高强高性能机制砂混凝土配比与超高泵送试验研究

王泽平（陕西华旭混凝土工程有限公司，陕西 西安 710024）

高性能混凝土为提升抗压强度，制备过程中需降低水灰比，提升物料密度，而其管道黏着力随材料粘稠度增加呈指数级增长。在高层建筑超过200m 的泵送高度施工环境下，高强度混凝土由于泵送距离长、压力损失大等因素，易出现管道堵塞和工作性衰减等问题，严重阻碍混凝土浇筑施工。利用混凝土优化配比技术，开发适合于超高泵送施工环境的高强度混凝土材料，可有效解决泵送过程中的堵管道问题，减少泵送过程中的压力损失，提升泵送后混凝土的工作性能，降低高层建筑施工能耗与成本。

1 混凝土材料的制备和优化设计

1.1 混凝土材料的制备

本次试验样品的配备优化基于常规P·O 42.5普通硅酸盐水泥，作为试验原材料的水泥基础的物化特性均能满足GB 175-2022《通用硅酸水泥》标准要求[1]。试验前对市购常规C60 水泥的抗压特性进行了测定，其标准稠度为12.38%，3d抗压强度为31.24MPa，28d抗压强度为51.94MPa。原料采用5mm～20mm连续级配的大粒径骨料和5mm～10mm连续级配的小粒径骨料进行4:1混合。考虑到高层泵送压力，将小粒径骨料比例进行了一定提升，且输送管道直径应大于100mm。试验选定的掺合料类型包括微珠、粉煤灰、矿渣微粉，三者的含水量分别为0.2%，0.1%，0.3%。试验选择当地自来水作为泵送载体。为减少泵送耗水量，样品中添加了聚羧酸减水剂，液体状态下减水率可达到30%以上。为降低水化过程中放出的热量对混凝土的影响，降低混凝土的温度形变，混凝土样品中需加入一定量的聚丙烯纤维[2]。

试验采用一次投料法制备混凝土样品，每份样品均使用50L的拌合料，将以上组分按照常规投料顺序加入自动搅拌机中，搅拌过程中观察浆体状态，搅拌后倾倒并进行人工拌合，以保证样品组分均匀。

1.2 混凝土正交配比设计

正交配比设计过程中通过调整水胶比和砂率改变混凝土样品的抗压性能和泵送特性。样品掺合料中均含有500kg/m³水泥、900kg/m³碎石（含水率0.6%）和900kg/m³砂（含水率5%）、160kg/m³水（实际用水质量）以及7kg/m³聚羧酸减水剂、1kg/m³聚丙烯纤维[3]。试验选择三种矿物外掺材料（微珠、矿渣微粉、粉煤灰）为三因素，选择0、10kg/m³、20kg/m³的微珠添加量，0、30kg/m³、60kg/m³的矿渣微粉添加量，0kg/m³、40kg/m³、80kg/m³的粉煤灰添加量为三水平进行正交设计，设计方案如表1所示。

表1 混凝土正交配比表

2 不同配比混凝土高泵送性能评价

为验证不同配比混凝土的泵送特性，本次试验选择的评价指标包括样品倒筒时间与坍落度，以及样品的含气量和容重，采用国标测定法对不同配比方案的样品进行依次测定[4]，采用正交分析法进行数据处理，测试均采取三组平行试验，以下图表中的数据均为计算平均值。试验过程中环境温度控制为30℃，环境湿度为70%。

2.1 坍落度、拓展度和倒筒时间对比

坍落度测定选用标准坍落计时法则，在试验前将300mm 高、最大直径为450mm 的坍落筒与钢板面进行喷淋润湿，坍落筒倒放装满后，迅速提起，并进行同步计时，待混凝土完全坍落流出后，计算标准倒筒时间。填满压实后的坍落桶快速提起，等混凝土完全坍落后将坍落桶放置在坍落后的混凝土样的同一水平线上，用尺子测量坍落堆体与筒顶高度差并详细记录，此为混凝土样品的坍落；测量坍落后堆体的最大直径。坍落后的混凝土形状应呈现较为规则的锥状，若呈现不规则形状则应重新测量[5]。不同配比混凝土倒筒时间、坍落度和拓展度测定结果如图1所示。

图1 混凝土坍落与拓展度性能图

如图1 所示，在各配比方案中，坍落度最大的样品为方案9，其坍落度为246mm，拓展度为677mm，倒筒时间为2.4s，倒筒时间相较于完全无添加的方案7缩短了11.11%。试验结果表明，粉煤灰等活性矿物材料填充效果良好，添加后有效提升了水泥的可流动性，改良了混凝土的泵送特性。将坍落度数据进行正交化处理，得到的影响因子系数如表2所示。

表2 坍落度正交处理因子系数表

表3 立方体混凝土抗压强度/MPa

根据表1可得，三种添加料中对坍落度影响最大的是微珠的添加，其极差R值为17.67，根据K1、K2、K3的大小比值可知，微珠添加量为10kg/m³时样品的坍落度最大，同理可知矿渣微粉添加量为60kg/m³、粉煤灰添加量为40kg/m³时，样品的坍落度达到峰值。此方案并未存在正交设计方案当中，因此需要重新构建试验对样品特性进行实际测定，根据测试结果，优化后的方案记为方案10，制备的混凝土样品的坍落度为249mm，拓展度为680mm，倒筒速度为2.4s，与设计方案中的方案进行比较，采用的掺杂料含量降低但是坍落度却得到了一定提升，施工过程中节省原材料，提高泵送施工难度，有效降低了工程材料消耗量[6]。优化方案制备的混凝土黏聚性良好，无离析，整体无泌水，且能快速坍落，表现出了良好的混凝土特性[6]。

