超高层泵送混凝土配合比优化分析

秦焕朝

（山西建筑职业技术学院，山西 太原 030006）

0 引言

随着高层建筑迅速发展，超高层泵送混凝土相关技术成为超高层结构施工中的常见问题[1-3]。在超高层建筑混凝土泵送最常见的问题即为混凝土堵管的问题，出现该问题的原因通常在于混凝土可泵性、工作性不良。超高层泵送混凝土面临的难题在于：流动性与黏度的关系；混凝土泌水、离析与流动性之间的关系；混凝土流动性的经时损失；高强度等级与高流动性之间的关系[4-6]。

目前，尽管JGJ/T 10—2011《混凝土泵送施工技术规程》对超高层泵送混凝土坍落度、压力泌水率等作出了要求，然而在实际工程中，混凝土堵管现象却时有发生，尽管通过提升混凝土泵机的功率也能够改善上述问题，但与此同时工程整体成本也会相应增加，不利于工程成本控制。本文基于北京某实际工程案例，该工程中对C60强度等级混凝土泵送至130 m左右时，混凝土持续出现堵管现象，而实测混凝土坍落度达到（210±20）mm，压力泌水率≤40%，满足 JGJ/T 10—2011的相关要求。针对上述问题，项目部及混凝土供应方对混凝土配合比进行优化分析，在满足其强度等级前提下，提高混凝土可泵性，降低工程整体造价。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5，山西吉港水泥有限公司生产；细骨料：河砂，中砂；粗骨料：5～25 mm连续级配碎石；石墨粉：325目，河北某厂家供应；沸石粉：200目，河南信阳某厂家提供；聚羧酸高效减水剂：山西太原某厂生产，减水率20%～30%；粉煤灰：Ⅱ级，太原某电厂提供，SiO2含量50.13%，烧失量2.5%；自来水。

1.2 试验配合比及测试方法

本试验旨在对原配合比进行优化，以提高混凝土可泵性、工作性。该工程原混凝土配合比如表1所示。基于原配合比，将粉煤灰与矿渣双掺配制调整为粉煤灰、石墨粉及沸石粉三掺配制，胶凝材料用量不变，在确保混凝土强度前提下，提高混凝土工作性能，调整后的混凝土基准配合比如表2所示，共12组配合比。基于表2调整后的配合比，探讨粉煤灰、石墨粉、沸石粉掺量变化对混凝土工作性能影响，粉煤灰、石墨粉、沸石粉均按照占水泥质量计，粉煤灰掺量分别为水泥质量的10%、15%、20%，石墨粉掺量分别为水泥质量的5%、10%、15%、20%，按照胶凝材料总质量不变原则，剩余部分即为沸石粉用量。

表1 试验混凝土的原配合比 kg/m3

表2 调整后的混凝土配合比 kg/m3

试验中分别测试各组试件混凝土坍落度、扩展度，坍落度、扩展度经时损失，混凝土压力泌水率，混凝土28 d抗压强度等参数。混凝土坍落度、坍落扩展度、压力泌水率测试参照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行，混凝土抗压强度测试参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。

混凝土坍落度及坍落扩展度经时损失遵循如下步骤：测试刚搅拌完成混凝土浆体坍落度；将试样装入塑料筒内，筒口采用塑料薄膜封闭，在（20±2）℃环境放置30 min，随后将试样倒入搅拌机搅拌10 s后，测试试样30 min坍落度；继续重复试验，测试混凝土1 h坍落度。

2 试验结果与分析

混凝土坍落度、坍落扩展度经时损失及抗压强度测试结果如表3所示。

表3 三掺混凝土的性能测试结果

由表3可见：

（1）对各组混凝土坍落度分析可知，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土坍落度及扩展度均不断增大，混凝土和易性不断提高。石墨粉掺量增加，混凝土流动性逐渐提高，然而进一步对比可以发现，当粉煤灰掺量仅为10%时，提高石墨粉掺量对改善混凝土流动性作用较小，同时各配合比混凝土和易性均较差。当粉煤灰掺量为15%、20%时，石墨粉对混凝土流动性影响较为明显，5%掺量的石墨粉可使得混凝土坍落度增大15%以上，同时混凝土和易性良好。

（2）尽管沸石粉可以提高混凝土的黏聚性，然而当石墨粉掺量达到20%后，混凝土仍产生离析。石墨粉的掺加可以较大程度改善混凝土的流动性，但过量的石墨粉会导致浆体与骨料出现分离，混凝土出现离析，在混凝土泵送过程中产生管道堵塞现象。

