流变改性材料在超高桥塔高强混凝土中的应用

2021-12-30张庆芸周新文林玮徐文魏乐永颜智法梁振有关健

新型建筑材料 2021年12期

张庆芸，周新文，林玮，徐文，魏乐永，颜智法，梁振有，关健

（1.江苏省交通工程建设局，江苏南京 210004；2.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏南京 211103；3.高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏南京 210008；4.东南大学材料科学与工程学院，江苏南京 211189；5.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）

0 引言

桥梁作为跨越地理障碍的人工构筑物，是交通设施联通的关键节点，是国民经济发展和社会生活安全的重要保障。随着交通强国战略的快速推进，我国桥梁建设技术日趋成熟，逐步从桥梁大国走向桥梁强国[1]。分析我国现代桥梁设计，不难发现现代桥梁逐渐向超大跨径方向发展。对于超大跨径桥梁，桥面板自身重力成倍增长，对直接承受缆索荷载的桥塔提出了更高要求。出于钢桥塔局部失稳的复杂性和使用期维护工作量大的考虑[2]，混凝土桥塔和钢-混凝土组合桥塔逐渐为桥梁设计师所青睐。因此，超大跨径桥梁设计使用高强混凝土构筑超高桥塔已屡见不鲜[3]。

随着桥塔的高度向300 m及更高的高度不断攀升，混凝土泵送高度持续增加；且高强混凝土的低水胶比特性，造成新拌混凝土黏度高，两者叠加导致泵送难度成倍增长。研究表明，高强混凝土具有塑性黏度大、屈服应力低的特点[4]，与普通混凝土相比，相同流速下极易形成粘滞流[5]，进而造成混凝土泵送阻力高，泵送难度大的问题。

为有效降低高强混凝土泵送难度，开发了一种微纳米级粉体流变改性材料，用以调控混凝土工作性能，实现顺利泵送施工。

1 试验

1.1 原材料

水泥：江南-小野田水泥有限公司生产的P·Ⅱ52.5水泥，标准稠度用水量为28%，28 d抗压、抗折强度分别为59.2、8.5 MPa，主要化学成分见表1。

粉煤灰：江苏华电，Ⅱ级，需水量比98%，比表面积512 m2/kg，主要化学成分见表1。

流变改性材料：江苏苏博特新材料股份有限公司生产，是一种由特殊粉体颗粒组成的功能性材料，主要原材料配比为：15%硅灰，15%粉煤灰，60%石灰石粉，3%硫酸钙，7%纳米改性颗粒。其流动度比为106%，氯离子含量0.02%，密度2.56 kg/m3，比表面积9131 m2/kg，主要化学成分见表1，粒度分布见图1。

表1 粉体材料的主要化学成分 %

图1 流变改性材料的粒径分布

砂：鄱阳湖砂，细度模数2.5，Ⅱ区中砂，表观密度2600 kg/m3，紧密堆积密度1760 kg/m3，含泥量0.8%。

碎石：常州5~30 mm连续级配碎石，表观密度2980 kg/m3，紧密堆积密度1690 kg/m3。

减水剂：江苏苏博特生产的904型聚羧酸型高性能减水剂，固含量16%，减水率29%。

1.2 性能测试方法

（1）新拌混凝土坍落度、扩展度等试验参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行；扩展时间T500参照JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》进行；倒置坍落度筒排空时间（简称倒筒排空时间）参照JGJ/T 281—2012《高强混凝土应用技术规程》进行；抗压强度参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行。

（2）砂浆流变性能测试：使用Brookfield公司生产的R/SP-SST型软固体流变仪，采用阶梯式剪切制度，见图2。

图2 流变测试剪切制度

（3）混凝土流变性能测试使用ConTec公司生产的Viscometer 5型混凝土流变仪。采用阶梯式剪切制度，与砂浆流变测试的剪切制度类似。

2 结果与讨论

2.1 流变改性材料掺量对砂浆流变性的影响

调整减水剂掺量，控制基准组砂浆流动度为（230±10）mm（此时减水剂掺量为7.8 g），固定减水剂掺量不变，研究流变改性材料掺量对新拌砂浆性能影响。试验配合比如表2所示。

