43154218

凝结时间28d强度ΠMPa

试验中选取的复合外加剂试配试验及其性能检验见表1。复合外加剂是由铁道科学研究院研制的、适

用于青藏铁路沿线不同环境气候条件下和各种结构部位及类型的系列混凝土外加剂,在规定负温条件下混凝土7d、14d、28d的抗压强度比同期基准混凝土分别提高20%～40%、30%～40%、25%～35%。当气温>-5℃时,掺复合外加剂为Ⅰ型;当气温在-5℃～-10℃时,掺复合外加剂为Ⅱ型;当气温在-10℃～-15℃时,掺复合外加剂为Ⅲ型。

表1 复合外加剂性能

性能外加剂

凝结时间差

减水泌水含气Πmin率率比量

Π%Π%Π%初凝终凝

000

412415414

+20+40+40

1h36min3h30min1h45min3h50min

表3 细骨料主要技术指标

指 标标准值实测值315

含泥泥块坚固云母氯化硫化轻物

细度

量含量性含量物含量物含量质含量碱活性模数

Π%Π%Π%Π%Π%Π%Π%

≤310

018

118

015

01004

≤110

015

≤011活性

骨料

表4 碎石主要技术指标

抗压强度比

Π%

指 标标准值实测值

含泥量Π%≤110

016

泥块含坚固性针片状颗粒量Π%≤0125

压碎指标Π%≤910

510～716

碱活性≤011无

Π%≤810

210

总含量Π%≤1010

911～512

-7d28d

-7d-7d

+28d+56d115123120

132129129

复合外加剂1918复合外加剂复合外加剂1815

+502613Π-5℃102+432315Π-10110+43Π-15126

表5 水质主要技术指标

不溶物

指 标

(mgΠΠL)标准值

注:-7d+28d系指在负温下养护7d后转入标准条件下再养护28

d;-5℃时的抗压强度比是指在规定负温条件下7d的抗压强度与同期

基准混凝土抗压强度的比。

可溶物

(mgΠΠL)

Cl

(mgΠΠL)

-

SO4

(mgΠΠL)

2-

pH值5～9

第12期青藏铁路风火山隧道高性能泵送混凝土的试验研究31

213 配合比的优化

低温早强高性能混凝土的影响因素较为复杂,选

4

择L9(3)正交表头进行正交试验,所拟因素水平见表6,试验结果及分析见表7。

4

表6 L9(3)因素水平

分析正交试验的结果可得出:①水胶比是影响混

凝土强度的主要因素,当WΠC胶≥0138时,强度达不到设计要求;②砂率对混凝土和易性有显著影响,取值在41%～43%为最佳;③复合外加剂掺量对混凝土的坍落度和含气量影响显著,当掺量

经过正交优化设计试配后,初步确定了风火山隧道采用的混凝土配合比,见表8。

表8 混凝土配合比

强度等级

C30

水平

123

ABC

水胶比

013501380141

砂率Π%

404244

复合外加剂Ⅲ型掺量Π%

81012

水泥用量3

(kgΠΠm)

378～400

水胶比

砂率

Π%

复合外加剂掺量Π%

10～11

0135～013740～43

4

表7 L9(3)正交试验与结果分析表

214 配合比试验方法及养护条件

R7

R28

因素

编号

A

B

C

D

坍落度Πmm

9018555185205

水胶比砂率Π%掺量Π%空列

Q2010QQQQQQQQ

01350135013501380138013801410141014115815518729410411413013461141104011510

40424440424440424413818517747412411411011421241154316211

810121012881013318218552319411413014431142184113118

1233123116016018020412412410012

Π%

319410410410319416410413

ΠMPa

381539153718281628142919

ΠMPa

45194710451340344414401339104111

根据《青藏铁路高原多年冻土区隧道工程施工技

术细则》《、术条件》以及设计、,;试件成(设定温度为

,养护7d后再转入标养条件下养,28

d,以作强度对比之用;另外还需制作混凝土抗冻融、抗渗及护筋性等试件。215 混凝土拌合物性能试验通过对优化后配合比的试拌和拌合物性能的检测,其结果见表9。

表9 混凝土拌合物性能

强度

等级

C30

坍落度极差分析

K1K2K3RK1K2K3RK1

影响规律:

11复合外加剂掺量影响最大,取1210%,坍落度最大;

21砂率有一定影响,取中间值最佳;

31空列最小,试验结果合理。影响规律:

11掺量影响较大,不宜超过中值;

21水胶比有一定影响,不宜>0138;

31砂率有影响,取42最佳;41空列R稍大,试验合理性欠佳。

水泥用量外加剂坍落度含气量泌水率

和易性3

(kgΠmmΠ%Π%Πm)掺量Π%Π

387

10

175

413

良好

含

气量极差分析

216 混凝土力学性能及强度发展规律

R28

极

差分析

K2K3R

4118影响规律:

11水胶比影响大;431921砂率影响不大;

31强度随复合外加剂掺量的增大而明显降低;4115

41空列R稍大,试验合理性欠佳。214

共制作试件48组,按不同龄期进行强度试验,其

结果见表10。通过分析可以发现,在负温条件下混凝土并没有停止水化,水化仍以一定速度进行;混凝土强度发展规律表现为强度随龄期增长明显;从标准养护强度上,混凝土早强、增强效果好,有利于混凝土早期抗冻。

表10 混凝土强度试验结果

强度等级

C30

混凝土抗压强度ΠMPa

-3d515

(12)

-7d-14d-28d-56d1015(23)

1818(41)

2318(52)

2819(63)

7d3411(74)

28d4518(100)

-7d+28d3618(80)

注:①水泥为甘肃永登祁连山牌3215R级普通硅酸盐水泥。②使用青藏公路里程3022处碎石场石子最大粒径为40mm。③试验机械拌制成型。④文章中涉及外加剂的掺量均为内掺法。

注:-7d+28d系指在负温下养护7d后转入标准条件下再养护28

d;负温控制在-13℃～-17℃;括号内为达到28d强度百分比。

32铁 道 建 筑December,2004

217 混凝土的长期耐久性能(4)混凝土施工设备。进出口各使用:1台DXLZ21112AX型蒸汽锅炉,布置暖气片,对原材料进行预加

经过对成型的试件进行长期耐久性的试验,见表11。混凝土的各项耐久性指标均符合青藏铁路耐久性

指标标准要求。

表11 混凝土长期耐久性能试验结果

序号

指标名称

抗冻相对动弹性模量PΠ%

1

热;2台JS500型强制式混凝土搅拌机和2套PLB1200

3

型自动计量配料机进行混凝土拌制;2台TST26型6m轨行式混凝土搅拌运输车水平运输;2台HBT60116175ZAG型混凝土输送泵压至模板台车内;1

标准值

P≥60

大通河水泥实测值

6216

祁连山水泥实测值

6510314113

台9m长轨行式衬砌台车进行初期衬砌施工,2台6m

长轨行式衬砌台车进行二次衬砌施工。

(5)原材料的保温及加热。原材料根据气温不同进行调整。当气温低于-5℃时,使用蒸汽加热水的预热方法,当水温超过60℃时,就先将骨料与水拌合,均匀后再加入水泥、外加剂等。当气温低于-10℃时,采用水与骨料同时加热的方法。

(6)混凝土的搅拌。混凝土的拌制统一在拌合站集中进行,拌合站设置于暖棚内,采用2台JS500型强制式混凝土搅拌机和2套PLB1200型自动计量配料机进行混凝土拌制,拌制的时间控制在210～215;,按,5%～6%。

2台TST26。当气候,在容器外套保温罩,混凝土运输至浇筑处的温度与热工计算的要求不相符时,及时采取措施进行调整,尽量减少混凝土的运输和现场停留时间。根据含气量的损失试验,控制时间为30min。

(8)混凝土的.浇筑。混凝土的浇筑采用2台HBT60116175ZAG型混凝土输送泵压至模板台车内,利

性能

300次

强度损失率fcΠ%质量损失率ωnΠ%

fc≤25

ωn≤5

S≥S12Q≤1000

2345678

抗渗性能S

抗渗透Cl-性能Q/C抗裂性能(裂缝宽度)δΠmm

-耐SO24腐蚀性能K

14mmΠ112MPa5390118011140133

27mmΠ112MPa8980103111170125

δ≤012

K≥018G≤0150

(kgΠ耐磨性能GΠm2)

护筋性能

抗碱―骨料反应性能εtΠ%

无锈蚀ε0110t≤

无锈蚀

0104

无锈蚀

0104

注:混凝土强度等级为C30,均评定为合格。

3 (1)凝土配合比为:水泥∶石∶水∶外加剂=1∶1199∶2175∶0139∶0111。复合外加剂掺量内掺法为10%,外掺法为11%,塌落度为16～18cm。负温控制在-13℃～-16℃内养护时,R-3=516MPa,R-7=1015MPa,

R-7+28=4112MPa;负温控制在-7℃～-10℃内养护

时,R-3=614MPa,R-7=1116MPa,R-7+28=4312MPa;负温控制在0℃～-5℃内养护时,R-3=715MPa,R-7=1214MPa,R-7+28=4318MPa。

(2)动力设备。根据施工及生活用电总功率及发

用插入式振动器振捣密实,最后利用台车上安装的附

着式振动器振捣1min,一次成型。浇筑现场入模温度控制在5℃～8℃。

(9)洞内通风、供氧、保温。风火山隧道地处高原,空气稀薄,含氧量低,影响施工工作效率,洞内施工要求环境温度-5℃～5℃,为保证洞内施工人员每分钟

3

应有4m新鲜空气,且空气中氧含量≮19%,二氧化

3

碳≯015%,氮氧化合物浓度

3

20mΠh,氧气纯度达96%)连续供氧,洞内的供氧方式采用管道弥散式结合移动氧吧车。在隧道进出口各挂一道棉帐门帘(预留通行口),以控制洞内外热量、氧量的交换。

(10)初衬混凝土的两阶段养护。在未拆模板之前主要采用洞内控温、保温养护;脱模后喷涂一次养护液,采用洞内控温、保温进行保温养护,并及时监测温度变化以调节洞内温度,确保混凝土的温度在下降到

电机组的24h工作情况,进出口各配备2台扬州英泰功率为250kW的250GF型移动式发电机组,1台扬州华东功率为264kW的HDV325型移动式发电机组。根据用风量,进出口各配备3台750HH型(空压机公

3

称容积流量2112mΠmin,发动机功率224kW)美国寿

力移动式空压机,适用于高海拔、缺氧地区的隧道施工。

(3)通风设备。暖季进出口各使用1台8821型轴

流通风机向隧道内通风(风量1000mΠmin);寒季使用我单位研制的STDK2100型空气加热隧道通风机(风量

3

3880mΠmin)。

20第12期

铁 道 建 筑RailwayEngineering

33

文章编号:100321995(2004)1220033203

两种模式下的线路平面施工复测

李善军

(中铁二局第四工程公司,成都 610300)

摘要:设计单位向施工单位交桩时,或者交接中线桩,或者交接导线点。文章针对两种交接模式,分别介

绍利用J2型全站仪进行施工复测的内外业工作方法。关键词:线路施工 施工测量 中线法 导线法中图分类号:U212124 文献标识码:B 施工单位中标一项线路工程后,首先要做的一项重要工作就是对所辖管段进行线路平面施工复测。复测目的是对设计单位所交桩点和线路资料进行现场核对,以保证施工放样出来的中线符合设计要求。

以前设计单位交桩时,常将线路的交点、副交点、直线转点、曲线五大桩和线路资料交给施工单位,施工单位复测时通常沿着设计单位所走线路对水平角和距离进行复核。线上,一旦开工肯定要被破坏,要依据,需要不停地恢复,置六个护桩,,细部放线时还要置镜在恢复的中桩上进行。这种传统复测

方法不仅要浪费很多物力和时间、效率不高,而且细部放线的误差也较大。

现在由于全站仪在施工单位的普及使用,使得利。,,施工时利用主,由于每次,所以测设精度不受影响。

中线桩的,简称中线法交桩复测;近年来不少设计单位习惯将控制线路的导线点和线路资料交给施工单位,对这种交桩方式的复测更简单,简称导线法交桩复测。下面详细阐述这两种复测方法。

0℃以前能获得抗冻所需的临界强度。

4 高性能泵送混凝土的施工质量控制

检查拌制混凝土所用原材料的品种、规格和用量、每一工班至少2次;检查混凝土在拌合站和浇筑地点的含气量、泌水率、坍落度,每工作班至少2次;在每一工作班内,当配合比受外界影响有变动时,及时调整混凝土的施工配合比。在浇筑地点制作3组混凝土试件进行强度试验,其中1组试件在标准养护条件下养护,1组放置在与结构物同条件下养护(最好放在易于受冻的部位);1组放置在与结构物同条件下养护7d后转入标准养护条件下养护。检验抗渗、抗冻等所用试件,应在与结构物同条件下养护28d后,再按标准养护条件养护28d后进行耐久性指标试验。通过对强度试件及耐久性试件按《青藏铁路高原多年冻土区混凝土耐久性技术条件》进行检测均满足要求,见表12。

强度等级

表12 混凝土强度及长期耐久性能试验结果

强度实测值ΠMPa

融300次抗渗

锈蚀强度损失质量损失相对动弹标号作用率fcΠ%率WnΠ%性模量P(S≥12)

(Δfc≤25)(ΔWn≤5)(P≥60)无

211～514

115～314

慢冻法冻融300次

快冻法冻

C303614～5118≥75>12

5 结语

经过大量试验和研究,低温早强高性能泵送混凝

土在风火山隧道工程中各项力学性能均能达到要求,保证了风火山隧道的质量。

修回日期:2004-09-20

泵送性能 篇3

混凝土工程施工中, “泵送”是常用的混凝土输送与浇筑方法, 大幅度提高了混凝土建筑的施工效率。从上世纪二、三十年代开始混凝土泵送输送以来, 泵送设备不断更新换代, 泵的技术性能越来越好。在此期间, 混凝土配制与生产技术也取得了巨大进步。例如, 广泛应用了减水剂和矿物掺和料, 可以配制高流动性或自密实混凝土, 也可以配制高强、超高强 (超高性能) 混凝土, 还可以针对使用环境配制高耐久混凝土, 等等。然而, 泵送混凝土技术发展至今, 在配制“泵送性能好”的混凝土拌和物方面, 技术的发展则相对落后, 一直缺乏科学准确、简单易行的方法评价混凝土拌和物是否适合以及是否容易泵送。目前的混凝土生产与施工中, 新配制的混凝土 (使用新原材料或新配合比) 需要在实际的或模拟的泵送管线上, 经过“真实泵送”测试拌和物泵送性能。图1为迪拜哈利法塔 (Burj Khalifa) 工程施工前, 进行混凝土泵送性能测试专门安装的“真实泵送”管线和设备。这样的泵送试验测试装置, 占地大、成本高且费工费时, 使泵送性能试验门槛高、难度大, 一般只有针对重大工程时能够开展这样的试验测试, 无法作为常规试验广泛应用于日常配制和生产的大量泵送混凝土。至今, 泵送混凝土主要还是依靠经验进行配合比设计, 主要依靠工作性测试和经验判断拌和物是否适合泵送和进行改善。但是, 经验已经越来越难以应对现在多种类和多变化的原材料, 也常常不适应现代混凝土的新特点 (高流动性、自密实、低水胶比等) , 或不能解决现在遇到的新问题。随着现在泵送施工应用越来越普及, 工程现场泵送过程中也越来越频繁地出现“意外”情况, 如堵泵、堵管、坍落度急剧损失、泵送阻力过高等, 成为严重困扰混凝土生产与施工技术人员的问题。

从开始使用泵和管道输送混凝土拌和物, 工程技术人员就开始探索如何配制适合泵送的混凝土, 可查阅到的最早相关文献发表在1936年[2]。探索工作一方面是根据工程实践积累的数据和经验, 总结对原材料和配合比的技术要求, 作为配制泵送混凝土的指导 (详见第2.3节) ;另一方面是研究尝试建立试验室方法, 评价混凝土泵送性能。

通过回顾上世纪所总结的泵送混凝土配制经验与试验研究成果, 结合本世纪的最新研究进展, 我们实际上已经具备试验室测试评价混凝土“泵送性能”的基本条件。可以预期, 在现有基础上, 再进一步完善试验室测试装置和方法, 开展试验室测试与真实泵送测试结果 (参数) 对比, 并建立起可靠的系列泵送性能参数的要求或判断标准, 就可以建立起完整、科学、简易、可靠的混凝土“泵送性能”测试与评价体系。这样, 泵送混凝土的配制与优化就变得简单易行。使用经过泵送性能充分测试和得到确认的混凝土拌和物, 是保证实际工程施工泵送顺利进行的基础。

首先, 怎样的混凝土拌和物“泵送性能”好呢?