（3）对混凝土坍落度经时损失分析可知，掺加粉煤灰对降低混凝土坍落度经时损失效果最为显著，当粉煤灰掺量从10%逐渐增加到15%、20%，混凝土坍落度经时损失值逐渐降低。掺加石墨粉对降低混凝土坍落度经时损失同样有一定作用，但其不及粉煤灰的改善效果。掺加适量的粉煤灰可以有效减缓胶凝材料水化进程，增强混凝土保水性，减少坍落度经时损失。

（4）随着石墨粉掺量的增加，混凝土压力泌水率增大，混凝土的抗离析、泌水性能出现降低。随着沸石粉掺量的增加，混凝土压力泌水率减小，混凝土的保水性逐渐增强。沸石粉细度较大，其较水泥颗粒更细，掺入沸石粉可以降低胶凝材料颗粒平均粒径，填充水泥颗粒间的空隙，提高水泥浆体密实程度，降低混凝土压力泌水率，增强混凝土可泵性[7]。

（5）石墨粉对混凝土抗压强度影响较为显著，随着石墨粉掺量的增加，混凝土抗压强度降低。粉煤灰对混凝土抗压强度影响较小，28 d抗压强度仅略有下降。试验中各组配合比实测混凝土抗压强度均满足设计要求的C60强度等级。

基于试验结果，实际工程中采用15%粉煤灰、5%石墨粉、21.25%沸石粉的三掺配合比，施工中混凝土坍落度达到230 mm，未发生堵管现象，混凝土泵送性能良好。

3 泵送前后混凝土性能分析

基于本工程，进一步对泵送前后混凝土的工作性能、抗压强度及抗氯离子渗透性能进行分析。试验泵送混凝土高度为132 m。

3.1 工作性能分析

泵送前后混凝土工作状态如表4所示。

表4 泵送前后混凝土的工作状态

由表4可知，泵送后混凝土坍落度、扩展度、密度均降低，混凝土的流动性下降。其主要原因在于泵送过程中混凝土受管道摩擦作用，温度升高，混凝土水化速度加快，部分水分被消耗，从而导致混凝土的流动性降低。同时，在泵送过程中，部分水分被管道吸收，也会导致混凝土的流动性降低，密度增大。

3.2 抗压强度分析

泵送前后混凝土的抗压强度如图1所示。

图1 泵送前后混凝土的抗压强度

从图1可知，泵送后混凝土的抗压强度明显高于泵送前。高强混凝土黏性较好，泵送均匀性较好，泵送过程中部分水分被消耗吸收，泵送后混凝土流动性下降，水胶比相应降低，从而导致混凝土抗压强度提高。

3.3 抗氯离子渗透性分析

混凝土抗氯离子渗透性试验参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中电通量法进行，泵送前后混凝土的电通量如图2所示。

图2 泵送前后混凝土的电通量

由图2可知，随龄期的延长，泵送前后混凝土的电通量均逐渐降低，混凝土的抗氯离子渗透性能逐渐增强。与泵送前后混凝土抗压强度变化原因类似，一方面，泵送后混凝土的水胶比降低，水化反应更为充分，因而混凝土的抗氯离子渗透性增强；另一方面，在三掺配合比技术下，矿物掺合料的掺入促使混凝土发生二次水化反应，使得混凝土更为密实，提高氯离子的渗透阻力[8]。同时矿物掺合料也增强了混凝土对氯离子的渗透及化学结合能力，混凝土的抗氯离子渗透性能得到增强。

4 结论

（1）在混凝土中掺加适量的石墨粉，有利于提高混凝土的流动性，减少混凝土坍落度经时损失。然而石墨粉掺量也不宜过大，当石墨粉掺量达到25%时，混凝土容易出现泌水、离析，混凝土保水性较差。

（2）粉煤灰掺量仅为10%时，提高石墨粉掺量对于改善混凝土流动性效果并不显著。当粉煤灰掺量增加至15%、20%时，掺加石墨粉可以有效提高混凝土的流动性。

（3）掺量适量的粉煤灰可以有效减缓胶凝材料水化进程，增强混凝土保水性，减少坍落度经时损失。

（4）石墨粉对混凝土抗压强度存在一定负面影响，但影响程度相对较小，试验中各组配合比混凝土强度均满足设计要求。经过优选，最终确定采用15%粉煤灰、5%石墨粉、21.25%沸石粉的三掺混凝土配合比。按此优化配合比，泵送后混凝土的坍落度出现小幅降低，混凝土抗压强度略有升高，混凝土抗氯离子渗透性能得到增强。

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