2.2 抗压强度

将各方案制备的九种样品制备两块100mm×100mm×100mm的混凝土式样，等到样品凝固风干后开始养护，采用GB/T 50081-2022《普通混凝土力学性能试验方法和标准》中标准方法测定混凝土构件的抗压强度[7]。

测定结果显示，在30d后混凝土抗压强度最好的构件是方案2，其抗压强度为91.4MPa，在第5d 时混凝土构件抗压强度为30d时的81.50%，在第10d时混凝土构件抗压强度为30d 时的90.80%，可见其混凝土强度增长较快。方案8 的30d 抗压强度为86.4MPa，略低于方案2，但其化学掺料添加量少，经济性强。以30d 时抗压强度为目标参数进行正交数据处理，所得的影响因子参数如表4所示。

表4 抗压强度正交处理因子系数表

根据R 值大小比较可得，三种添加料中微珠的添加是影响构件抗压强度的首要因素，根据K1、K2、K3的大小比值可知，微珠添加量为10kg/m³时样品的抗压能力最大，同理可知矿渣微粉添加量为30kg/m³、粉煤灰添加量为80kg/m³时，样品的抗压强度达到峰值，此方案记为方案11。方案11同样未存在正交设计方案当中，因此重新配置混凝土构件并再次进行抗压测试。试验结果表明，优化后的方案制备的混凝土的30d抗压能力为91.7MPa，优于正交设计中的方案2。优化后的方案中矿掺料的含量大大增加，有效提高了混凝土的强度等级，且混凝土在10d到30d时混凝土的抗压能力增长率趋于平缓，这可能是受到制备过程中混凝土水化反应产生的热量积累有关[8]。

2.3 碳化指标计算分析

将制备的立方混凝土件放置在烘箱中75℃烘干48h，而后放入标准碳化试验箱进行处理，碳化试验箱内温度为25℃，湿度为70%，含氧量与二氧化碳含量稳定，碳化处理30d，而后取出测量横截面的碳化深度。这种碳化方法可用于测定样品是否可适应酸雨环境，是评价混凝土构件稳定性和耐用度的重要方法。各方案构件测定的碳化深度值如表5所示。

表5 立方体混凝土碳化深度/mm

测定结果显示，在3d时混凝土构件裸露在空气中并未出现碳化现象，但随着放置时间延长，混凝土碳化逐步向件内延伸，30d时材料碳化深度基本稳定。其中，方案8碳化深度为0.291mm，其碳化深度为无添加的方案7碳化深度的60.50%。向其中添加微珠和粉煤灰有效提高了混凝土的密实程度，提高了混凝土的耐久性。以30d碳化深度为目标参数，正交法处理数据结果如表6所示。

表6 抗压强度正交处理因子系数表

根据R 值大小比较可得，三种添加料中微珠的添加是影响构件稳定性的首要因素，根据K1、K2、K3的大小比值可知，微珠添加量为10kg/m³，矿渣微粉添加量为0kg/m³、粉煤灰添加量为0kg/m³时，样品的抗碳化能力达到峰值。此方案同样未存在正交设计方案当中，因此重新配置混凝土构件并再次进行抗压测试。试验结果表明，优化后的方案制备的混凝土的30d碳化深度为0.423mm，与正交设计中的方案8 配料差距较大，此时正交法失效，放弃优化方案，记录方案8的测试数据。

3 最终配比方案比选

经过试验分析，方案8、方案10、方案11 在抗碳化持久度、坍落度和延展性以及抗压强度存在一定的优势，为得到综合性能最优的混凝土配比，对三个方案的其他方面进行了综合考察，其检测结果如图2所示。

图2 不同配比试验结果

综合考量后认为方案10各项基本性能均能满足高压送泵需求，其坍落度为249mm，拓展度680mm，倒筒时间为2.4s，其抗压强度为92.5MPa，30d的碳化深度为0.512mm。

4 结语

（1）本文针对高层建筑高压泵送混凝土过程中由于混凝土黏性高、压力损失大导致的管道堵塞问题，通过向其中投加高活性微珠、粉煤灰和矿渣微粉的形式对混凝土进行改性，并利用正交法进行试验设计，验证了不同配比方案混凝土的坍落度、拓展度、倒筒时间、抗压能力和稳定性。

（2）经过直观数据对比和正交数据处理法，证明微珠的投加量是影响各参数的首要因素，确立了最优性能配比方案为微珠添加量为10kg/m³、矿渣微粉添加量为60kg/m³、粉煤灰添加量为40kg/m³。此方案制备的高性能混凝土其坍落度为249mm，拓展度680mm，倒筒时间为2.4s，其抗压强度为92.5MPa，30d 的碳化深度为0.512mm，既满足高层建筑施工的混凝土性能要求，又满足更高建筑的泵送需要。