增稠剂在中粗砂混凝土泵送施工中的应用

陆加越，吴 烁，白 坤，刘柯琦

（1.江苏建筑科学研究院有限公司，江苏 南京 210008；2.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 211103；3.中铁十四局集团有限公司，山东 济南 250101；4.中铁十四局集团大盾构有限公司，江苏 南京 211899）

1 背景

砂子的级配对混凝土的施工性能起着决定性的作用，但随着河道禁采的影响，许多地区砂石料出现短缺，导致砂石料市场的供需平衡被打破，品质较好的砂石料价格明显上涨，与此同时砂石料品质也明显劣化，当砂子含泥量较高时，厂家为了让含泥量合格会进行多次的冲洗，使得砂子中细颗粒流失。随着泵送施工的普及，工作效率大大提升，但是中粗砂的使用会使得混凝土泵送时出现泌水离析的问题，容易导致堵泵，而一味的提升砂率不仅会导致混凝土丧失流动性，而且还会造成强度的偏低。增稠剂作为一种外加剂，能够有效的锁住自由水，提高浆体屈服应力，提升混凝土的抗离析性能，且具有触变作用，在外力作用下能够恢复流态[1-2]。纤维素醚类和高分子聚合物类是目前使用较广的两种增稠剂类型。本文针对这两种增稠剂，研究其对中粗砂混凝土泵送性能、抗压强度以及收缩方面的影响。

2 试验

2.1 原材料

水泥：曲阳金隅P.O 42.5，相关指标如表1所示。砂：人工调整级配后的天然河砂，细度模数3.7，松散堆积空隙率42%，级配如表2所示。石子：5～25mm石灰石碎石，松散堆积空隙率45%。减水剂：由苏博特提供的高性能减水剂PCA-Ⅰ，指标符合《混凝土外加剂》（GB 8076—2008）规范技术要求。增稠剂：高分子聚合物类增稠剂（VM-Ⅰ）和纤维素醚类增稠剂（X-Ⅰ），由苏博特公司提供，分别如图1、图2所示。

表1 水泥的主要技术性能指标

表2 人工调整后河砂级配

图1 高分子聚合物类增稠剂（VM-Ⅰ）

图2 纤维素醚类增稠剂（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范围内，减水剂掺量（1.0±0.1）%，增稠剂掺量为0.03%。

表3 C30混凝土配合比

2.3 试验方法

2.3.1 混凝土搅拌方式

采用强制式搅拌机搅拌，先将干料放入搅拌机干搅15s，将称好的增稠剂与减水剂搅拌均匀，与水一同加入搅拌机后，搅拌120s。

2.3.2 泵送性能测试

按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080—2016）规范要求，进行坍落度、含气量、压力泌水率的测定，来表征混凝土是否满足泵送施工的要求。含气量测定仪为日本三洋直读气压含气量仪，压力泌水率测定仪采用SY-2型混凝土压力泌水测定仪。

2.3.3 抗压强度

采用100mm×100mm×100mm非标准立方体试块，每组3块，参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）进行测试。

2.3.4 塑性收缩

参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009）中的非接触法，试验温度（20±2）℃，相对湿度（60±5）%。

2.3.5 干缩

试件带模养护24h，拆模后立即用环氧树脂加固轴心测钉，在标养室养护2d后取出，放至干缩室测量初始长度，分别在1d、3d、7d、14d、28d、56d、90d、120d测量试件长度，计算试件干缩率。

3 结果与讨论

3.1 增稠剂对混凝土可泵性的影响

不同增稠剂对含气量及稳泡性能的影响如图3所示。由图3可以看到，是否添加增稠剂对混凝土含气量的影响不大，但加入增稠剂的混凝土在1h经时含气量损失较小，整体含气量变化更为平稳。这是因为含气量的稳定性主要取决于气泡的稳定存在，增稠剂的加入提高了浆体的塑性粘度，使得气泡在浆体中运动困难，提高了气泡在混凝土中分布的均匀性，也使得小气泡之间相遇成为大气泡的概率变小。表4为不同增稠剂对混凝土新拌性能的影响。从表4的数据可以看到，添加增稠剂的混凝土对于压力下泌水的程度有了极大改善。在泵送施工中，经常能遇到混凝土在泵管内输送时突然碰到弯管，变径等情况，管内压力徒增，混凝土中自由水会在泵压突增情况下从骨料空隙中流出，出现骨料堆积造成堵管现象[3]。表4可以看到当中粗砂混凝土不加增稠剂时，压力泌水率达到了50%，而常规泵送混凝土的压力泌水率应不高于40%，超出改范围，则堵泵机会会提高[4]。加入高分子聚合物类增稠剂后，压力泌水率降低了50%，而加入纤维素醚类增稠剂，压力泌水率降低了70%。这说明增稠剂能够弥补中粗砂断级配带来的堵泵风险，从而使得中粗砂也能够应用于泵送施工。