1 混凝土泵送性能的涵义

混凝土拌和物的“泵送性能 (pumpability) ”包含“是否适合泵送”和“是否容易泵送”两方面涵义, 即需要从“可泵性”和“易泵性”两方面进行性能评价。“可泵性”指混凝土拌和物能被泵送, 一般不会堵塞管道, 也不会在泵送过程失去工作性, 是泵送施工顺利进行的前提条件。“可泵性”对混凝土拌和物的要求包括:

·有一定的流动性 (坍落度超过5cm) , 易于充满泵的缸体, 在适当的泵压力推动作用下能够在管道中移动;

·有良好的粘聚性, 在输送过程和压力作用下, 不会产生过量的泌水、泌浆或离析, 在正常泵送或重新起动时发生堵泵、堵管的可能性很小;

·在泵送压力和剪切作用下, 拌和物不会产生过大的流动性 (工作性) 损失。

·不会在泵送中断时因处于静置状态快速损失流动性, 而导致重新启动泵送的阻力过大或无法恢复流态;

“易泵性”指混凝土拌和物在管道中流动阻力的相对高低, 关系到泵送相同的距离或高度需要泵压的高低, 决定了泵送施工的效率。在远距离、高程或超高程泵送时, 以及较大混凝土结构施工时, 对混凝土拌和物的“易泵性”就会提出比较高的要求。

因此, 混凝土拌和物的泵送性能“好”, 意味着“可泵 (pumpable) ”并且“易泵 (easy to be pumped) ”。泵送性能属于混凝土工作性之一, 是受到多种因素影响并且需要多方面“平衡兼顾”的一种性能, 因此无法用单一试验进行测试评价。“真实泵送”可以检验多种因素综合作用的效果, 因此是测试检验泵送性能最有效、最可靠的方法, 但试验装置大、测试成本高, 无法作为常规试验方法广泛使用。然而, 泵送性能也可以分解为上述多个方面进行测试和评价, 即:用工作性、泌水指标、流动性损失速率 (静置、压力和剪切作用下) 等试验, 检验可泵性;用泵送阻力试验测试易泵性。这样, 综合了泵送性能所涉及的各个侧面, 也能够比较全面地评价混凝土泵送性能。

泵送过程在压力或剪切作用下的流动性或工作性较快损失, 是现代混凝土出现的新问题, 检验测试方法并不复杂 (在本文第6节探讨) 。易泵性测试一直是试验室试验的难点。如今, 在长期研究积累的基础上已经取得了突破性进展。首先, 确认了混凝土拌和物的泵送阻力本质上是泵送过程形成“润滑层”的摩擦阻力;其次, 发现“泵送压力-流速关系”近似线性, 直线的截距和斜率参数就反映了摩擦阻力的高低。这样, 通过测试钢-混凝土拌和物界面摩擦阻力, 如法国研发的“同轴圆柱摩擦仪” (Coaxial Cylinder Tribometer) , 可以间接测试与评价易泵性。最近, 德国成功设计出科学简易的试验装置“滑管式流变仪” (Sliding Pipe Rheometer) , 可以方便地直接测试“压力-流速关系”和评价易泵性 (在3~5节中介绍相关研究成果) 。

2 泵送性能测试与配制泵送混凝土的经验方法

2.1“可泵性”的试验测试与评价

在长期的混凝土泵送施工中, 堵泵堵管是最常遇到的问题。混凝土拌和物之所以可以泵送, 是依靠水泥砂浆包裹粗骨料、水泥净浆包裹细骨料传递泵压力和润滑拌和物而流动。在管道中如果拌和物发生泌水或泌浆离析, 粗细骨料失去浆体的包裹润滑 (如图2所示) , 骨料与管壁的摩擦阻力会骤然增大, 就可能发生堵管。同样, 如果拌和物入泵时就发生离析, 很可能导致堵泵。因此, “可泵”的首要条件是拌和物不离析, 至少不产生过度离析。最早避免拌和物离析的方法, 主要根据经验和依靠良好的骨料级配、砂浆含量、粉料 (细砂和水泥) 含量等保证。

英国R.D.Browne和P.B.Bamforth[3]经过长达8年的泵送试验研究, 试图建立检验新拌混凝土泵送性能特征值的测试方法, 包括: (1) 用压力泌水试验测试混凝土“脱水”的内部阻力; (2) 测定总体骨料的空隙率, 辅助泵送混凝土配制; (3) 在泵送管线上测试压力, 评价泵的效率和性能, 以及混凝土泵送性能。他们认为, 在压力作用下混凝土拌和物快速“脱水”是导致堵管的重要原因 (参考图2) , 因此研制了图3所示压力泌水试验装置。

压力泌水试验方法:将混凝土拌和物分两层装入125mm缸中 (不捣实) , 加压到35kgf/cm2 (约3.5MPa) , 然后打开泌水阀, 记录10秒和140秒泌水体积V10和V140。试验显示, 各种坍落度的混凝土拌和物, 在140秒以后压力泌水量很小, 因此试验到140秒就可以终止。典型的压力泌水试验结果如图4a所示, 其中V10高、V140低, 不能泵送;V10低、V140高, 可泵送。Browne等认为, 压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;压力作用140秒后, 拌和物中的水处于被压缩颗粒的空隙中, 不易被挤压出。新拌混凝土“脱水”快 (泌水多) , V10较大, (V140-V10) 则相对小;反之, (V140-V10) 较大, 则表明混凝土具有较好的可泵性, 因为 (V140-V10) 代表了颗粒之间起润滑作用的有效水量。用最大骨料粒径 (Dmax) 20mm的混凝土进行试验, 得到可泵送 (V140-V10) 最小值定量结果如图4b所示。这样, 测试混凝土拌和物的坍落度、V10和V140, 计算 (V140-V10) , 然后在图4b确定是否达到最小允许值, 就能够判断混凝土是否可以泵送。需要指出, 压力泌水试验是用来判断混凝土拌和物发生堵泵堵管的危险性, 也可以判断拌和物多余水量的高低, 作为改善配合比设计的参考, 但不能用于判断混凝土泵送阻力或“易泵性”。此外, 图4b中“可泵”与“不可泵”界限的划分, 是有限试验 (Dmax=20mm的混凝土) 得到的结果, 并不一定普遍适用。

张晏清等[4]试验研究用坍落度 (S) 和140秒压力泌水总水量 (V140) 两个指标表征混凝土可泵性, 结合实际工程泵送施工的验证, 将可泵性分为良好、中等和不可泵三个等级:S<16cm, 压力泌水量 (V140) 在70ml~110ml之间, 混凝土可泵性良好;S<8cm, 或V140>130ml, 或V140<40ml, 不可泵;介于以上范围, 可泵性中等。此外, 认为混凝土拌和物稳定性由加水量和小于0.3mm的细粉体积决定;砂浆体积与砂浆流动性共同作用决定混凝土流动性;减水剂和粉煤灰可提高可泵性。

法国D.Kaplan等[5]建立和使用一个148m长的“真实泵送”试验管线系统, 进行了68次不同混凝土拌和物泵送测试 (包括许多发生堵管情况) , 研究堵管产生的过程和机理, 以及避免的方法。其试验研究发现, 混凝土拌和物组成、泵管系统设计或泵送过程操作不当, 均可能诱发堵管, 并可能发生在泵送的任何阶段包括润滑管道 (润管) 、泵送、中断重新启动和清洗管道阶段。堵管产生原因和防止方法简述如下:

·润管阶段堵管:活塞式泵的每次推进, 会使混凝土的粗骨料在润管水泥浆中前移, 在水平管段跑到润管浆体前面并聚集, 达到一定量就会发生堵管。堵塞容易发生在弯管处和安装安全阀、流量计等部位。避免的方法包括, 在泵料斗混凝土不要与润管水泥浆混和, 应待润管浆液全部出了泵的料斗, 再加入混凝土, 或润管浆与混凝土之间用砂浆隔离;润管阶段, 泵宜以低速运行;使用润管水泥浆的量应与管道长度相适应, 每20m长管用约50kg水泥 (润管水泥浆水灰比0.5~0.8) 。

·泵送过程堵管:骨料最大粒径 (Dmax) 超过管直径1/4可能导致稳定泵送状态的堵管;快速提高泵送速率, 有时可引起锥形管道 (直径减小) 部位堵塞;局部的干扰如相连管节磨损程度不同、安装流量计或有橡胶管段等, 可能诱发堵塞产生;混凝土拌和物在泵料斗中发生离析, 可能大幅度增大进入管道的拌和物粗/细骨料比 (C/F比) , 并因而发生堵塞;混凝土拌和物本身粗/细骨料比大, 可能在泵料斗形成“拱”, 使拌和物下料不畅, 大量空气进入管道形成压缩空气气囊, 可能导致拌和物不稳定流动和引发堵塞;混入混凝土中异物, 如大石块、长金属丝等, 也可能导致堵塞。

·泵送过程中断, 重新启动时堵管:因为意外情况如清理管道堵塞或混凝土罐车迟到等, 泵送过程可能中断数十分钟甚至几个小时。首要的是必须避免混凝土在管道中凝结。在静止状态, 如果混凝土拌和物离析, 骨料沉降接触管壁, 水平管下部的润滑层会消失, 泵送阻力会大幅度增大, 使泵送重新起动困难或堵塞管道。

·清洗管道时堵管:直接用水清理和清洗管道, 会清洗掉骨料表面包裹的砂浆, 导致骨料失去润滑而产生堵塞。正确的方法为, 在两个橡胶球之间填充润湿的牛皮纸 (或废水泥包装袋) , 形成约1m长的低渗透性隔离塞, 使水不接触混凝土拌和物, 然后再将水泵入管道进行清洗。

上述产生堵管的原因中, 在开始的润管阶段和结束的清洗管道阶段, 发生堵管多属于错误操作方式造成的, 采用正确的泵送工艺流程一般可以避免。在泵送过程中、泵送中断重新启动过程发生堵管, 混凝土拌和物的“可泵性”不良或泌水离析大则是主要原因。

D.Kaplan等[5]尝试建立常压自由泌水速率与堵管之间的关系, 采用图5所示的试验装置和程序测量混凝土拌和物的泌水速率, 在真实泵送管道上实测检验可泵性 (是否堵管) , 得到的结果见图6。结果分析表明, 泌水速率可以反映混凝土拌和物的稳定性, 与发生堵管的危险性有一定相关性;粗骨料为圆角 (卵石) 、增加粒径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, 管道堵塞是一种概率事件, 诱发因素较多, 不能从单一泌水速率指标判断发生或不发生, 但泌水速率低表明泵送过程出问题的几率低。

2.2“易泵性”的试验测试与评价

由于没有有效的试验室测试方法, 混凝土的泵送性能, 以及各种因素对泵送性能特别是“易泵性”的测试分析, 长久以来只能在“真实” (试验铺设的或实际工程使用的) 泵送管线上进行 (类似图1) 。美国J.F.Best和R.O.Lane[6]曾研究一种“试验室混凝土泵送性能试验机”, 分析混凝土拌和物中各因素 (水灰比、砂浆体积、含气量、坍落度、粗骨料形状尺寸与用量、粉煤灰等) 对泵送性能 (易泵性) 影响, 并与真实泵送结果对比。“试验机”测试混凝土, 得到结果与真实泵送测试结果的相关性不强, 但这项研究从真实泵送获得大量有价值数据, 用于了解和分析多种因素对“易泵性”的影响, 部分结果见图7。一般而言, 对于传统的混凝土拌和物, 增大坍落度、增大砂浆体积含量、引气、使用粉煤灰和使用相对大的最大骨料粒径 (Dmax) , 均有助于降低泵送阻力, 改善混凝土易泵性。然而, 所有这些影响易泵性的因素, 只能在一定的、适宜的范围内变化或进行优化 (第2.3节中详细说明) 。

瑞典Johansson和Tuutti[7]试验测试了粉状材料含量、粗骨料含量、工作性 (坍落度) 等对泵送压力的影响 (可泵性与易泵性) , 获得结果包括:粉状材料含量 (水泥+粒径小于0.25mm砂) 460kg/m3, 坍落度在10cm~15cm, 泵送压力最低;最大骨料粒径 (Dmax) 小, 最佳粗骨料 (>8mm) 含量相对较小, 参考图8。

上述“泵送性能”的研究, 均是在上世纪七十年代开展的, 研究的混凝土拌和物也代表当时的混凝土组成和性能特征。到八十年代, 高效减水剂开始推广应用, 高强混凝土 (C60~C120) 开始在工程上应用。例如, 挪威在1987~1988年建造新一代混凝土结构的海上石油钻井平台Gullfaks C时, 为顺利浇筑这种密集配筋、高耸混凝土结构, 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) 。高泵送性能要求体现在: (1) 不能发生堵管, 因为泵管永久性埋在混凝土结构中, 很难清理疏通; (2) 最大泵送距离为水平150多米加垂直180米 (见图9) , 需要混凝土具备良好的易泵性。在施工Gullfaks C平台底部的油仓结构时, 水平泵送的泵压常常高达250~270巴 (约25MPa~27MPa) , 部分原因是骨料级配不良。为确保4个高180m圆筒柱顺利施工, 预先开展了大量模拟泵送试验, 优化和确认混凝土拌和物的泵送性能。模拟泵送采用350米 (水平300m、垂直50m管线, 含30多个弯头) 的试验管线, 实测不同混凝土的泵送压力, 结果显示:2%左右的硅灰替代水泥, 能显著改善泵送性能。一方面, 硅灰提高了混凝土的稳定性或粘聚性, 使高流动度 (坍落度26cm~27cm) 拌和物几乎没有泌水离析;另一方面, 硅灰有润滑作用, 将泵送压力降低15%~30%[8,9], 显著提高泵送效率, 参考图10。得益于充分的准备工作, Gullfaks C平台滑模施工的4个圆筒柱, 4万方C65混凝土在50天中连续、高效、顺利地泵送和浇筑完成, 每天滑模浇筑速度达到3m~4.5m。其中发生几次堵塞, 但均是“机械性”原因, 如泵、管线接头、阀的问题。施工过程发现, 由于原材料质量波动 (主要是粗骨料级配波动) 允许调整用水量 (实际水灰比在0.44~0.37范围变化) , 导致强度有一定波动 (28d抗压强度71MPa~81MPa) , 但加水量的变化没有明显影响混凝土拌和物的工作性和泵送性能, 表明少量 (2%) 硅灰显著降低了拌和物对水的敏感性。该工程中在350m模拟泵送管线和实际泵送施工中, 引气混凝土的表现均不符合常规, 其一:引气 (约4.5%) 使泵送压力有小量增大, 降低了易泵性 (见图10) ;其二:引气混凝土含气量经过泵送不降反增。当时开展试验分析, 但未能确定混凝土引气后“反常”表现的原因。可见, “引气”并不总能改善易泵性。

Gullfaks C平台工程后, 低掺量硅灰常作为“助泵剂”使用。从流变性上分析, 低掺量硅灰 (占胶凝材料5%以内) 可以降低混凝土拌和物的粘度, 因此能改善易泵性 (参考本文图22) 。

到九十年代, 聚羧酸 (高性能) 减水剂开始推广应用, 自密实混凝土 (SCC) 也真正在工程上应用。进入本世纪, 泵送施工所涉及的混凝土种类越来越多样 (包括普通工作性、高工作性和自密实混凝土, 也包括低、中、高强度等级混凝土) ;混凝土原材料种类越来越多 (减水剂就包括普通、高效、高性能产品, 矿物掺和料品种增加且普遍应用, 出现新品种外加剂如增粘剂、保水剂等) ;原材料 (包括骨料、水泥、矿物掺和料、减水剂等) 的质量和性能的差异性越来越大。因此, 现在影响混凝土泵送性能的因素更加多元和复杂, 往往很难再依靠经验作出判断或发现潜在问题。