表2 流变改性材料掺量对砂浆流动度影响试验配合比

2.1.1 砂浆流动度

根据表2配合比，试验得到砂浆流动度与流变改性材料掺量的关系如表3所示。

从表3可见，除流变改性材料掺量2%外，随着掺量的增加，砂浆流动度整体呈递增趋势。这说明流变改性材料有提高砂浆工作性的效果。图3为流变改性材料掺量为8%时，流动度试验过程中采集的照片。

图3 流变改性材料掺量为8%时水泥砂浆流动度试验状态

表3 流变改性材料对砂浆流动度的影响

由图3可知，当砂浆流动度为245 mm时，砂浆体系较为稳定，最终流动圆饼形态完整，表面无浮浆，边缘无泌水。这说明对于该配合比而言，其在试验范围内流态合适，未发生离析、泌水现象，体系均匀稳定。

2.1.2 砂浆的流变性

对砂浆流变仪采集到的剪切速率-剪切应力曲线使用Bingham模型拟合[见式（1）]，计算得到的砂浆动态屈服应力和塑性黏度如表4所示。

表4 流变改性材料掺量对砂浆流变性的影响

式中：τ——剪切应力，Pa；

τ0——屈服应力，Pa；

μ——塑性黏度，Pa·s；

γ——剪切速率，s-1

由表4可知：掺加流变改性材料对砂浆的屈服应力有一定降低效果，当掺量为6%时，屈服应力降低了24%；同时，流变改性材料可有效减小砂浆的塑性黏度，且塑性黏度降低值与流变改性材料掺量成正比。当流变改性材料掺量为10%时，塑性黏度降低了16%，表明此流变改性材料具有良好的降黏效果。

2.2 流变改性材料掺量对混凝土工作性能的影响

调整减水剂掺量，控制基准组混凝土扩展度为（600±20）mm，固定减水剂掺量为7.5 kg，研究流变改性材料对新拌混凝土工作性能影响，试验配合比如表5所示。

表5 流变改性材料掺量对混凝土工作性能影响的试验配合比 kg/m3

2.2.1 新拌混凝土的初始工作性

对于高强混凝土可泵性的评价，已有许多研究[6-8]提出了不同的测试方法。本试验结合相关资料与现场实际可操作性，提出用坍落度、扩展度、T500和倒筒时间综合反映新拌混凝土的工作性。图4为流变改性材料掺量2%时新拌混凝土的坍落/扩展度试验状态。表6为流变改性材料掺量对混凝土工作性能的影响。

表6 流变改性材料掺量对新拌混凝土工作性能的影响

图4 掺2%流变改性材料新拌混凝土的初始状态

由图4可知，该混凝土和易性良好，无明显离析、泌水，其他各组试验新拌混凝土状态与此类似，均呈现较好和易性。

由表6可见：

（1）当不掺流变改性材料时，基准组新拌混凝土的坍落度为230 mm，掺加2%~10%流变改性材料的新拌混凝土初始坍落度分别为235、225、220、225、215 mm。可以认为，在大流态混凝土中，掺入流变改性材料对初始坍落度影响不明显，但仍旧呈轻微的负面作用规律。同时，不掺流变改性材料的新拌混凝土初始扩展度为610 mm，掺加2%~10%流变改性材料的新拌混凝土初始扩展度分别为670、560、530、510、480 mm。可以发现，掺2%流变改性材料可明显增大混凝土的扩展度，增幅近10%；而一旦掺量超过4%时，则随着流变改性材料的增加，新拌混凝土初始扩展度有明显下降的趋势。

（2）当不掺流变改性材料时，基准组新拌混凝土的初始T500为11.1 s，掺加2%~8%流变改性材料的新拌混凝土初始T500分别为7.4、11.3、12.0、11.6 s；流变改性材料掺量为10%时，初始扩展度仅为480 mm，不存在T500。可以发现当掺入2%流变改性材料时，新拌混凝土的T500有明显缩短，降幅达33%；而当掺量超过4%时，随着流变改性材料的增加，新拌混凝土T500与不掺流变改性材料相当，无明显降低趋势。同时，不掺流变改性材料的新拌混凝土倒桶时间为8.2 s，掺加2%~10%流变改性材料的新拌混凝土的倒筒时间分别为7.8、7.6、8.8、6.8、6.8 s，可以认为，掺入流变改性材料可有效降低倒桶时间。由于倒置坍落度桶试验时，新拌混凝土流下时与筒壁之间的摩擦与混凝土泵送运动时与泵管内壁之间的摩擦极为相似，因此我们认为倒桶时间可作为评价新拌混凝土泵送性的主要指标。因此，使用流变改性材料可以有效提高混凝土的泵送性。