图3 不同增稠剂对含气量及稳泡性能的影响

表4 不同增稠剂对混凝土新拌性能的影响

3.2 增稠剂对混凝土力学性能的影响

不同增稠剂对混凝土抗压强度的影响如图4所示。由图4可以看到，掺增稠剂的混凝土抗压强度均高于基准组混凝土抗压强度，说明增稠剂的加入对混凝土抗压强度无不良影响。这是因为增稠剂的加入使得混凝土石子裹浆能力提升，提高了混凝土匀质性，也提高了浆体与骨料之间的胶结强度，减少了某一区域水分大量聚集的情况，因此使得强度还略有提高。

图4 不同增稠剂对混凝土抗压强度的影响

3.3 增稠剂对混凝土收缩性能的影响

不同增稠剂对混凝土塑性收缩的影响如图5所示。由图5可以看到，加入增稠剂可以降低混凝土的塑性收缩，相较于基准混凝土的塑性收缩率2205μm·m-1，加入高分子聚合物类增稠剂后塑性收缩率为1874μm·m-1，降低了约15%，加入纤维素醚类增稠剂的混凝凝土塑性收缩率为1653μm·m-1，降低了约25%。

图5 不同增稠剂对混凝土塑性收缩的影响

混凝土的塑性收缩阶段主要由两个方面决定：一方面，当混凝土处于大流态时，在浇筑成型后，由于水泥和骨料的表观密度较大，会出现沉降现象，同时空隙中的自由水被填满，沿着固体颗粒的下沉通道往上泌水，当上表面水分蒸发后，混凝土体积减小。另一方面，混凝土中的自由水由于蒸发、水化消耗等原因，形成毛细管负压，进而收缩增大。而掺加了增稠剂后，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缩[5]。

不同增稠剂对混凝土干缩的影响如图6所示。从图6可以看到，掺增稠剂的混凝土干燥收缩均小于基准混凝土。在120d龄期时，不加增稠剂的混凝土干燥收缩率在620μm·m-1，而加入了高分子聚合物类增稠剂后，混凝土的干燥收缩率在567μm·m-1，较基准组降低了8%，掺纤维素醚类增稠剂，混凝土的干燥收缩率在539μm·m-1，较基准组降低了13%。干燥收缩是由于混凝土硬化后受到外界湿度过低或者温度过高等影响使其内部水分与外界进行交换，从而导致内部由于缺少而收缩[6]。但是加入增稠剂后，提高了混凝土入模成型阶段水分分布的均匀性，使得混凝土密实性增加，降低了与外界进行水分梯度交换的频率降低，从而降低了混凝土的干燥收缩率。

图6 不同增稠剂对混凝土干缩的影响

4 结语

（1）在相同坍落度情况下，掺加增稠剂能够大幅提高中粗砂混凝土的稳泡性能和压力泌水率，从而使混凝土的可泵性能大幅提升。

（2）掺加增稠剂的混凝土抗压强度均高于基准组混凝土抗压强度，增稠剂的加入使得混凝土石子裹浆能力提升，提高了混凝土匀质性，也提高了浆体与骨料之间的胶结强度，减少了某一区域水分大量聚集的情况，因此使得强度还略有提高。

（3）掺加增稠剂能够对中粗砂混凝土起到降收缩的作用。试验表明，掺高分子聚合物类增稠剂（VM-Ⅰ）的混凝土，在坍落度达到（200±20）mm时，相较于基准混凝土，塑性收缩和干燥收缩分别减少了15%和8%，掺纤维素醚类增稠剂（X-Ⅰ）的混凝土，在坍落度达到（220±20）mm时，相较于基准混凝土，塑性收缩和干燥收缩分别减少了25%和13%。