减水剂能够改善混凝土拌和物的工作性, 一般也能改善泵送性能 (减小流动阻力或泵送压力) , 但如果使用不当, 减水剂也可能增大混凝土拌和物泌水、泌浆或离析, 导致堵泵堵管。自密实混凝土具备高工作性和稳定性, 但如果拌和物的稳定性 (抗离析能力) 是依靠增粘剂提高粘度来实现的, 流动阻力会较高, 易泵性并不好。图10显示迪拜哈利法塔 (Burj Khalifa) 工程泵送C80和C60混凝土, 实测泵送不同高度时的泵送压力。至346m高度时, 将C80混凝土粗骨料最大粒径 (Dmax) 从20mm减小为14mm, 泵送压力有明显的降低。苏广洪等[10]在广州西塔工程施工中, “通过减小粗骨料最大粒径、适量使用硅灰这两项措施, 明显降低了泵送压力, 解决了西塔低强度等级 (C35~C60) 混凝土在超高泵送过程中易离析、泵压波动较大的难点”。现代混凝土拌和物, 减小Dmax可改善易泵性, 这与传统混凝土不同 (参考图7e和8b) 。

以上所有改善易泵性的经验和方法, 都是在模拟或施工的真实泵送过程获得的。张晏清[11]尝试建立混凝土泵送压力与压力泌水的关系。分析试验数据发现, 泵压与压力泌水V140之间大致可按80ml分为两个区域 (参考图12) , V140>80ml, 泵压与V140基本无关;V140<80ml, 随V140减小泵压上升。高层泵送时, 当V140>110ml, 泵压波动;V140>130ml, 容易阻泵。因此, 建议泵送混凝土的V140最佳范围为40ml~110ml (兼顾了可泵与易泵) 。逄鲁峰等[12]认为, 对于高性能混凝土 (HPC) , 特别是高强混凝土, 由于胶凝材料用量大、细粉含量高, 使拌和物保水性好, 压力泌水一般在较低范围变化且差异较小, 不适合用于评价可泵性 (易泵性) 。评价HPC可泵性 (易泵性) 的关键在于反映拌和物粘度的变化。他们采用扩展度反映拌和物的变形能力 (屈服应力) , 倒坍落度筒流空时间反映粘度。结合实际工程施工测试结果, 将HPC拌和物分为不可泵区、可泵区 (扩展度50cm以上、流空时间3~23秒) 和可泵性良好区 (扩展度54cm以上、流空时间3~17秒) (这里的“可泵”应该是“易泵”) 。这两种试验评价“易泵性”的方法, 属于定性或半定量判断, 可作为配制“易泵”混凝土的参考。

如今, 影响泵送性能的因素越来越多元和复杂, 测试与分析各因素的影响, 半定量试验敏感性和准确性不足, 真实泵送的试验规模和成本又过高。因此, 非常需要简单科学的测试评价手段。近十来年, 这方面的研究与探索取得了很大进展 (见第5节) 。

2.3 配制泵送混凝土基本要求 (图表经验法)

1977年W.G.Anderson[13]将配制泵送混凝土的要点或特征总结为“10条”, 并制成图表 (详见表1和图13) , 用于指导泵送混凝土配制, 分析和检查所使用原材料和配合比是否符合经验的要求。这“10条”是大量实践经验总结和应用表1和图13的说明, 也是混凝土拌和物获得良好泵送性能“平衡兼顾”的基本原则, 至今仍然有很高的参考价值, 因此简要介绍如下[13]:

(1) 粗骨料 (CA) /总骨料 (TA) 的体积比 (CA/TA) :一般在50%~65% (砂率50%~35%) 范围, 宜根据最大骨料粒径 (MSA, 即Dmax) 和砂细度模数 (FM) 具体确定。

·CA/CT比低于50% (体积砂率大于50%) , 拌和物可能也是可泵的, 但需要更多的水和粉料润滑由于细骨料 (FA) 较多而增大的表面积。

·如果其它的指标是最优的, C A/C T比达到65% (体积砂率低至35%) 也是可泵的。最大骨料粒径 (MSA) 较大、骨料粒形较好 (圆角) 并且细骨料 (FA) 的细度模数 (FM) 较小, CA/CT可以比较接近65%, 因为较大MSA和圆角颗粒需要润滑的表面积较小;较大MSA使总骨料级配范围增大, 有助于减小骨料间空隙体积;FA的FM值小, 表明填充空隙的平均粒径较小。

·普通混凝土的粗、细骨料, 因为比重相似, 配制可以用重量计算CA的比例。但对于比重不同的骨料, 如轻骨料混凝土, 必须计算骨料的体积比。

(2) 细骨料 (FA) 的细度模数 (FM) :对于普通砂, FM应在2.4~3.0范围;对于轻质FA, 建议FM在2.2~2.8范围。FM是在4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.60mm、0.30mm和0.15mm (4#、8#、16#、30#、50#和100#) 筛筛余的加权平均颗粒尺寸。

·虽然较细的砂需要相对多的水实现流动性, 但粗的砂会增大泌水和离析的趋势。

(3) 细骨料 (FA) 累计通过0.30mm和0.15mm筛比例:0.30mm筛的通过率应在15%~30%范围;0.15mm筛的通过率应在5%~10%范围。水泥中超过213kg/m3的部分, 或同类细度的粉状材料, 应计入FA通过0.30mm筛的这部分。

·如有额外的细粉, 可将其重量除以总骨料 (TA) 重量, 得到额外细粉百分含量, 计入到FA的0.30mm和0.15mm筛通过率中, 然后检验是否符合推荐范围。

(4) 水泥或同类细度粉状材料:通过0.075mm (200#) 筛的材料应不少于213kg/m3。

·有些同类细度材料 (如粉煤灰) , 因为具有相对平滑表面和较圆粒形, 与泵送管线的摩擦力比水泥低。

·水泥用量中超过213kg/m3部分, 应计入FA的0.30mm和0.15mm筛通过率中 (见第3条) 。

(5) 骨料级配:粗细骨料组合的级配曲线应符合图13要求。

·经验表明, 在最大与最小筛尺寸之间, 如果粗细骨料组合的级配曲线接近直线, 混凝土拌和物较容易泵送。

·如果级配曲线是锯齿 (折线) 状, 或某部分低于经验的界限, 则混凝土拌和物属于“勉强”可泵或完全不可泵。

(6) 坍落度:适宜泵送的坍落度在5cm~15cm范围。

·更低的坍落度会增大泵送管线的摩擦阻力和阻碍流态的形成;更高坍落度则会增大拌和物在管线中离析趋势。

(7) 含气量:最佳引气量为3~5%, 可以抑制泌水、改善工作性和泵送性能。

·引气量超过6%或7%, 拌和物的可压缩性过高, 会加剧泵送管道中压力的波动。

(8) 骨料饱水状态:普通骨料的吸水率通常在0.5%~4%。以饱和面干状态调整和计量骨料重量, 配制的混凝土拌和物经过泵送的坍落度损失较小或没有损失。

·轻骨料内部孔隙的吸水量, 最高可达到自身重量的50%, 在泵送压力作用下可导致拌和物失去流动性而不可泵送。自然吸水状态的轻骨料, 在使用前应喷水润湿堆场全部骨料2~3天, 使吸水率至少达到ASTM试验的24小时吸水率。

·如果在泵送压力作用下, 吸水轻骨料还有残余吸水能力, 则可能需要辅助措施使骨料达到更高的“预吸水率”。真空或热饱和吸水的轻骨料, 在这类处理过程吸水接近完全饱和。这样, 轻骨料从拌和物吸水的能力很小或没有。以体积计量配制的轻骨料混凝土, 泵送性能与普通混凝土相似。

(9) 骨料形状:

·与多角不规则骨料 (碎石、机制砂) 相比, 天然圆角骨料 (卵石、天然砂) 的比表面积较小, 泵送需要的水和粉料较少。破碎形成的不规则骨料, 在泵管中容易产生互锁作用。使用碎石粗骨料 (CA) 配制的混凝土拌和物一般是可泵的, 但如果细骨料 (FA) 也是破碎砂 (机制砂) , 泵送常常会出问题或完全不可泵。将机制砂与少量天然砂混和使用, 一般能够改善泵送性能。

·最大骨料粒径 (MSA) , 碎石骨料应不超过管道直径的33%, 卵石骨料不超过管道直径的40%。MSA定义为:所有骨料都能够通过的最小筛孔尺寸。

(10) 外加剂:

·如第7条所述, 使用引气剂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剂, 如减水剂、细矿物外加剂、水溶性聚合物, 也能改善泵送性能。泵送过程中断较长时间, 促凝类外加剂可能增大堵管的风险。这里不讨论外加剂的影响, 但每种外加剂均应看作改善或降低泵送性能的因素。

·近年来 (1977年时) , 泵送外加剂已经用于降低混凝土拌和物在管道中流动的阻力。市场上也有“超塑化剂” (高效减水剂) 供应, 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总结的上述原则, 特别是按图13要求选择和优化骨料级配, 是获得混凝土优良可泵性的基础。现代混凝土与七十年代差异较大的方面, 是普遍使用高效和高性能 (聚羧酸) 减水剂和普遍使用矿物掺和料, 并且种类增多。正如第10条所述, “每种外加剂 (和掺和料) 均应看作改善或降低泵送性能的因素”, 可以采用本文第5、6章介绍的方法测试和评价。

3 混凝土拌和物在泵管中流动状态与润滑层研究

传统上认为, 在泵压作用下, 混凝土拌和物在管道中是以“活塞式”滑动方式流动 (plug flow, 见图14a) , 即中间部分呈圆柱状移动, 在“圆柱”与管壁之间有一个“润滑层” (lubrication layer) , 也称作“摩擦层” (friction layer) 或“边界层” (boundary layer) 。法国D.Kaplan认为[15], 在低速流动时 (即流量低于Q1) , 依靠薄层细砂浆润滑管壁, 混凝土拌和物是“活塞式”滑动, 即流动以摩擦流为主 (如图14a所示) ;增大流速需要施加更高的泵送压力, 当作用于“活塞流”的压力高到一定程度, 所产生的剪切应力超过拌和物的屈服应力 (τ0) , 就会产生粘滞流 (如图14b所示) , 这时混凝土拌和物是摩擦流与粘滞流两种方式流动 (参考5.2节) 。

Kaplan模型 (图14b) 较好地描述了混凝土拌和物在管道中的流动状态, 更符合现代混凝土特性, 因为现在的高流动度和自密实混凝土的屈服应力 (τ0) 较低, 容易形成粘滞流, 即泵送管道中有时同时有摩擦流和粘滞流。

压力推动混凝土拌和物在管道中移动, 摩擦的作用会使混凝土中的浆体产生迁移, 富集在管内壁表面形成细砂砂浆的边界润滑层 (由水、胶凝材料和外加剂构成的净浆与细砂组成) 。混凝土拌和物能够产生合适厚度、稳定、连续的润滑层, 才具有可泵性;润滑层的润滑性能优劣, 即降低摩擦阻力的能力, 决定了易泵性高低。近些年, 借助一些创新的试验测试方法, 对边界润滑层的研究与认识正在逐步深入。

法国T.T.Ngo等[16]用圆盘和圆柱摩擦仪的钢与混凝土拌和物界面摩擦产生边界层, 测试分析边界层的组成。如图15所示, 钢圆盘贴在新拌混凝土表面旋转 (图15b) 或钢圆柱在新拌混凝土中旋转 (图15c) , 扭矩 (Ω) 能定量化反映界面的摩擦阻力。摩擦仪的摩擦状态与泵送有一定差异, 但可以作为间接测试方法, 分析和预测混凝土拌和物“易泵性” (在5.2节介绍) 。Ngo等用摩擦仪测试不同组成的混凝土, 提取和分析摩擦产生的“边界层”, 得到如下主要结论:

·边界层为水、水泥和粒径小于0.25mm的细砂组成的细砂砂浆, 水灰比与混凝土基本相同。

·与混凝土中细砂 (<0.25mm) 部分的砂浆相比, 边界层砂浆的细砂体积含量相对较高, 即有细砂富集。

·混凝土组成的不同, 使边界层厚度在1mm~9mm之间变化。混凝土水泥净浆含量、水灰比和高效减水剂用量增大, 边界层厚度增大;混凝土细砂含量增大, 边界层厚度减小。

韩国M.Choi等[17]试验研究了在真实泵送流动状态, 混凝土润滑层的性质。试验使用内经125mm、长度170m水平泵送管道, 最后一段管道中安装有1m长透明塑料管和超声波测速仪 (见图16) , 用于测试混凝土拌和物流动过程管内同截面上的流速分布。在三种流量 (30m3/h、40m3/h和50m3/h) 状态下, 不同混凝土 (C40、C50和C60, 均含粉煤灰和磨细高炉矿渣) 的测试结果见图17。从中可见, 三个强度等级的混凝土拌和物在不同泵送流量状态下, 润滑层厚度都在2mm左右, 表明流量或流速对润滑层厚度没有明显影响。测试所使用的三个强度混凝土, 原材料组成相同, 配比不同 (最大差异是水胶比) , 故无法显示和分析混凝土组成对润滑层的影响。

4 泵送压力-流速 (流量) 的关系

有许多研究, 尝试用流变学理论建立数学模型 (包括Kaplan模型) , 描述混凝土拌和物在管道中的流动和预测“易泵性”。对于非均质、含固液气三相的混凝土拌和物, 用数学模型将各种因素对流动的影响定量化, 复杂性和难度非常大。所以, 通常“简化处理”, 仍然将流动状态看作“活塞流” (见图14a) 。这样, 混凝土拌和物在管道中流动的压力—流速 (或流量) 之间, 即P/Q关系, 可简化为近似直线关系:

P=k1+k2·Q (式-1) (其中:P泵送压力, Q泵送体积流量)

实际上, 早在上世纪五、六十年代, 实测的泵送阻力与混凝土流速的数据, 已经显示出流动阻力-流速 (即压力-流速) 之间近似直线关系。R.D.Browne等[3]将一些数据汇总绘制在图18上。其中, 坍落度较小 (分别为0mm、65mm和75mm) 的混凝土, 流动阻力-流速的关系呈略微弯曲线, 其它混凝土 (坍落度≥75mm) 均近似直线。M.Choi等在真实泵管系统测试泵送压力与流量数据, 回归得到压力-流量 (P/Q) 关系也近似直线, 见图19。该试验的C40、C50和C60混凝土, 扩展度在600mm~620mm范围, 属于现代高工作性、自密实混凝土拌和物。

西班牙O.Rio等[18]在真实管线上测试不同组成的新拌混凝土, 用最小二乘法线性回归得到压力-流量 (P/Q) 关系, 相关系数 (R2) 均超过0.999, 详见图20。因此, 将P/Q关系简化为直线, 能够比较准确地反映真实泵送状态。

O.Rio等还将混凝土拌和物 (SR+) 放置不同的时间, 坍落度有一定经时损失后, 测试泵送压力与流量, 回归得到的P/Q关系直线见图21。从中可见, 同一拌和物在不同坍落度状态下, P/Q关系直线接近平行线, 即随坍落度降低, P/Q直线的截距k1增大, 但斜率k2没有显著变化 (参考表2) 。这说明, 混凝土组成 (原材料和配比) 固定后, k2是相对稳定的数值。作为P/Q关系直线的斜率k2, 反映了混凝土的泵送阻力, k2低表明泵送阻力相对低, 即易泵性好。

同样不难看出, P/Q直线的截距k1, 代表了混凝土拌和物在泵管中开始移动 (流动) 需要的初始压力 (k1=P0) , 压力超过了P0或k1, 增大流量需要压力以k2比例同步增大。所以, k1是评价“易泵性”的另一个参数。k1受坍落度影响, 但不是线性关系, 因为k1的性质主要决定于润滑层。

有了泵送的压力-流量 (P/Q) 之间简单的、近似直线的关系 (P=k1+k2·Q) , 以及参数k1、k2的物理意义, 即k1代表泵送的起动压力, k2代表泵送阻力, 研发测试易泵性的简易方法就有了依据和明确方向—直接或间接地测试混凝土拌和物的k1和k2参数, 但需要体现“拌和物摩擦形成的润滑层”而不是拌和物本体 (实际上k1与k2分别体现了润滑层的屈服应力和塑性粘度, 在本文5.2、5.3节介绍) 。此外, 在泵送施工过程, P/Q关系还可用于在线实时检测混凝土拌和物的变化, 作为混凝土质量稳定性的监测手段[18]。拌和物的组成 (用水量、水胶比、骨料含量或级配、减水剂掺量等) 发生变化, k1和k2会同时变化。泵送过程在泵送管线上实时测量压力与流量, 同步计算的k1和k2能实时显示出拌和物是否发生了变化。

5“易泵性”试验测试方法

5.1 混凝土流变仪是否适合用于评价“易泵性”?