2.2.2 新拌混凝土的经时工作性

混凝土工作性经时损失也是影响其泵送性与可施工性的关键指标之一，本文通过测试不同掺量流变改性材料混凝土经时2 h工作性损失来反映掺流变改性材料混凝土的保坍性能，试验结果如表7所示。流变改性材料掺量为10%时混凝土经时2 h的状态如图5所示。

图5 掺10%流变改性材料混凝土经时2 h的状态

表7 流变改性材料掺量对混凝土经时2 h工作性能的影响

由表7可见：

（1）基准混凝土（流变改性材料掺量为0）经时2 h的坍落度为200 mm，掺加2%~10%流变改性材料的混凝土经时2 h坍落度分别为240、230、250、230、230 mm。可以认为，在大流态混凝土中，掺入流变改性材可明显提高混凝土的经时2 h坍落度。与表6对比可知，基准混凝土经时2 h坍落度下降了13%，而掺加流变改性材料的混凝土经时2 h坍落度均保持良好且略有增大，其中掺量为6%时混凝土经时2 h坍落度相比于初始状态提高了14%。同时，基准混凝土经时2 h的扩展度为425 mm，而掺2%~10%流变改性材料的混凝土初始扩展度分别为660、620、625、575、500 mm，其中当掺量为2%时，其经时2 h扩展度相比于基准混凝土增幅达55%，表明掺入流变改性材料可以明显提高混凝土经时2 h坍落扩展度。同时与新拌混凝土对比可以发现，基准混凝土经时2 h扩展度减小了30%；而掺加流变改性材料的混凝土经时2 h扩展度均保持良好且略有增大，其中6%掺量时混凝土经时2 h扩展度相比于初始状态增大了11%。表明掺入流变改性材料对混凝土有良好的保坍效果。

（2）基准混凝土的经时2 h扩展度为425 mm，因此T500不存在；而掺入2%~10%流变改性材料的新拌混凝土经时2 h的T500分别为10.5、11.1、11.1、11.8和14.7 s。与新拌混凝土对比可知，掺流变改性材料混凝土经时2 h的T500与初始状态相近，表明其黏度未发生明显变化。同时，基准混凝土经时2 h的倒桶时间为11.2 s，而掺加2%~10%流变改性材料混凝土的经时2 h倒桶时间分别为9.8、9.4、5.5、7.3和6.7 s，可以认为，掺入流变改性材料可有效缩短混凝土经时2 h的倒桶时间。且相比于新拌混凝土，可以进一步发现流变改性材料对混凝土泵送性的保持有较好效果，其中掺量为6%时，混凝土经时2 h倒桶时间缩短了37.5%。表明流变改性材料的掺入对混凝土的泵送性有良好的保持效果。

由图5可见，掺10%流变改性材料的混凝土经时2 h后仍具有良好的和易性，无离析、泌水现象，且包裹性良好。其他各组试验情况也与此类似。

综上可知，流变改性材料的掺入，对新拌混凝土初始坍落度、扩展度无提升作用，但对经时2 h后的混凝土流动性有明显提升。这可能是因为流变材料为微纳米级粉体，具有较高的表面能，团聚效应显著，在常规搅拌下难以有效分散，进而造成其填充胶凝材料间隙效应削弱；且其与水泥颗粒之间存在对减水剂的竞争吸附，导致水泥絮凝结构未能被充分打开，造成掺加流变改性材料混凝土的初始流动性下降。而存放经时2 h后，二次搅拌使得流变改性材料充分填充胶凝材料间隙，同时微纳米颗粒表面已经被减水剂饱和吸附，进而发挥出其流变改性效果，经时2 h流动度和黏度显著降低，且泵送性也明显提高。