具有一定流动性的混凝土拌和物, 流变性可用理想化宾汉姆 (Bingham) 模型 (τ0≠0, 塑性粘度μ是常数) 描述, 即:

τ=τ0+μ·γ (其中:τ剪切应力, τ0屈服应力, μ塑性粘度, γ剪切速率)

与传统评价新拌混凝土工作性方法 (如坍落度、扩展度、T50时间、倒坍落度筒和V形漏斗流空时间等) 相比, 流变参数屈服应力 (τ0) 和塑性粘度 (μ) 能够更好地定量描述混凝土工作性, 并且物理意义明确。用流变仪测试混凝土的流变性参数, 可以试验分析各种因素影响流变性的方式和强弱 (如减水剂、水、引气、硅灰或其它矿物掺和料等对τ0和μ的影响, 参考图22a) , 或用于分析确定减水剂、掺和料等适宜掺量范围。以图22b为例分析, 胶凝材料300kg/m3或400kg/m3时, 要降低混凝土粘度μ, 硅灰取代水泥应分别不超过4%或5%。

现在, 有几种商业化供应的混凝土流变性能测试仪[20,21], 如图20所示冰岛和法国研制的流变仪, 均是“同轴”旋转叶片或叶轮结构 (类似“搅拌器”) , 通过测试不同旋转速率的扭矩反映对混凝土拌和物产生的剪切速率和应力, 按照宾汉姆模型计算得到流变参数τ0和μ。

流变仪为研究、分析和评价新拌混凝土工作性提供了一种新手段, 但不同流变仪的结构和尺寸差异非常大, 它们测试得到的数据可靠吗?能真实反映混凝土工作性吗?为此, 美国ACI 236A“新拌混凝土工作性”委员会组织分别在法国LCPC试验室 (2000年) 和美国MB试验室 (2003年) 进行了两次对比试验, 结果表明[20]:几种流变仪 (冰岛BML、法国BTRHEOM、法国CEMAGREF-IMG、加拿大IBB和英国Two-Point) 测定屈服应力和塑性粘度的“绝对值”差异很大, 但均能有效评价这两个参数, 不同流变仪相互之间的测试结果也有比较好的相关性。由此可见, 基于宾汉姆模型设计的各种流变仪, 所测试的流变性参数 (τ0和μ) 属于“相对值”。不同结构和尺寸的流变仪, 都能比较敏感地反映不同混凝土拌和物流变性的差异, 即能“相对”准确地测试和评价混凝土流变性, 但只有在同一台或相同流变仪上获得的测试结果, 才具有直接可比性。此外, 对比分析不同试验方法的数据显示[21]:屈服应力τ0与坍落度、扩展度之间有较好相关性;塑性粘度μ与T50之间有一定相关性。其中的原因在于:与时间无关的坍落度、扩展度等测试值, 反映的是混凝土的屈服应力;与时间相关的T50、倒坍落度筒或V形漏斗流空时间测试值, 反映的是塑性粘度。

法国F.de Larrard等[22]尝试用混凝土流变仪 (图23b) 测试的塑性粘度, 建立与泵送阻力的关系, 但效果不佳 (相关性系数只有0.59) 。这种传统“搅拌器”式的混凝土流变仪, 测试的是混凝土拌和物本体的流变参数, 不能显著体现润滑层的“摩擦”性质或流变性, 而润滑层又来源于混凝土的砂浆, 因此混凝土的本体流变性与易泵性之间有关联, 但相关性较弱。也就是说, “单独”使用传统的流变仪, 只能半定量评价混凝土的易泵性。

5.2 圆柱摩擦仪

D.Kaplan等[23]通过大量泵送试验研究和理论分析认为:混凝土拌和物在管道中前进主要是依靠边界润滑层“滑移” (摩擦流, 参考图14a) , 泵送压力损失来源于润滑层的剪切变形 (参考图24) 。与管横截面相比, 润滑层厚度可以忽略, 这样可以将润滑层看作钢-混凝土界面, 润滑层剪切应力 (τi) 看作界面摩擦应力。泵送压力与流量 (P/Q) 的直线关系说明:摩擦应力与压力无关, 与滑移速率呈直线关系。因此, 可以应用宾汉姆模型描述润滑层, 这样得到泵送界面润滑层的剪切应力 (即摩擦应力) τi为:

τi=τ0i+μi·υ (i表示界面, τ0i屈服应力, μi塑性粘度, υ滑移速率) (式-2)

然后可以推导泵送过程润滑层屈服应力 (τ0i) 和粘度 (μi) 分别为:

(其中:P0为P/Q直线的截距k1 (巴) ;k2为P/Q直线的斜率 (巴·h/m3) ;R为管半径 (m) ;L为管长度 (m) ;g为重力加速度 (m/s2) )

根据以上分析, D.Kaplan等设计了测试钢-混凝土界面摩擦特性的仪器—同轴圆柱摩擦仪, 见图25。该仪器是在图23b流变仪基础上, 将测试流变的“搅拌器”更换为钢圆柱筒, 用于测试钢-混凝土界面的摩擦。测试原理为:钢圆柱在混凝土拌和物中旋转, 摩擦在钢-混凝土界面产生润滑层后, 测量不同旋转速率的扭矩, 可以计算得到润滑层屈服应力τ0i和塑性粘度μi。

图26是用真实泵送测试数据与摩擦仪测试数据, 计算得到润滑层τ0i和μi的结果对比。测试36组不同混凝土拌和物, 两种方法得到的μi紧靠x=y直线, 一致性较强 (图26a) ;τ0i的离散性较大, 但仍能得到拟合直线x=y。这表明, 用同轴圆柱摩擦仪测试获得的结果, 能够有效反映润滑层的性能特征, 但图26b说明该仪器或方法对τ0i的敏感性不是很高, 可能需要较多的测试量, 才能获得比较准确的测试结果。

以“摩擦流”为主的拌和物 (参考Kaplan模型, 图14a) , 用润滑层参数τ0i和μi就可以建立压力-流量 (P/Q) 关系 (见下面式-3) , 即τ0i和μi就可以评价易泵性 (分别直接体现k1与k2) 。高流动性混凝土 (如坍落度超过240mm) 一般会同时出现“粘滞流” (参考图14b) , D.Kaplan等建立的压力-流量模型采用BuckingamReiner模型和方程计算“粘滞流”部分, 得到计算压力方程式-4 (略去推导过程) , 这时除润滑层流变参数τ0i和μi外, 还需要混凝土拌和物本体的塑性粘度 (μ) 和屈服值 (τ0) , 即需要结合使用流变仪和摩擦仪两个仪器分别 (也可以是同一台仪器分别使用两种部件) 进行测试, 然后用专门软件计算。据介绍[23], 通过36个真实泵送测试和3个工地现场测试对比, 用两组参数τ0i、μi和τ0、μ计算预测压力-流量 (P/Q) 关系, 验证了这种方法的准确性。图27为一个工地现场泵送C60和C35混凝土, 实测与预测P/Q关系的对比。

当润滑层剪切应力小于混凝土屈服应力 (τi≤τ0) 时, Q总=Q摩擦流 (总流量等于摩擦流的流量) , 压力方程为:

当润滑层剪切应力大于混凝土屈服应力 (τi>τ0) 时, Q总=Q摩擦流+Q粘滞流 (总流量等于摩擦流+粘滞流的流量) , 压力方程为:

(以宾汉姆流变模型和Buckingam-Reiner粘滞流模型为基础推导得到上述方程, 其中:L泵管长度, R泵管半径, k填充系数, μi、τ0i为润滑层流变参数, μ、τ0为混凝土本体流变参数) 。

5.3 滑管式流变仪

德国普茨迈斯特 (Putzmeister) 公司最新研发的“滑管式流变仪” (Sliding Pipe Rheometer, 简称Sliper“滑管仪”) , 采用模拟真实泵送的状态测试压力与流速, 直接获得评价易泵性的两个参数k1与k2, 使易泵性的测试更加科学简便。“滑管仪”的结构见图28, 原理为:在滑管中装入混凝土拌和物插捣密实, 上下移动滑管5~10次使混凝土与管壁之间形成润滑层;然后提起滑管, 在滑管上套加重环, 让滑管自由落下, 同时在下部活塞顶端测试压力 (P) 和滑管落下速率 (换算为流量Q) 。通过几次不同配重 (最少2次) , 使滑管以不同速率落下, 得到两组以上P和Q, 就可计算得到k1与k2。

V.Mechtcherine等[24]介绍, 为分析在滑管内混凝土是以怎样的方式流动, 即是单纯的“滑移” (摩擦流) , 还是既有“滑移”又有“剪切移动” (粘滞流) , 用混凝土染色的方法观察, 发现滑管内只有“滑移”。其实, 这很可能是因为滑管内的压力比较低, 不能产生足够高的剪切应力使混凝土产生粘滞流。仅考虑“滑移”的摩擦流, 式-2和式-3同样适合滑管式流变仪。混凝土底部测试压力 (Pt) 包含混凝土自重产生的压力 (PH) , 减去自重部分压力得到:

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

滑管仪没有考虑或不足以产生粘滞流, 理论上似乎不够全面。也就是说, 滑管仪测试得到的k2等于Kaplan模型的前半段斜率α (流量低于Q1, 见图14b) ;如果出现粘滞流 (流量超过Q1) , k2会降低为β (见图14b) , 滑管仪无法体现β。然而, 滑管仪模拟了混凝土在泵管中流动, 得到的k1、k2直接真实地体现润滑层的流动阻力;与圆柱摩擦仪一样, 结合混凝土本体的流变参数μ和τ0, 也可以用式-4预测有粘滞流的P/Q关系。

为验证滑管仪评价混凝土易泵性的可靠性, 德国德雷斯顿技术大学进行了大量试验对比, 图29是实际工程使用的普通混凝土 (OC) 、含粉煤灰普通混凝土 (OC-F1) 和含粉煤灰自密实混凝土 (SCC-F2) , 用滑管仪测试结果预测P/Q关系与现场实测的结果对比。可见, 预测的P/Q关系相当准确。

使用滑管仪测试混凝土拌和物的易泵性, 研究与分析各种因素对易泵性的影响, 就变得简便易行。V.Mechtcherine等试验对比了水泥品种 (CEM II 42.5N和CEM I 42.5R-HS) 、粗骨料种类 (卵石与碎石) 、水胶比 (0.60、0.45和0.30) 、工作性 (扩展度F3和F5) 、矿物掺和料 (粉煤灰和硅灰) 对易泵性的影响, 测试结果汇总于图30。从总体上看, 易泵性决定于水胶比, 高水胶比拌和物更易泵。按图30右侧所列的各对比组 (每个对比组的拌和物只有一个因素变化, 其它完全相同) , 可以分析单一因素变化对易泵性的影响。从中可见, 所使用的两种水泥易泵性差异不大 (对比1号12号) ;卵石粗骨料混凝土的易泵性比碎石混凝土稍好 (对比1号3号、5号6号) ;硅灰改善了易泵性 (对比6号7号) , 但粉煤灰降低了易泵性 (对比6号8号) 。该试验粉煤灰的结果反常, 不能确定是粉煤灰质量的原因, 还是在低水胶比状态下粉煤灰的润滑作用不能发挥出来。

欧洲混凝土标准 (EN 206-1) 将混凝土拌和物工作性按所用试验方法分为不同等级, 按扩展度分为F1~F6六个等级, 其中F3等级扩展度为450±30mm、F5等级为590±30mm。工作性 (扩展度等级F3与F5) 对易泵性的影响, 可分别对比图30中三组组成和配比相同但高效减水剂掺量不同的拌和物, 即对比 (1) 组3号 (F3) 4号 (F5) 、 (2) 组8号 (F3) 11号 (F5) 和 (3) 组7号 (F3) 10号 (F5) 。其中, (1) 组的水胶比0.45, F3工作性的3号比F5工作性的4号易泵性稍好; (2) 组的水胶比0.3, 二者 (8号与11号) 的工作性不同, 但易泵性没有明显差异; (3) 组水胶比0.3且含硅灰, F5工作性的10号拌和物具有明显更好的易泵性 (10号拌和物的高效减水剂用量比7号拌和物多2.3kg/m3或16%) 。可见, 工作性 (坍落度或扩展度) 与易泵性之间没有明确的关系。

分别用滑管仪、冰岛流变仪 (图23a) 和扩展度D2 (混凝土拌和完成当时测试的扩展度为D1, 然后再缓慢搅拌15分钟, 测试的扩展度为D2) 测试各混凝土拌和物, 对比不同方法得到的流变参数和扩展度D2发现:流变仪测试拌和物的塑性粘度 (μ) 与滑管仪测试润滑层粘度 (μi) 之间的线性相关性非常强 (相关系数R2=0.99, 见图31a) , 二者测试的拌和物屈服应力 (τ0) 与润滑层 (τ0i) 之间有一般的相关性 (R2=0.72, 见图31b) 。显然, 润滑层的细砂砂浆来源于混凝土拌和物, 二者之间的净浆组成 (水泥、外加剂、水胶比等) 基本相同, 故润滑层粘度 (μi或k2) 与混凝土拌和物粘度密切相关;在骨料构成上, 润滑层与混凝土有较大差异, 可解释二者的屈服应力之间只有一般的相关性。另外, 扩展度D2与润滑层屈服应力 (τ0i) 之间的相关性一般 (R2=0.75, 见图31c) , 但与流变仪测试的拌和物屈服应力 (τ0) 之间有强相关性 (R2=0.94, 见图31d) 。由此可见, 结合使用滑管仪和扩展度D2, 有可能比较准确地评价混凝土拌和物的流变参数μ和τ0。如果图31a和31d建立的相关性, 得到广泛大量的试验验证, 则滑管仪和扩展度D2就可以替代流变仪简化试验测试。

图32为普茨迈斯特公司的滑管仪。滑管仪模拟真实泵送获得物理意义明确的量化泵送性能参数, 有限的实际工程泵送测试对比也验证了滑管仪测试结果的准确性。滑管仪的问世, 使试验室定量化测试与分析易泵性影响因素变得可行和可操作, 是配制和优化泵送混凝土的有效工具。作为一种新试验测试方法, 滑管仪应该还要经历一个改进和完善过程, 方便使用操作和提高可靠性, 并在大量应用的基础上总结正确操作方法, 有望最终成为一种广泛应用的试验方法。

6 泵送过程混凝土拌和物工作性和流动性损失问题

混凝土拌和物的工作性或流动性 (用坍落度、扩展度或流变参数τ0、μ评价) 是一个随时间变化的性能。工作性的“经时损失”指混凝土拌和物在动态 (在罐车中慢速搅拌状态) 或静止状态, 由于水泥水化消耗越来越多水、化学外加剂 (减水剂、缓凝剂等) 作用逐步减弱等原因, 受温度影响、随时间延长产生的“不可逆”工作性损失 (二次添加水或减水剂搅拌, 可部分恢复工作性) 。混凝土工作性的经时损失是正常的过程, 需要根据具体工程特点、浇筑方法、环境温度等条件和要求, 控制工作性损失的速率, 为运输、泵送和浇筑保留足够长时间。

然而, 现代混凝土拌和物组成与配比、原材料质量与性能的变化, 如采用低水胶比、应用聚羧酸减水剂、应用矿物掺和料、水泥细度增大等等, 使其它可导致工作性损失的原因和机理变的显著起来。也就是说, 现代混凝土拌和物的工作性除有传统意义上的“经时损失”外, 还可能受其它因素作用“加速”工作性损失。泵送过程存在的“加速”因素包括静置状态 (无剪切作用) 、压力作用和剪切作用, 可导致有些“敏感”混凝土拌和物浆体“增稠”和工作性快速损失。“可泵”的混凝土拌和物, 除入泵时工作性或流动性良好外, 还需要具备两个性能:一是泵送过程因故中断, 停止一段时间, 要能比较容易重新启动和恢复“流动”;二是经过泵送的拌和物, 到达浇筑部位仍然需要保持良好的工作性。为此, 配制泵送混凝土拌和物时, 需要考虑和防止发生这些“加速”流动性与工作性损失的可能性。

6.1 静置产生的流动性较快损失

坍落度经时损失的测试方法, 一般是将混凝土拌和物盛放在桶中, 盖上盖防止水分蒸发损失, 静置0.5、1、2或3小时等, 测试坍落度。如果静置后, 经过搅拌再测试坍落度, 得到的是“真实”的不可逆坍落度损失。如果静置后, 直接装入坍落度筒测试, 得到的坍落度损失包含“真实”损失和“假性”损失。“假性”工作性损失类似于“假凝”, 经过搅拌是可以恢复的或可逆的, 产生的原因可用“触变性” (thixotropy) 解释。

触变性的产生机理为:拌和物在搅拌的剪切作用下, 逐步进入颗粒悬浮状态, 屈服应力 (τ0) 降到最低水平;在静置状态, 不受剪切的作用, 浆体中颗粒逐渐变为凝聚状态, 屈服应力重新升高 (参考图33) 。“凝聚” (coagulation or flocculation) 指颗粒之间相互物理性点接触形成骨架结构, 包括早期水化产物对颗粒接触点的化学粘结[26]。化学粘结较弱时, 重新施加剪切作用可以破坏点接触, 恢复颗粒悬浮状态而降低屈服应力。

低水胶比、含矿物掺和料的“浓颗粒分散体系”混凝土, 如果减水剂的分散“效力”不够强大, 浆体颗粒的凝聚速率可能会较高而呈现高触变性, 即处于无剪切静置状态屈服应力会较快增长, 表现为工作性较快损失 (“假性”损失) 。M.K.Rahman等[27]研究矿物掺和料对自密实混凝土 (SCC) 的触变性影响, 试验结果显示:硅灰 (2.5%~7.5%) 和石灰石粉 (5%~15%) 替代水泥, 可将浆体的颗粒凝聚速率最高提高约50%;10%粉煤灰替代水泥, 则将凝聚速率提高了3.5倍。使用高触变性SCC浇筑垂直结构, 有利于减小对模板作用的侧向压力, 因为高触变性SCC浇筑流动到位后, 静置较短时间自身屈服应力就快速增长, 支撑自重的能力同步增大。

对于泵送混凝土, 高触变性是一个潜在导致堵管的因素, 因为一旦在管道中处于静置 (停止) 状态, 高触变性混凝土即使没有离析也会因为流动性损失大, 增大泵送重新启动和恢复流动的难度。施工中, 泵送开始后一般会尽可能保持混凝土在管道中处于“动态” (如正、反泵交替或慢速运行) , 但有时还是会不得不停下来。例如, 泵送过程因为堵管而中断, 需要降压和拆开管路疏通, 管路中的混凝土就会有一段时间处于静置状态。因此, 泵送混凝土需要关注在静置状态下的工作性损失。最好的检验方法是将混凝土拌和物装在坍落度筒内静置0.5或1小时 (避免漏水、漏浆) , 然后测试坍落度或扩展度, 这样测试的工作性损失包含“经时损失”和“触变性损失”。

6.2 压力作用导致的工作性损失

有些混凝土拌和物, 经过泵送到达浇筑位置, 工作性出现较大损失, 不仅泵送压力或阻力增大, 也使浇捣工作困难。这样的混凝土拌和物, 流动性在泵管中较快衰减, 也属于不适合泵送或可泵性不良。对压力或剪切作用比较“敏感”, 通常是混凝土经过泵送工作性损失大的原因。

泵送压力导致工作性衰减的常见原因, 是有水分被压入常压下未充分饱和的骨料, 降低了拌和物中的有效水量。混凝土骨料的孔隙率高或吸水率高, 如轻骨料混凝土, 常容易发生这样的工作性 (坍落度) 损失。压力作用一般会挤出一些浆体中的气泡, 在一定程度上降低混凝土含气量和工作性。此外, 稳定性差的混凝土拌和物, 在泵送压力作用下泌水、泌浆会导致拌和物均匀性降低, 使拌和物工作性和泵送压力波动大, 其中有失水或失浆的部分拌和物工作性可能显著降低。

6.3 剪切增稠现象和导致的工作性损失

如果经过泵送, 出现了超过“经时损失”和“压力损失”的工作性损失, 则混凝土拌和物的浆体可能有“剪切增稠” (shear thickening) 现象—拌和物的表观粘度随剪切速率增加而增大 (稠度增大、流动性降低) 。泵送过程, 泵的压力推动混凝土拌和物在泵管中以摩擦流 (和粘滞流) 移动 (参考图14) , 拌和物和润滑层受到剪切作用, 高流速状态和经过弯管时会产生更大的剪切作用, 低水胶比、高减水剂用量的混凝土拌和物容易发生“剪切增稠”的问题。

用流变学描述, 在较大的剪切速率范围, 新拌水泥基材料受剪切超过一定速率会发生两种情况 (见图34虚线部分) [28]:其一, 剪切应力和表观粘度保持直线 (仍然符合宾汉姆流变模型, 粘度不变) ;其二, 剪切应力和表观粘度随剪切速率增大而非线性升高, 即出现了“剪切增稠”现象, 起始点的剪切应力称作“临界剪切应力”。图35显示了一组不同高效减水剂掺量混凝土的表观粘度与剪切应力之间的关系。在低减水剂用量、低扩展度时, 没有出现剪切增稠现象 (也许是剪切速率范围不够大) ;高减水剂用量、扩展度在SCC范围, 出现剪切增稠现象, 并且随减水剂用量增大, 剪切增稠行为变强, 临界剪切应力则降低。

水泥净浆和混凝土流变性试验研究显示[29,30,31,32], Herschel-Bulkley的粘塑性流变模型可以较好地定量化体现剪切减稠与增稠行为:

τ=τ0+K·Yn (其中, τ0屈服应力, K为稠度, Y为剪切速率, n粘塑性指数)

当粘塑性指数n<1时, 表明是剪切减稠;n>1, 是剪切增稠;n=1, 与宾汉姆模型等效。剪切增稠不是水泥基材料独有现象, 过去针对矿物粉体分散体系有较多研究。“浓分散体系”或固相体积含量较高的分散体系, 都有在低剪切应力作用下粘度降低 (减稠) , 高剪切应力作用粘度升高 (增稠) 现象 (参考图36) 。关于剪切减稠与增稠的产生机理, 早期用“有序-无序” (orderdisorder) 或“剪胀” (shear dilatancy) 理论解释, 认为:剪切使作用于颗粒的布朗力 (Brownian force) 以流体动力为主, 颗粒形成有序的排列层, 流动是剪切作用下多个颗粒层之间的层间流, 流动阻力降低, 这时剪切作用降低粘度 (减稠) ;剪切增稠开始于“有序排列层”消失, 即达到临界剪切应力, 剪切作用使颗粒进入“无序”状态流动, 与此同时固相颗粒占据体积增大 (即产生了“剪胀”效应) , 增大了流动阻力和表观粘度。临界剪切应力 (τc) 是颗粒排列“有序”与“无序”的转折点。

近年来的研究认为, 不一定是“有序-无序”或“剪胀”导致剪切增稠, 因为没有测试到剪切诱导的“颗粒有序排列”, 同样发生了剪切增稠现象。新“团聚” (cluster formation) 理论认为, 剪切增稠的产生是高流体动力作用于颗粒, 克服了颗粒间的排斥力, 暂时性形成颗粒“团聚”, 产生的堵塞作用阻碍了流动。开始发生“团聚”对应于临界剪切应力 (τc) , “团聚”是可逆的。高剪切作用下的“团聚”现象也得到一些试验的验证[29,32]。此外, 还有“颗粒惯性” (grain inertia) 理论, 认为悬浮颗粒之间的惯性动量转移也可以引起剪切增稠。D.Feys等[29]根据许多相关研究结果和自己的试验研究, 分析认为:“有序-无序”理论适合于单粒级颗粒分散体系;“团聚”理论适合于有触变性的材料, 即在静置状态会发生凝聚的小颗粒分散体系;“颗粒惯性”理论则可以解释大颗粒对剪切增稠的作用。混凝土的浆体具有触变性, 又含大颗粒 (骨料) , 故存在“团聚”和“颗粒惯性”两种剪切增稠机理。剪切增稠行为可以用粘塑性指数 (n) 和临界剪切应力 (τc) 描述。n (一般在1~2之间) 表示发生剪切稠化的强烈程度 (intensity) , n>1则有剪切增稠行为, n越大剪切增稠行为越强烈。τc则显示是否容易出现剪切增稠现象, 越小表明越容易开始和发生。

近年来, 开始重视和研究剪切增稠行为, 因为出现这样的问题增多, 这与低水胶比、使用聚羧酸减水剂、配制使用SCC越来越多有关。对于净浆、砂浆和混凝土拌和物, 影响剪切增稠的因素比较多, 包括水胶比、减水剂品种与用量、水泥品种、矿物掺和料种类和粒径分布、骨料最大粒径等。目前, 这方面试验研究还有限, 得到的结果包括[29,30,31,32,33,34]:

·水胶比 (或水粉比) 降低, 可强化剪切增稠行为 (参考图37) , 但对临界剪切应力 (τc) 影响不大;

·与传统高效减水剂相比, 聚羧酸 (PCE) 类减水剂对剪切增稠行为有较大影响, 不同分子结构的影响差异性也较大, 掺量增加会加剧剪切增稠行为和降低临界剪切应力 (τc) (参考图35、图37) ;

·不同水泥品种的剪切增稠行为差异较大, 低热水泥发生剪切增稠的可能性或强烈程度均较低 (参考图37) ;

·矿物掺和料品种、细度和级配可能显著影响剪切增稠行为, 其中:

—偏高岭土会强化剪切增稠行为;

—石灰石粉会强化剪切增稠行为, 高细度或粒径分布较窄有更大的强化作用;

—粉煤灰对剪切增稠有减弱作用或没有影响;

—硅灰可消除或减弱剪切增稠行为 (参考图37) ;

对于混凝土搅拌和泵送, 剪切增稠是一种不良行为特性, 严重的话可导致搅拌或泵送无法进行。因此, 配制泵送混凝土应尽可能避免或减弱拌和物的剪切增稠行为。目前, 研究剪切增稠行为一般使用净浆粘度计或混凝土流变仪。简单的检验方法, 可在混凝土正常搅拌完成后, 再延长搅拌时间或快速搅拌, 观察拌和物的工作性是否因延长搅拌或快速搅拌而降低。

如今虽然对混凝土剪切增稠行为还没有研究透彻, 但现有结果也可以为工程应用提供有效指导。大多数情况下, 有显著剪切增稠行为的混凝土, 更换减水剂或水泥就可以避开问题。在泵送过程, 如出现剪切增稠问题 (泵压随流量提高而非线性增大、出泵管混凝土工作性损失大) , 应降低泵送速率, 使泵送产生的剪切应力低于临界应力 (τc) 。剪切增稠升高的“稠度”是可逆的, 在低于τc的剪切应力作用下 (以低速率泵送) , “稠度”会恢复到未“增稠”前。“增稠”后的混凝土出了泵管, 没有了低于τc的剪切应力作用, 损失的流动性或工作性就只有通过振捣可恢复。

7 泵送混凝土配制要点和泵送性能测试与确认方法

正如余成行等[35]指出:“泵送失败的两个主要原因是摩擦阻力大和离析”。配制泵送混凝土, 除满足硬化性能 (耐久性、强度等) 的要求外, 需要具备好的泵送性能, 既要可泵又要易泵。实现可泵性的核心是控制住“离析”, 提高易泵性则是尽可能地减小“摩擦阻力”, 在原材料选择、组成和配合比设计时要平衡兼顾, 需要关注的要点总结如下:

·粗、细骨料:良好的骨料级配是控制离析的关键, 也是获得优良易泵性的基础。泵送混凝土骨料级配要求参考图13, 连续且转折平缓的级配曲线最佳。粗骨料最大粒径 (Dmax) 宜小于泵管直径的1/4。普通细骨料的细度模数宜介于2.4~3.0, 应含一定比例细砂 (粒径小于300μm的比例宜在15%~30%范围, 小于150μm比例宜在5%~10%范围, 结合胶凝材料用量确定适宜细砂比例) , 有助于拌和物的“保水”和在泵管中摩擦形成润滑层。使用机制砂时, 最好能与部分天然砂混和使用。需要关注和检验骨料的饱和面干吸水率在常压与真空 (或压力) 状态下的差异, 防止拌和物流动性对泵送压力“敏感”。

·细粉材料与砂浆含量:控制离析和提供润滑, 泵送混凝土需要有一定的细砂浆体积含量, 最小需要量与骨料级配和Dmax相关。经验显示[25], 如果Dmax=32mm, 水泥用量宜不小于240kg/m3 (以水泥密度3.15计算折合体积含量约76升/m3, 含矿物掺和料的胶凝材料, 总体积应不低于该体积含量) ;粒径小于0.25mm (或0.30mm) 的细粉料 (水泥+细砂) 宜不小于400kg/m3 (以砂密度2.65计算折合体积含量约136升/m3) ;总砂浆体积含量宜不小于450升/m3。

·胶凝材料与减水剂:控制离析的另一重要方面是使用保水性好的水泥或胶凝材料, 并且与选用的减水剂之间有良好的相容性或适应性。保水性决定于颗粒表面的亲水性、吸附水能力和总表面积, 水泥和矿物掺和料的矿物组成、细度 (比表面积) 不同, 保水性会有较大差异。减水剂对水泥或胶凝材料的分散效果、有效作用时间, 以及对浆体粘稠度影响, 也会显著影响泵送性能。应通过泌水率、滞后泌水率 (拌和物放置1~2小时的泌水率) 、工作性和经时损失、剪切增稠等试验, 检验水泥或胶凝材料的保水性, 以及与减水剂组合的适应性。

·泵送性能的改善和优化:混凝土拌和物是含系列尺寸和不同密度固体颗粒的悬浮分散体系, 降低粘度 (μ) 和稠度 (τ0) 一般会增大离析趋势或降低稳定性。上述对骨料级配、细粉与砂浆含量、胶凝材料保水性和减水剂相容性的要求, 主要为了控制泌水和浆骨离析。改善泵送性能, 是在保证稳定性 (不离析) 的前提下, 降低粘度和稠度 (减小泵送阻力) , 即在不牺牲粘聚性的条件下降低粘稠度。例如, 加水可降低粘稠度, 但也会降低粘聚性或增大离析, 反而可能降低可泵性。利用气泡、硅灰、粉煤灰等的“滚珠润滑”作用, 可以降低粘度 (μ, 参考图22) , 同时不降低或能提高混凝土拌和物的粘聚性。因此, 引气、使用硅灰或原状粉煤灰通常是改善泵送性能的有效方法。有些新型外加剂, 如粘度调节剂、纤维素类保水剂或稳定剂等, 能有效提高拌和物的粘聚性和稳定性, 同时不显著增大粘度, 也适合于改善泵送性能。使用“摩擦仪”或“滑管仪”测试和定量化各种因素对易泵性的影响, 可以方向明确地优化泵送混凝土的组成和配比。使用简单的试验方法, 应结合反映稠度的扩展度 (或坍落度) 和反映粘度的T50 (或倒坍落度筒流空时间) 半定量测试, 可以粗略判断改善易泵性的方向。

·可泵性试验测试与评价:用工作性 (坍落度或扩展度) 和工作性经时损失测试判断基本可泵性;用泌水率试验, 包括140s常压泌水率 (参考图6) 、1h和2h小时滞后常压泌水率 (是否显著增大) , 或10s和140s压力泌水率 (参考图4b) , 判断拌和物的抗离析能力。现代混凝土拌和物在静置状态或受压力、剪切作用, 有发生流动性或工作性快速损失的可能性, 并可能导致可泵性不良或泵送失败。因此, 在泵送混凝土配制与优化阶段, 还应增加测试混凝土工作性对静置、压力和高剪切作用 (高速搅拌) 的敏感性, 全面确认可泵性。