2.3 流变改性材料掺量对混凝土流变性的影响

2.3.1 抗离析性

在实际混凝土生产过程中，通过调整减水剂掺量达到控制新拌混凝土施工性的目的。因此，试验控制各组混凝土的扩展度一致，均为（600±20）mm，分析流变改性材料对混凝土流变性能的影响，图6为不同流变改性材料掺量新拌混凝土的抗离析性测试结果。

图6 不同流变改性材料掺量新拌混凝土的转速-扭矩关系

由图6可见，随着转速的加快，混凝土扭矩增大。这符合流体基本规律，且各组混凝土的转速-扭矩的关系近似为直线，因此可以认为该混凝土符合Bingham流变本构模型。离析是造成混凝土堵泵的主要原因之一，本研究使用离析系数（Sc）用来评价混凝土的体系稳定性，如式（2）所示[9]：

式中：k——测量段0.2 r/s点处的斜率值；

k'——校核段0.2 r/s点处的斜率值。

混凝土流变性测试过程中，因重力和剪切作用，粗骨料有下沉的趋势，若混凝土稳定性差，则粗骨料沉降显著，将造成测量前后体系中物料分布不均匀，则反映为测量扭矩不同。Sc则是通过计算测量前后扭矩的差值，反映其混凝土稳定性。一般认为，若Sc小于5%，则表示体系稳定性较好，未发生离析；若Sc大于10%，则说明离析严重，混凝土稳定性差。

根据式（2）计算得到0~10%掺量流变改性材料混凝土的Sc分别为1.7%、2.0%、0.3%、1.7%、4.2%、0.5%，可以认为各组混凝土在流变性测试前后，内部粗骨料未发生离析，体系稳定。这有利于混凝土顺利泵送，减小堵管风险。

2.3.2 降黏效果

黏度是反映混凝土泵送性的关键指标。一般认为，混凝土黏度越大，其泵送时阻力越大，泵阻越大，则泵压越高。

由图6可见，当固定某一转速时，混凝土扭矩随着流变改性材料掺量的增加而降低，这说明新拌混凝土在流动时的阻力随着流变改性材料掺量的增大而减小。即流变改性材料有降低混凝土黏度的效果，进而实现其降低泵送阻力，提高泵送性的目的。

2.3.3 混凝土的流变性

分析图6可知，混凝土符合Bingham流变本构模型。使用Bingham模型对其流变曲线进行拟合，计算得到混凝土流变参数如表8所示。

表8 流变改性材料掺量时混凝土流变性的影响

由表8可见：

（1）除2%和10%掺量外，其余各组混凝土屈服应力均稳定在10 Pa左右。这是因为通过控制减水剂用量达到了扩展度基本一致的效果，根据文献报导[10]，混凝土扩展度与屈服应力存在较强相关性。所以，混凝土扩展度相同的情况下，屈服应力基本相同。

（2）随流变改性材料掺量的增加，混凝土的塑性黏度逐渐减小。当流变改性材料掺量为10%时，可降低塑性黏度达74%。表明流变改性材料对新拌混凝土塑性黏度有明显的降低效果，且能保证混凝土体系稳定，可提高混凝土的泵送性。

2.4 流变改性材料掺量对混凝土抗压强度的影响（见表9）

表9 流变改性材料掺量对混凝土抗压强度的影响

从表9可见：（1）基准混凝土的7 d抗压强度为56.4 MPa，掺2%~10%流变改性材料混凝土的7 d抗压强度分别为63.1、62.0、59.6、54.2、54.0 MPa。表明适量掺加流变改性材料可有效提高混凝土的7 d抗压强度；但当掺量超过8%时，则会造成其抗压强度轻微下降。（2）对于28 d抗压强度，除掺10%流变改性材料混凝土的抗压强度低于基准组外，在2%~8%掺量下，混凝土的抗压强度均无明显降低。这是因为流变改性材料可有效填充胶凝材料间隙，改善硬化混凝土孔结构，提高其密实度，进而实现提高强度的效果。由于流变改性材料水化活性不如水泥强，一旦掺量过高，其提高密实度带来的强度增强效果不如减少水泥水化产物造成的强度削弱效果。