·易泵性试验测试与评价:使用“摩擦仪”或“滑管仪”测试, 用P/Q关系的参数k1与k2分析和评价 (参考图30) 。

结语

实现泵送施工的顺利进行, 需要做好混凝土泵送性能、泵送工艺和质量稳定性三个方面工作。首先, 配制的混凝土拌和物须具备良好的可泵性和易泵性, 并得到全面的试验测试与确认;其次, 需要泵送设备选型、管线布置、泵送工艺流程与方法科学合理, 避免机械性原因诱导堵管或泵送中断, 重视避免润滑和清洗管道时发生堵管;此外, 需要良好的原材料质量和混凝土生产质量控制, 保证混凝土泵送性能的稳定性。

现有的泵送性能 (可泵性与易泵性) 试验室测试与评价方法, 基本上可以系统性地指导泵送混凝土配制、性能优化与性能确认。然而, 在可泵性试验与评价方法方面, 还需要进一步完善, 需要更多试验研究和统计分析, 提高现有泌水指标测试评价方法的可靠性或发展新的方法。例如, 采用常压与压力泌水试验评价抗离析性能, 两种方法哪个更好?是否适用于低水胶比混凝土?我国的压力泌水率指压力作用下10秒与140秒泌水量之比 (Bp或Bv=V10/V140) [36,37], 能否或如何用这个指标评价可泵性?针对混凝土拌和物剪切增稠行为, 需要建立相应的测试方法, 研究在泵送过程发生剪切增稠的条件等。此外, 采用滑管式流变仪 (滑管仪) 测试易泵性, 可靠性需要更多试验对比验证, 仪器和试验方法也需要进一步完善。在此基础上, 预计可以建立起比较完善的试验室测试评价体系, 在大多数情况下替代真实泵送, 测试与评价混凝土的泵送性能。

泵送砼质量控制与裂缝处理 篇4

关键词：泵送混凝土;质量控制;裂缝;拌合物

1.前言

用混凝土泵输送混凝土拌合物，可一次连续完成水平运输和垂直运输，并可连续浇筑，因而具有效率高、劳动力省的优点。但与普通混凝土相比，由于其大流动性、大砂率及较高的水泥用量，也出现了混凝土表面易产生袭缝、混凝土收缩值较大等同题，影响了混凝土的耐久性。以下从混凝土的原材料、配合比及施工操作的要求等方面，提出解决泵送混凝土质量问题的一些做法，以及对泵送混凝土裂缝处理的一些方法。

2.常见质量问题因素分析

2.1泵送混凝土坍落度损失大

混凝土坍落度损失率视工程条件不同有很大的差异，其中影响最大的因素是停放时间、气温、外加剂及其掺入方式。

(1)外加剂影响

加入泵送混凝土中的外加剂一般有高效减水剂，但高效减水剂与水泥有相容性问题，某些水泥不能配制低水灰比高流动性的混凝土。

(2)气温对坍落度损失的影响

气温升高，一方面水泥的水化反应加快，坍落度损失增大，另一方面，升温后引起的水分挥发增大，也将导致坍落度的损失。因此，夏季高气温施工时，除用湿草袋等遮盖输送管，避免阳光照射外，可适当增大混凝土坍落度。

2.2泵送混凝土施工中堵管

输送设备主要包括泵机和配管。泵机的选择应适合混凝土工程特点、要求的最大输送距离，最大输送量及混凝土浇筑计划要求。泵机选择不当时，压力达不到要求，过大过小都有造成堵管的可能。输送管使用后，如未及时用水清洗干净，管中所余混凝土在下次使用时，必然增大管壁的摩阻力，造成堵管。

2.3混凝土组成材料及配比

(1)水泥品种和用量

在泵送混凝土中，水泥砂浆起到润滑输送管道和传递压力的作用，所以水泥用量非常重要，水泥用量过少，混凝土的和易性差，泵送阻力大，泵和输送管的磨损亦加剧，容易产生堵管。水泥用量过多，混凝土的粘性增大，也会增大泵送阻力。为此，应在保证混凝土设计强度和顺利泵送的前提下尽量减少水泥用量。

(2)骨料的最大粒径与级配

粗骨料最大粒径的选择应适合工程和配管要求。骨料的级配不仅影响混凝土硬化后性能，同时也会影响和易性。

(3)砂率

砂率过小时，泵送混凝土易在输送管中弯管位置堵塞，为此，泵混凝土与普通混凝土相比，宜适当提高砂率，以适应管道输送的需要。但砂率过高时，不仅会降低和易性，同时，也会影响混凝土硬化性能，故应在可泵性的情况下尽量降低砂率。

(4)掺合料

加入泵送混凝土中的掺合料主要有粉煤灰。粉煤灰掺入混凝土中起润滑作用，可以改善混凝土拌和物的和易性，大大提高混凝土的流动性，有利于泵送，但掺量宜由试验确定，过多不利于混凝土的强度。

3.裂缝预防及处理方法

商品混凝土和泵送混凝土都很容易出现早期塑性裂缝的现象。混凝土塑性裂缝产生的原因比较复杂，常见裂缝可采取以下措施进行预防和处理。

3.1塑性(沉陷)收缩裂缝

(1)裂缝原因及裂缝特征，

在泵送混凝土现浇的各种钢筋混凝土结构中，特别是板、墙等表面系数大的结构中，经常出现断续的水平裂缝，裂缝中部较宽、两端较窄，呈梭状。裂缝经常发生在板结构的钢筋部位、板肋交接处、梁板交接处、梁柱交接处及结构变截面等部位。

裂缝产生的原因主要是混凝土流动性不足以及振捣不均匀，在凝结硬化前没有沉实或者沉实不够，当混凝土沉陷时受到钢筋、模板抑制所致。裂缝在混凝土浇筑后1～3h出现，裂缝的深度通常达到钢筋上表面。

(2)影响因素和防治措施

①要严格控制混凝土单位用水量在170kg/m3以下，水灰比在0.6以下，在满足泵送和浇筑要求时，宜尽可能减少坍落度;

②掺加适量、质量良好的泵送剂和掺合料，可改善工作性和减少沉陷;

③混凝土浇筑时，下料不宜太快，搅拌时间要适当：

④混凝土应振捣密实，时间以1015s/次为宜;在柱、梁、墙和板的变截面处宜分层浇筑、振捣;在混凝土浇筑11.5h后，混凝土尚未凝结之前，对混凝土进行两次振捣，表面要压实;

⑤为防止水分蒸发，形成内外硬化不均和异常收缩引起裂缝，应采取措施缓凝和覆盖。

3.2干缩裂缝

(1)裂缝原因及裂缝特征。混凝土的干燥收缩主要是由于水泥石干燥收缩造成的。混凝土的水分蒸发、干燥过程是由外向内、由表及里，逐渐发展的。由于混凝土蒸发干燥非常缓慢，裂缝多数持续时间较长，而且裂缝发生在表层很浅的部位，裂缝细微，有时呈平行线状或网状。但是由于碳化和钢筋锈蚀的作用，干缩裂缝不仅严重损害薄壁结构的抗渗性和耐久性，也会使大体积混凝土的表面裂缝发展成为更严重的裂缝，影响结构的耐久性和承载能力。

(2)影响因素和防治措施

①水泥品种及用量。水泥的需水量越大，混凝土的干燥收缩越大，不同品种水泥混凝土的干燥收缩程度不同，宜采用中低热水泥和粉煤灰水泥。混凝土干燥收缩随着水泥用量的增加而增大，在可能的情况下，尽可能降低水泥用量。

②用水量。混凝土的干燥收缩受用水量的影响最大，在同一水泥用量条件下，混凝土的干燥收缩和用水量成正比，且为直线关系;水灰比越大，干燥收缩越大。塑性收缩裂缝、干缩裂缝都是由于混凝土单方用水量过大、坍落度过大，而且水分蒸发过快造成的。因此严格控制泵送混凝土的用水量是减少裂缝的根本措施。为此，在混凝土配合比设计中应尽可能将单方混凝土用水量控制在170kg/m3以下，对于浇筑墙体和板材的单方混凝土用水量的控制尤为重要。为了降低用水量，掺加适当数量减水率高、分散性能好的外加剂是非常必要的。

③砂率。混凝土的干燥收缩随着砂率的增大而增大，但增加的数值不大。泵送混凝土宜加大砂率，但应在最佳砂率范围内。

④掺合料。矿渣、煤矸石、火山灰、赤页岩等粉状掺合料，掺加到混凝土中，一般都会增大混凝土的干燥收缩值。但是质量良好、含有大量球形颗粒的一级粉煤灰，由于内比表面积小、需水量少，故能降低混凝土干燥收缩值。

⑤外加剂。在选用外加剂时，选用干燥收缩小的减水剂或泵送剂。

⑥混凝土的养护。混凝土浇筑面受到风吹日晒，表面干燥过快，产生较大的收缩，受到内部混凝土的约束，在表面产生拉应力而开裂。如果混凝土终凝之前进行早期保温养护，对减少干燥收缩有一定作用。

3.3处理措施

混凝土裂缝，若在混凝土仍然是潮湿状态时，可采取的处理措施有：如产生的裂缝宽度很小时，可以采取扫入水泥和膨胀剂的混合物填充到裂缝中的措施：如裂缝宽度稍大一些时，可以沿着产生的裂缝注入具有膨胀性能的水泥浆：如产生的裂缝宽度再大一些时，可以直接浇筑具有微膨胀的水泥砂浆，该水泥砂浆采用的水灰比应与原混凝土采用的水灰比相同。

若混凝土已经到了硬化状态，可考虑采用环氧树脂水泥砂浆或聚合物水泥砂浆灌缝。而对于那些对强度要求不高的混凝土构件，还可以采用柔性材料如各种防水密封胶等进行密封，以防止渗水和钢筋锈蚀。

4.结束语

泵送性能 篇5

关键词：PHC管桩,泵送,和易性,强度,流变

0前言

目前,我国的预制PHC管桩制作普遍采用“合模后置式布料工艺”。 该工艺需要4~6人从事布料和清理上下模贴合处混凝土的工序, 劳动强度大, 生产效率低,严重制约了预制管桩的产能,同时还存在合模密封不严、管模变形等质量风险[1]。

布料是管桩生产自动化的关键环节,制约着钢筋骨架安装、端板安装、合模以及模具吊装等多个环节的自动化过程。 因此,实现布料自动化是PHC管桩生产自动化必须解决的关键步骤。 目前,将流态混凝土应用到PHC管桩生产领域已得到大家的广泛关注,国内一些大型管桩生产企业开始尝试使用流态混凝土泵送工艺进行PHC管桩的自动化生产。 一些混凝土机械设备制造企业也相继开发了适合于管桩泵送布料的专用机械设备。 然而,制备既适合于管桩离心、蒸汽养护、高强等特殊要求,又能满足泵送的混凝土材料仍然是管桩泵送工艺实现的关键所在。 本文针对影响管桩泵送生产工艺的几个因素进行了试验研究和探讨。

1原材料与试验方法

(1)原材料

水泥: 南京某公司生产的P·Ⅱ52.5级水泥,其基本性能如表1所示; 磨细矿渣粉:S95磨细矿粉, 比表面积为461.7m2/kg;粉煤灰 :江苏某公司生产的 Ⅰ级粉煤灰; 磨细石英砂:采用球磨机自磨,比表面积为418m2/kg,Si O2含量为98.6%; 标准砂:ISO标准砂;砂:河砂,细度模数为2.8;粗骨料:5~25mm连续级配的石灰岩质碎石;聚羧酸减水剂:江苏某公司生产的PC1和PC2聚羧酸减水剂, 含固量均为20%。

(2)试验方法

砂浆流变性能: 测试采用Brookfield公司生产的R/S-SST流变仪测试砂浆的流变性能,测试流变性能的砂浆配合比为水泥∶砂∶水=1∶1.5∶0.35,通过调整外加剂掺量使砂浆流动度达到(270±10)mm;混凝土性能:混凝土采用60L单卧轴强制式搅拌机拌合120s,混凝土坍落度控制在30~60mm。 采用坍落度、 扩展度、倒坍落度筒时间、含气量评价新拌混凝土的性能;混凝土成型100mm×100mm×100mm的立方体试块,测试其力学性能。 按照常规管桩生产蒸养与压蒸结合的养护制度进行试块养护[2]。 混凝土配合比见表2。

2试验结果与讨论

2.1矿物掺合料的影响

对比了粉煤灰、矿粉、磨细石英砂分别占总胶凝材料重量30%时混凝土的性能,试验使用的减水剂为PC1。 试验结果见表3。

kg/m3

由表3可以看出,所选的矿物掺合料中,在相同水胶比的条件下,矿粉的蒸养强度最高、粉煤灰次之,磨细石英砂最低,而经过高压蒸养后,使用磨细砂的混凝土抗压强度最高,粉煤灰次之,矿粉最低。 从新拌混凝土的性能可以看出,矿粉对于外加剂的需求量最多,粉煤灰的需求量最小。 从混凝土的坍落度、扩展度可以看出,使用磨细砂的混凝土容易产生离析现象,而矿粉和粉煤灰的和易性较好。

2.2水灰比的影响

对于泵送管桩混凝土材料体系,水胶比是重要的工艺参数之一。 考察了水胶比对于泵送混凝土强度的影响,并同时比较了不同掺合料对于水胶比的敏感性, 试验过程中控制混凝土含气量在2%~3%。 试验结果见图1。

由图1可以看出,所选的三种不同的胶凝材料体系在蒸养和压蒸养护条件下,其抗压强度对于水胶比具有不同的敏感性。 在蒸养条件下,三种胶凝材料体系的抗压强度与水胶比基本呈线性关系,而且斜率基本一致。 在压蒸养护条件下,虽然各种材料体系的抗压强度与水胶比仍然具有线性关系,但其斜率有明显的差距,即表现出不同的水胶比敏感性。 其中,磨细砂对于水胶比的敏感性最低,水胶比从0.3升高至0.4, 混凝土压蒸强度下降仅为7MPa左右,而纯水泥体系,抗压强度下降达到15MPa以上,使用了矿粉的胶凝材料体系,对于水胶比更为敏感,达到20MPa以上。 以上结果可知,在使用磨细砂的胶凝材料体系中,泵送管桩混凝土的水胶比限制可以适当放宽。 结合到实际生产,在满足混凝土和易性的条件下,水胶比以控制在0.35以下为宜。

2.3含气量的影响

混凝土含气量是影响混凝土和易性,决定混凝土可泵性的重要技术指标之一,同时能够改善混凝土抗冻性,提高耐久性[2,3,4]。 但是,混凝土含气量对于抗压强度也有不利的影响,该影响在高强混凝土中尤为明显[5]。 在预制混凝土中 ,经过蒸汽养护 ,高压蒸汽养护, 含气量对混凝土性能的影响则更为复杂[5],因此 ,考察了含气量对泵送管桩混凝土性能的影响,混凝土配合比如表2所示,胶凝材料中使用了30%的磨细石英砂,其余为水泥。 试验结果如图2所示。

有图2可以看出,随着含气量的增加,混凝土抗压强度呈现逐渐下降的趋势。 当含气量达到3.5% 以上时,混凝土抗压强度下降非常明显,其中压蒸强度下降尤为明显。 气泡间距系数的试验结果表明,经过压蒸后的混凝土,气泡间距系数变小,表明高压蒸养对于气泡结构有不利的影响,容易使含气量引起的强度降低效应放大。 试验结果说明,对于管桩泵送混凝土的制备而言, 含气量应小于3.5%, 但太小的含气量会使混凝土黏度增加、和易性变差。 因此,笔者建议含气量宜介于2.0%~3.5%之间。

2.4外加剂的影响

由于管桩泵送混凝土技术指标的特殊性,对于聚羧酸减水剂的性能尤其是和易性方面提出了较高的要求,流变特性是反映混凝土和易性的有效手段。 因此,考察了两种聚羧酸减水剂对砂浆流变性能的影响,试验结果见图3和表4。

浆体的屈服应力在混凝土性能中主要体现在浆体对于骨料的包裹性能,以及浆体流动过程对于骨料的带动作用[6,7,8,9]。 实际工程中浆体的屈服应力高则混凝土的包裹性较好,同时塑性黏度低混凝土流动性好,容易泵送。 采用Herschel-Bulkley流体模型对流变曲线拟合[6],结果见表4。

由表4可以看出,两种聚羧酸对于混凝土的塑性黏度和屈服应力的影响有着明显的区别。 使用PC2的砂浆具有较高的屈服应力 ,而使用PC1的浆体屈服应力较低,因此PC2更适合应用于泵送工艺生产PHC管桩。对比了两种聚羧酸减水剂在混凝土中的性能,试验结果见表5。

由表5可以看出,不同种类的外加剂对于管桩泵送混凝土性能的影响非常明显。 在管桩泵送混凝土体系中,PC1虽然能够满足混凝土流动性以及保坍性能的要求,但是从坍落度与扩展度的对比来看混凝土容易离析, 而且倒坍落度筒流出时间长,表明黏度较大。 而PC2在满足初始性流动性保持要求的同时混凝土具有较低的黏度。

3结论

(1)管桩泵送混凝土中 , 用矿粉和粉煤灰作为掺合料,混凝土和易性较好,而使用磨细砂作为掺合料的混凝土和易性略差,但混凝土压蒸强度最高。

(2)管桩泵送混凝土中 , 在满足高压蒸养强度的前提下,不同掺合料对于水胶比的敏感度有一定的区别。 其中,磨细砂的敏感度最低,矿粉和纯水泥对水胶比较敏感。

(3)为了满足管桩泵送混凝土的和易性 , 同时保证混凝土强度,含气量宜控制在2.0%~3.5%。

(4)管桩泵送混凝土应选择使混凝土浆体具有高屈服应力、低塑性黏度的聚羧酸减水剂。

参考文献

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泵送性能 篇6

在现在的建设施工过程中, 混凝土泵送技术的运用越来越普遍, 同时出现问题的次数也越来越多, 这严重影响混凝土生产工作的进行。改进混凝土泵送性能试验评价方法已刻不容缓, 可以通过将模拟试验与真实泵送测定结果进行比较, 形成准确的泵送性能参照标准。

一、混凝土泵送性能的概念

“能不能符合泵送”和“能不能轻松泵送”是混凝土搅拌物的泵送性能, 主要就是从可泵性和易泵性两个角度对泵进行功能评价。所谓的可泵性是指泵送可以将混凝土的搅拌物输送走, 并且大多数情况下不会造成管道堵塞, 也不会在泵送的过程中发生故障, 这也为泵送工程的顺利完成提供保障。相对于长度非常长、高度非常高并且混凝土搅拌物结构非常复杂的泵送来说, 混凝土搅拌物的“容易泵送”功能就会产生更高的评价标准。

二、混凝土泵送性能的影响因素

1、水及细粉料对混凝土泵送性能的影响

混凝土搅拌物的物质主要是由一些性质不同、粒子大小不同和溶解度不同的固体物质和水混合在一起所组成。在他们之间加入水之后, 进行充分的搅拌, 就会发现这些分散的固体之间产生了一定的联系, 水泥和水之间开始进行了化学反应。从而我们可以得知, 水在该反应中是不可或缺的反应物, 它建立了各种固体材料之间的联系, 决定着混凝土搅拌物用泵运输的整个过程。

混凝土原浆用适当的水进行搅拌, 可以使其更容易流动, 有利于提高混凝土的质量。但是如果混凝土原浆中的细粉料对水的影响较小, 部分水会流到阻力小的地方。在进行混凝土的泵送时, 这样会使压力分布不均。

2、水泥浆用量对混凝土泵送性能的影响

商品混凝土在运送过程中, 多会通过压力泵经管道输送, 混凝土过稠和过稀都会影响输送。如果混凝土过稠, 混凝土与管道之间的摩擦就会增大, 阻力自然就增大, 会导致输送很慢或者不能输送;如果混凝土过稀, 混凝土中的固体部分会自然下沉, 下层的稠度很大, 上层是水层, 稠度很小, 上层的流动性很大, 输送流畅, 下层与管道摩擦很大, 很难流动, 这样就会导致输送的混凝土质量极为不好。加上商品混凝土中混有石子, 石子如果稠度过稀, 石子会因为重力的作用下沉, 下部都是石子, 这样的商品混凝土根本就不能用。

3、石子的大小以及外表面对混凝土泵送性能的影响

在混凝土的生产过程中, 石子占得比重很大, 对混凝土的影响很大, 决定着混凝土的质量。根据以往的经验, 如果石子过大, 很容易堵住输送管, 所以, 选择石子一定要大小合适。除此之外, 石子的外表面也对混凝土泵送性能有一定的影响, 主要影响混凝土的质量, 如果石子的外表面光滑, 需要的水泥浆相对较少, 进而使混凝土较容易流动。碎石子与水泥浆的结合较紧密, 因此混凝土的强度较高。

4、管道和泵送压力对泵送商品混凝土的影响

混凝土泵送管道主要是与混凝土原浆之间存在摩擦, 从而影响管道泵送混凝土的效率。混凝土泵送就是对混凝土原浆施加压力, 使其沿着管道向前运动, 因此, 减少管道与混凝土原浆之间的摩擦可以有效提高泵送效率。为降低摩擦, 可以在管道内壁不断加水或涂抹水泥匀浆起到润滑作用。此外, 管道线路方向的改变和管道截面的改变也会增加摩擦, 所以, 泵送混凝土时, 尽量使用直线管道和内径想通的管道。

三、混凝土泵送性能的试验评价方法

1、可泵性试验测定与评价:

用混凝土的工作情况以及泌水率试验来测定可泵性, 目前混凝土原浆在静止或受到压力时, 有可能会对可泵性造成损害。所以, 在调配混凝土时要尽量对混凝土静止或受到压力时的状态进行试验, 保证混凝土的质量。

2、易泵性试验测定与评价:

流变仪是混凝土原浆泵送性能试验与评价的新方法, 不同的流变仪能够很清晰的表现出不同混凝土原浆的差别, 使之能够直接进行比较。

四、结语

想要把商品混凝土运送到施工现场, 必须确定商品混凝土的质量, 看他是否适合用压力泵管道输送, 能否在管道中顺利输送和运达施工现场是否可用是衡量该商品混凝土是否适合管道运送的两个重要指标, 必须严格检查混凝土这两个指标才能运送。另外, 压力泵和管道的选择也是非常重要的, 因为它直接影响输送过程和输送效率, 应选择性能优良的压力泵和符合标准的管道设备, 做好管线布置规划。在输送过程中也要实时监控输送情况, 一旦遇到突发情况必须能快速处理, 避免混凝土泄露对当地设施造成损害, 也避免施工现场的混凝土输送中断, 造成不必要的损失。

摘要：目前混凝土泵送技术得到了大规模的使用, 存在的问题也逐渐显现出来, 影响泵送性能的原因有很多, 并且十分复杂。主要因素是混凝土原材料的类型、质量的不同以及在没有泵送混凝土之前对泵送性能没有试验评价。如今, 混凝土已经有了相对较完善的泵送性能试验与评价方法, 最大程度上防止泵送过程中出现问题, 提升了混凝土的配制效果, 同时提高了施工的总体效率。本文就是对混凝土泵送性能的影响因素与试验评价方法进行分析, 混凝土泵送性能的影响因素与试验评价方法的合理分析和应用直接关系着混凝土泵送是否能够高效率的完成。

关键词：混凝土,泵送性能,影响因素,试验评价方法

参考文献

[1]丁庆军, 时建刚, 姜从盛, 王发洲.高强轻集料混凝土工作性能优化的试验研究[J].混凝土.2007 (01)

泵送性能 篇7

泵送混凝土是一种粘滞流体物质, 坍落度在100 mm以上, 具有流动性大、不离析、不泌水或很少泌水的特性。其施工是以混凝土泵为动力, 当混凝土从搅拌运输车中卸入混凝土泵的料斗后, 利用泵的压力将混凝土通过管道直接输送到浇筑地点, 因具有速度快、施工方便、质量好、节省工人等特点已得到了广泛的应用[1]。本文对泵送混凝土原材料及拌合物性能要求、常见的质量通病及防范措施进行了分析。

1 泵送混凝土对原材料的基本要求

泵送混凝土不仅要求具有良好的力学性能与耐久性能, 而且需具有良好的和易性。泵送混凝土的性能与原材料的性质密切相关, 其对水泥、骨料、掺合料、外加剂等原材料均提出了相应的技术要求[2,3]。

1) 水泥。泵送混凝土要求水泥的保水性好, 泌水少, 一般不少于300 kg/m3。但是不同的工程所处的环境、结构特点以及混凝土的设计强度等对水泥的品种与标号提出了不同的要求。例如, 对于大体积混凝土工程, 宜使用矿渣水泥, 并适当提高砂率、降低坍落度、掺加粉煤灰以降低水泥水化热, 防止混凝土裂缝的产生。

2) 骨料。对于粗骨料而言, 卵石表面光滑、粒形较好, 同条件下, 可泵性优于碎石。若采用碎石, 应确保针片状含量低于10%, 碎石中的针片状材料不利于混凝土的可泵性。同时, 泵送混凝土对粗骨料的最大粒径也提出了一定的要求, 当泵送高度在50 m以下时, 卵石和碎石粗骨料的最大粒径与输入管道内径之比分别宜为1∶2.5, 1∶3, 当泵送高度在50 m~100 m时宜为1∶3~1∶4, 泵送高度100 m以上时, 宜为1∶4~1∶5。对细骨料而言, 掺量约为40%, 小于0.135 mm的含量应不小于15%, 且以中砂最为适宜, 若砂过粗, 容易产生离析, 导致管路堵塞。若使用细砂, 需要增加混凝土中水泥和水的用量, 易加速泵机的磨损。

3) 掺合料的选择。与普通的混凝土不同, 泵送混凝土是通过一种特殊的工艺实现, 为改善泵送混凝土的性能, 往往会掺入粉煤灰、矿渣、沸石粉等掺合料。粉煤灰因具有球状玻璃结构可以在一定程度上改善混凝土的和易性, 从而提高混凝土的可泵性。同时, 沸石粉的细粉料含量高约90%, 因而已成为泵送混凝土的一种理想材料, 且其对泵送混凝土力学性能、耐久性的改善作用优于粉煤灰。

4) 高效减水剂。混凝土的高流态性能不是靠传统的多加拌和水的办法获得, 而是靠掺高效的外加剂。一般来说, 减水剂的减水率一般在25%以上, 不仅具有减水作用, 而且对改善混凝土拌合物的流动性、粘聚性和保水性均具有一定的作用。

泵送混凝土对混凝土的性能也具有一定的要求, 与普通混凝土相比, 泵送混凝土最大的特点就是具有良好的可泵性。泵送混凝土在泵送过程中, 泵送压力应该适宜, 压力过大或过小, 都易造成堵管。同时, 为了确保混凝土能顺利通过管道, 应降低混凝土与管壁的摩擦阻力, 且确保混凝土在泵送过程中质量不会发生显著的离析、泌水等变化。

2 泵送混凝土质量通病的防治措施

2.1 裂缝

泵送混凝土因具有水泥用量大、骨料粒径小、坍落度大等特点, 致使裂缝已成为其最主要的质量通病之一。常见的裂缝主要有化学收缩裂缝、塑性收缩裂缝和干缩裂缝。泵送混凝土裂缝的控制措施主要如下:

1) 原材料的控制。根据泵送混凝土对原材料的要求, 严格控制原材料的质量。且除严格控制混凝土组成材料水泥、骨料、掺合料、外加剂等的质量外, 应合理配置抗裂构造钢筋。2) 工艺的控制。a.合理的振捣时间与方式。一般振动采用短振、快插、慢拔, 频率以10 s/次~15 s/次为宜;b.在大体积混凝土浇筑过程中, 采用水平分层浇筑工艺或埋冷却管的方式或可掺入小于20%的碎石。且在分层浇筑时, 应选择合理的施工间歇时间;c.适时拆模。模板对混凝土具有一定的保温作用, 致使混凝土与外界的环境温度存在一定的差异性。在拆模时, 应尽可能的减小混凝土拆模前后的温度差。选择合适的拆模时间, 并保证拆模后对混凝土的保温 (湿) 养护。3) 养护制度的控制。养护制度的控制包括输送管道的降 (保) 温与混凝土养护制度的控制。在泵送施工过程中, 若在夏季, 应对泵送管道覆盖湿草帘进行润湿养护;若在冬季, 应保证混凝土的出机温度大于15℃, 入模温度大于5℃。在施工完成后, 应注意混凝土的保温与保湿养护, 减小混凝土的内外温差导致的表层裂缝与混凝土表面脱水产生的收缩裂缝, 且养护时间不得小于14 d。

2.2 堵塞

泵送混凝土在施工过程中, 经常会发生输送管道堵塞, 主要原因有混凝土配合比设计不合理、混凝土输送管道布置不合理、混凝土坍落度控制不严等。防治混凝土输送管道堵塞的措施有[4]:1) 选用可泵性较好的材料与级配, 严格控制混凝土的水灰比及坍落度, 严禁在混凝土的泵送过程中向料斗内加水, 保证混凝土的坍落度在泵送过程中不发生较大的变化。2) 在混凝土泵的料斗上加装滤网, 杜绝过大料径的石子或异物进入料斗内, 泵送混凝土前, 先将输送管道充分润滑。3) 泵送混凝土过程中, 如发现压力升高, 输送管道明显抖动等现象, 应用木槌对管道中的弯管、锥形管等易堵塞部位进行敲击, 放慢泵送速度, 或进行反泵将混凝土吸回料斗中重新搅拌后再进行泵送。如多次反泵无效, 应停止泵送, 拆下堵塞管道排除故障后再进行泵送。4) 合理组织混凝土的供应, 尽量减少混凝土泵送停歇间隔时间。当混凝土供应不及时, 需降低泵送速度。泵送暂时中断供料时, 应每隔10 min反泵一次, 使管中混凝土形成前后往复运动, 保持良好的可泵性, 以免混凝土发生沉淀, 堵塞管道。泵送混凝土中途停歇时间一般不应大于60 min。

3 结语

普通混凝土与泵送混凝土最大的不同在于其可泵性, 泵送混凝土不仅要满足力学性能、耐久性能方面的要求, 而且需要其具有良好的和易性。为此, 泵送混凝土对水泥、集料、掺合料、外加剂等原材料及其配比组成提出了更高的要求。同时泵送混凝土存在易产生裂缝、施工过程易堵管等技术问题, 应从严格控制原材料入手, 通过原材料的合理匹配以及施工工艺的适当调整, 确保泵送混凝土具有优良的力学性能、耐久性能与施工性能。

摘要：总结了泵送混凝土对原材料基本性能的要求, 同时对目前泵送混凝土存在的裂缝与堵管两大质量通病的防范措施进行了分析, 为泵送混凝土的应用提供了一定的技术支撑。

关键词：泵送混凝土,性能,质量通病,防治措施

参考文献

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泵送性能 篇8

我国是世界上锂辉石精矿储量最大的国家,而新疆和四川是锂盐最主要的生产基地。锂渣是利用锂辉石矿石经过1 200 ℃高温煅烧后用硫酸法生产碳酸锂过程产生的副产品, 即生产碳酸锂过程中, 碳酸锂熟料经过浸出、过滤、洗涤后排出的残渣。据相关数据表明,以锂辉石作原料的碱法冶炼每生产1 t氢氧化锂产品产渣约20 t,以锂辉石作原料的酸性冶炼每生产1 t碳酸锂产渣约10 t。截止2000年,新疆锂盐厂产出碱法锂渣和酸法锂渣累计达 110多万t, 不仅放置占地、管理要人,且易随风雨流失、污染环境。其中碱法锂渣含碱废水流失严重危害农田。因此,锂渣处理已经成为生产发展中亟须研究解决的重大课题。

目前国内对锂渣在水泥、砂浆及混凝土中应用已有一部分研究[1,2,3],以重庆交通大学张兰芳博士做的关于锂渣混凝土试验研究为代表,试验探究锂渣对混凝土强度的影响,实验结果表明锂渣可以明显提高混凝土强度。四川等地锂渣密度为2.41 g/cm3,比表面积为1 080 m2/kg,而新疆地区锂渣物理性质为密度为2.48 g/cm3,比表面积为770 m2/kg。新疆农业大学也做过关于锂渣混凝土强度、抗裂性能、抗冻性能等方面的研究,对照试验结果表明,新疆当地锂渣混凝土强度提高没有四川等地的大。作者基于泵送混凝土对于混凝土和易性的更高要求,在配置高强度混凝土的前提下,研究在新疆当地锂渣添量对于混凝土和易性的影响,并且寻求最优的可行性配置方案,本试验正是基于此进行研究的。

1 原材料及试验方法[4]

1.1 试验原材料

(1)水泥。

新疆天山水泥厂的42.5普通硅酸盐水泥。对所使用的该水泥的物理技术性质和化学成分的测定结果分列于表1和表2中。

注:NceOp= Na2O+0.658 R2O。

(2)锂渣。

锂渣是利用锂辉石精矿经过1 200 ℃高温煅烧后用硫酸法生产碳酸锂过程中产生的一种工业废渣。由于碳酸锂的生产工艺和技术条件是相对稳定的,因而锂渣的化学成分和性质也是稳定和均一的[5]。其主要化学成分是SiO2、Al2O3、7%左右的CaO 和少量SO3,其中SiO2、Al2O3绝大多数是以无定形的 SiO2、Al2O3形式存在,因而具有较高的火山灰活性。

本试验采用新疆锂盐厂生产的锂渣,淡黄色粉状,密度为2.48 g/cm3,原状锂渣比表面积为400 m2/kg,。研究表明:锂渣比表面积为770 m2/kg左右时混凝土的抗裂性能最好[6]。因此本文选用比表面积为770 m2/kg的锂渣配制混凝土。其化学成分检测结果见表1。其活性指标见表3。

注:碱度系数Mo=(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3);质量系数K=(CaO+MgO+Al2O3)/(SiO2+TiO2)。

(3)细集料。

采用乌拉泊水库上游乌鲁木齐河中的水洗砂,砂的试验结果见表4。

由表4所列可知,砂料的各项技术性质均符合JGJ52-2006《普通混凝土用砂石质量及检验方法标准》的要求。

(4)粗集料。

采用乌拉泊水库上游乌鲁木齐河中的河卵石,最大粒径为20 mm,为连续级配。表观密度为2 680 m3/kg,压碎指标为5.6%。

(5)外加剂。

选用山西奥鑫建材有限公司生产的萘系高效减水剂。

(6)水。

试验中拌和水、养护水均用试验室自来水。

1.2 实验方法

试验采用锂渣等质量代换混凝土中的水泥,以锂渣和水泥共同作为混凝土的胶凝材料,所选用胶凝材料总量为500 kg。依照《混凝土结构试验方法标准》,进行试件制作、养护,最终测得抗压抗折强度。

2 试验经过分析与讨论

2.1 实验配合比及结果

实验采用锂渣等质量替代混凝土中的水泥,锂渣和水泥共同作为混凝土的胶凝材料,所选用的胶凝材料总量为500 kg,以0、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%的锂渣替代水泥,减水剂的掺量固定为1.5%。具体方案见表5,实验结果见表6。

2.2 锂渣掺量对混凝土拌和物和易性的影响

(1)坍落度。

锂渣的容重小于水泥,因此,如果在质量不变的前提下,以锂渣等质量替代部分水泥,加入的锂渣体积是被替代的水泥体积的1.3倍,浆体的体积也有相应的增大。有研究表明:一定量的水泥被等质量的锂渣取代后成为锂渣混凝土,其流动性要发生变化[7]。从实验结果知:在减水剂掺量和胶凝材料一定的前提下,当锂渣掺量小于20%时,坍落度随锂渣掺量的增加略呈上升的趋势;当锂渣掺量大于20%时,坍落度随锂渣掺量的增加呈下降的趋势;当锂渣掺量为20%时,坍落度值最大,超过了空白组。同时从表中还可以看出:在减水剂为1.5%的前提下,锂渣等质量替代水泥质量为0～45%的范围内,都可以满足泵送混凝土的要求。

(2)黏聚性。

锂渣等量替代水泥后,锂渣混凝土拌和物的稠度较为黏稠,不会产生锂渣混凝土各组分的层状分离或者析出现象,比空白组的稠度更好。但是不会像硅粉混凝土那样十分黏稠,影响混凝土的可饰性。

(3)保水性。

实验中采用的是低水胶比,本身用水量就很少。同时由于本实验中锂渣的比表面积较大(770 m2/kg),需水量大。并且锂渣具有较强的亲和力,自然混凝土拌和物中存在的自由水也较少,泌水性较低,且流动度大易振捣密实。对新浇筑的低水胶比锂渣混凝土要加强养护,防止混凝土表面水分的损失而产生干燥收缩和混凝土内部自身的水化导致水分的损失而产生自收缩。有研究表明:高性能混凝土总收缩中干燥收缩和自收缩几乎相等,有时甚至小于自收缩。因此,加紧混凝土的养护,防止混凝土开裂是十分有必要的。

2.3 锂渣掺量对混凝土强度的影响及增强机理

混凝土可以看成是有三相结构组成,除水泥石和骨料结构外,在骨料颗粒附近的小范围内存在界面过渡区(简称ITZ),其典型厚度为20～40 μm[8]。ITZ其形貌、成分和密度等方面与浆体有显著的不同。其特征概括以下几点:①未水化的水泥比较少;②孔隙率较高,孔的直径比浆体要大;③水化硅酸钙较少;④存在大的、定向生长的氢氧化钙晶体;⑤钙矾石的浓度较大。

因此ITZ是混凝土性质中的最薄弱的环节,被视为混凝土中的强度限制相,这是因为由于过渡区的存在,混凝土在应力水平远低于2个主要组成相中任一个的强度时ITZ就破坏了。从表6可知,锂渣具有很好的火山灰性和集料效应,能够填充ITZ区域和消耗其区域的氢氧化钙增加了水化硅酸钙的量,从而到达提高锂渣混凝土的强度。当掺量小于等于15%时,虽然其3 d和7 d强度都有所降低,但是其28 d和90 d都呈上升趋势,都比空白组的强度高。特别是锂渣掺量为15%时,锂渣混凝土28 d的强度是空白组强度的1.08倍,90 d的强度是空白组强度的1.21倍,此时也达到了最大值。当掺量为15%～25%时,其3 d、7 d强度虽都有低于空白组的趋势,但是28 d、90 d的强度都在一定程度上高于空白组。当掺量超过25%时,锂渣混凝土的早期强度都比空白组低,呈下降的趋势,但是90 d的强度都过了空白组,这更说明了锂渣具有火山灰性和集料效应,对混凝土的后期强度发展贡献更大。这主要是由于锂渣中含有较多的以无定形的 SilO2、Al2O3和少量的CaO,发生如下化学反应[9]:

CaO + H2O →Ca(OH)2

Ca(OH)2+ SilO2+ H2O → CaO·SilO2·H2O

Ca(OH)2+ Al2O3+ H2O → CaO·Al2O3·H2O

这些反应的产物如硅酸钙、铝酸钙均具有较好的强度,有利于提高锂渣混凝土后期的强度。当掺量较大时,由于锂渣代替了部分水泥,因此早期的硅酸钙胶凝较少导致了早期强度低,后期时由于无定形的SilO2、Al2O3参与了二次反应生成了硅酸钙胶凝,同时未参与反应的颗粒填充了ITZ区域,提高其区域的强度达到了提高锂渣混凝土的强度。

3 结 语

(1)锂渣具有火山灰性和集料效应,其成分与水泥水化后的Ca(OH)2发生二次反应,提高混凝土的后期强度。同时由于锂渣的掺入可以节约水泥降低成本。

(2)锂渣等量代替水泥后,可以提高其强度,主要是由于锂渣改善了混凝土界面过渡区的水化硅酸钙含量和密实度。

(3)在胶凝材料总量为500 kg和1.5%的减水剂的前提下,可以配制出C80,C70,C60高强泵送混凝土。

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泵送性能 篇9

由于我国河砂资源短缺, 目前, 采用机制砂代替河砂在国内已经成为混凝土行业可持续发展的一种趋势。与天然河砂相比, 机制砂颗粒粗糙、尖锐多棱角、细度模数大、级配不良、含粉量不稳定的特性, 不利于混凝土的工作性能。而机制砂中含有的适量的石粉能改善其混凝土的工作性能, 但是过量的石粉会因吸附更多的水分, 导致混凝土工作性能变差。

由于中铁十四局集团有限公司沪昆客专贵州段, 地处贵州省安顺市辖区, 本辖区无河砂, 地材加工厂以小型加工设备为主, 生产出的机制砂不能满足高铁建设需要, 须在原有的设备的基础上加以改进。本文就由三种不同工艺生产出的机制砂来试拌混凝土, 并从混凝土的拌合物性能、力学性能、以及现场的工作性能、经济性、环保的角度相比较, 得出更适合中铁十四局集团有限公司沪昆客专贵州段所需的地材成产设备的同时, 浅谈一下MB<1.4 时机制砂中石粉含量对泵送混凝土性能的影响。

1 试验

1.1 机制砂生产工艺

第一种机制砂生产厂家为:高峰镇牛洞坡采石场, 其生产工艺为:鄂破+反击破+筛分, 然后用鼓风机除尘和控制石粉。第二种机制砂生产厂家为:天龙大哨堡采石场, 其生产工艺为:鄂破+反击破+制砂机+对辊机+鼓风机+除尘器+筛分, 利用鼓风机和除尘器控制石粉含量。第三种机制砂生产厂家为:安顺金银山采石场, 其生产工艺为:鄂破+反击破+立轴冲击式制砂机+级配调整机+除尘器+砂石粉分离机+筛分 (拌湿机) 。

1.2 三种生产工艺生产出机制砂的特点

第一种:由于第一种生产工艺破碎后直接筛分, 生产出的机制砂细度模数大, 级配不合理;利用鼓风机除尘, 石粉含量控制不稳定, 尤其是在下雨天其含泥量和石粉含量会过高;砂的粒型不好, 针片状偏高;压碎值大;切环保差。第二种:第二种生产工艺由于采用了制砂机, 生产出的机制砂粒型比第一种圆滑;采用鼓风机和除尘器控制石粉含量, 石粉含量低, 但是石粉含量不稳定;级配合理;压碎值比第一种要小;环保差。第三种:第三种生产工艺由于采用立轴冲击式制砂机控制机制砂粒径, 采用级配调整机调级配和细度模数, 利用除尘器和砂石粉分离机控制石粉含量, 生产出的机制砂粒径圆滑, 石粉含量稳定;级配合理;压碎值更小;环保好。

1.3 原材料

水泥:贵州金久水泥有限公司生产的P·O42.5 水泥。粉煤灰:国电安顺发电有限公司生产的F类粉煤灰。碎石:羊昌关口采石场生产的石灰岩碎石。减水剂:山西凯迪生产的KDSP-1 型聚羧酸高效减水剂。机制砂:以上三种机制砂。以上三种机制砂的性能指标见表1。

2 试验设计一

本次试验以C35、C50 泵送混凝土, 采用以上三种机制砂, 在混凝土的和易性、黏聚性、保水性、力学性能和现场工作性能做比较, 得出更适宜使用泵送混凝土的机制砂生产工艺。C35、C50 泵送混凝土基准配合比见表2。

C35 泵送混凝土的水胶比为0.37, 砂率为43%, 粉煤灰掺量为胶凝材料的30%, 减水剂掺量为胶凝材料的1%。

C50 泵送混凝土的水胶比为0.31, 砂率为38%, 粉煤灰掺量为胶凝材料的30%, 减水剂掺量为胶凝材料的1%。

用以上三种机制砂, 分别对C35、C50 泵送混凝土进行试拌, 所得拌合物性能、力学性能和现场工作性能结果见表3。

从表3分析, 三种机制砂的MB值均小于1.4, 其含粉主要为石粉, 当胶凝材料378kg/m3, 机制砂中石粉含量为5%~10%时, 所配制的低强度的混凝土拌合物性能良好。由于低强度等级的混凝土胶凝材料用量较少, 石粉一方面提高了混凝土中细粉组成含量增加浆体量, 另一方面石粉中细小的球形颗粒产生的滚珠作用, 减少了机制砂因颗粒粗糙、尖锐多棱角引起流动互摩擦引起的阻力, 改善了混凝土的和易性。当胶凝材料475kg/m3, 机制砂的石粉含量小于5%时, 所配制的高强度混凝土拌合物性能满足要求。机制砂含量在5%~10%时, 由于石粉含量过多, 拌合物的需水量增加, 使拌合物较黏, 但其拌合物性能仍然符合要求。

以上是从拌合物性能方面分析, 下面从力学性能和现场工作性能来分析。对于牛洞坡采石场生产的机制砂, 其细度模数大、石粉含量高、针片状高, 虽然石粉的含量高, 石粉提高了混凝土中细粉组成含量增加浆体量, 石粉中细小的球形颗粒产生的滚珠作用, 减少了机制砂因颗粒粗糙、尖锐多棱角引起流动互摩擦引起的阻力, 改善了混凝土的和易性, 在一定程度上克服了其针片状多对拌合物性能产生的影响, 但是由于针片状多、机制砂的压碎值偏大, 混凝土的力学性能影响很大, 配制低标号的混凝土能满足要求, 配制高标号的混凝土无法达到要求。由于其针片状多低标号的混凝土在现场泵送时, 对混凝土泵车的管壁有很大的摩擦, 泵车泵送困难, 有事甚至出现堵管。对于高标号的混凝土, 其石粉含量高、胶凝材料用量多, 拌合物非常黏, 泵车依然很难泵送。对于大哨堡采石场生产的机制砂, 配制低标号的混凝土时拌合物性能和力学性能虽然都能满足要求, 但其胶凝材料用量和石粉含量低, 在泵车的压力下, 其保水性能大大降低, 会出现泌水离析的现象。配制高强度混凝土时, 胶凝材料用量高, 则提高了其保水性, 泵送时不会出现泌水离析现象。金银山采石场生产的机制砂配制低标号的混凝土时拌合物性能和力学性能及现场工作性能均能满足要求, 但是在配制高标号混凝土时, 由于其石粉含量稍高, 混凝土稍黏, 现场泵送缓慢。

3 试验设计二

由于中铁十四局集团沪昆客专贵州段, 除预制梁和轨枕是高强度混凝土外, 其他均为C50以下混凝土。在试验一的基础上, 下面我们从C50以下, 经济使用的角度来设计试验二, 本次试验仍以C35泵送混凝土为例。从试验一已经知道, 在胶凝材料378kg/m3, 牛洞坡采石场和大哨堡采石场生产的机制砂配制的混凝土不能满足现场工作需要, 而金银山采石场生产的机制砂各项性能指标均满足要求。在砂率已经接近设计上线的情况下, 对于牛洞坡采石场和大哨堡采石场生产的机制砂只能提高胶凝材料用量, 来改善现场的工作性能。而对于金银山采石场生产的机制砂在胶凝材料为378kg/m3时已经满足要求, 为了节约, 降低胶凝材料的用量看是否还能满足需要。在水胶比、砂率、粉煤灰和外加剂掺量不变的情况下, 试验设计配合比见表4。

从表5可以看出不管是从经济环保的角度、还是现场施工要求金银山采石场所生产的机制砂均能适合。

4结论

通过对试验结果的分析与讨论, 得出以下结论: (1) MB<1.4的情况下, 以石粉含量作为技术要求, 可有效控制机制砂泵送混凝土质量。 (2) 在MB<1.4的情况下, 配置高标号混凝土时, 石粉含量宜控制在5%以内;配置低标号混凝土时, 石粉含量宜控制在5%~7%以内; (3) 从节约环保、现场施工和实体质量出发, 第三种机制砂加工工艺更适合高铁建设。

摘要：研究机制砂在MB<1.4时, 胶凝材料用量、机制砂中石粉含量对泵送混凝土施工性能的影响;采用室内试配混凝土和易性比较和施工过程中的施工性能相比较的方法, 验证更适合高铁建设的机制砂生产工艺。结论得出在MB<1.4时, 机制砂中含一定量石粉, 对混凝土的和易性和施工性能有很大益处。

关键词：机制砂,MB,石粉含量,泵送混凝土,生产工艺

参考文献

[1]JGJ/T241-2011, 人工砂混凝土应用技术规范[S].

[2]J11557-2010, 预拌机制砂混凝土技术规程[S].重庆:重庆市混凝土协会, 2009:4-5.