泵送混凝土原材料组成对其性能影响的研究进展

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泵送混凝土原材料组成对其性能影响的研究进展

李悦，梅期威，于鹏超

（北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，工程抗震与结构诊治北京市重点实验室，北京100124）

关键词：泵送混凝土；工作性能；力学性能；收缩开裂；耐久性能

0 引言

目前泵送混凝土的用量不断增加，在满足混凝土设计规定的强度等级的同时，对混凝土的流动性和可泵性等工作性能提出了较高的要求，即混凝土拌合物必须能够充满泵管并且有很好的流动性，同时必须有足够的粘聚性，保证混凝土在泵送过程中不离析不泌水[1]。但是，当混凝土拌合物粘度较高时，在实际的施工工程中，不易于泵送和浇筑，此外会降低混凝土自身的密实性，因此，在混凝土保持高强度性能的同时，具有较好的流动性和较低的粘度比较困难[2]。另外，由于高胶凝材料用量和低水胶比的混凝土应用日益广泛，混凝土收缩开裂问题也不断增加，严重的影响了混凝土建筑的安全性能和使用寿命。同时作为衡量高性能混凝土的一个重要指标，混凝土应具有良好的耐久性，比如混凝土抗氯离子等各种有害物质渗透的能力、抗冻融破坏的能力、抗钢筋锈蚀的能力，这对于混凝土结构的安全和使用寿命也非常重要。目前，国内外越来越多的学者通过试验方法来研究不同种类、掺量的原材料对泵送混凝土性能的影响。

1 工作性能

水胶比对泵送混凝土的坍落度及粘度影响显著，水胶比的变化，导致了用水量的变化，也改变了混凝土浆体中自由水含量，从而影响了混凝土拌合物的工作性。有研究表明，随着水胶比增大，用水量增加，混凝土坍落度、扩展度增加，倒坍落度时间减小，粘度降低，混凝土倒坍落度时间与其塑性粘度两者之间有很好的线性关系[3, 4]。

砂率对混凝土的工作性能有一定的影响，随着砂率的增大，混凝土的坍落度、扩展度呈先增大后减小的变化趋势，当砂率达到45%左右时，其坍落度、扩展度达到最大，混凝土中浆体含量最好，和易性最佳[4]。机制砂中的石粉可以增加混凝土浆体的质量，从而影响其流动性，但当石粉超过一定含量时，水粉比降低，混凝土集料的比表面积增大，限制了浆体流动，降低了混凝土的流动性。有研究发现，对于机制砂混凝土而言，随着石粉含量的增加，混凝土的坍落度表现出新增后减的趋势，在石粉含量为7%~10%时坍落度达到最大，混凝土的工作性能最好[4-6]。

矿物掺合料对混凝土的工作性能也有一定的影响。粉煤灰作为混凝土掺合料时，本身的水化活性较低，需水量小，微观结构显示粉煤灰呈圆珠体，具有的“玻璃微珠效应”能够改善混凝土拌合物的流动性。有研究发现，在水胶比一定的情况下，掺入粉煤灰可提高泵送混凝土拌合物的流动性，降低其坍落度损失，使混凝土获得较好的保水性和粘聚性，且粉煤灰掺量在40%时，泵送混凝土的坍落度损失最小，和易性最好[7]。此外，硅灰通过产生火山灰效应、填充颗粒之间的空隙，促进混凝土水化进程来影响泵送混凝土的工作性能，当掺量在3%~5%时，对混凝土工作指标改善显著[8]。同时，通过双掺矿粉与粉煤灰来配制超高层泵送混凝土，降低了混凝土的水化热和经时损伤，提高了混凝土的坍落度和泵送性能[9, 10]。

可泵性是泵送混凝土的主要工作性能，是指在压力作用下混凝土在管道内的综合的流动性能，文献[11]对混凝土的可泵性进行了分析，主要包括混凝土的稳定性和流动阻力，它是饱和混凝土在特定情况下的工作性能，研究结果表明，饱和混凝土以及非间断颗粒级配的混凝土有利于混凝土的泵送。

2 力学性能

泵送混凝土的力学性能，主要包括混凝土的抗压强度、静力受压弹性模量和劈裂抗拉强度等性能。而砂率、砂中石粉、矿物掺合料、约束方式以及泵送剂的变化都会影响混凝土的这些力学性能，对此有许多学者进行了研究。

砂率对混凝土的强度有一定的影响，砂率的增大，分散了砂与水泥浆体的界面过渡区，提高了混凝土的强度，但当砂率过大时，集料的比表面积也过大，混凝土浆体不能包裹完全，导致混凝土强度减小，有研究发现，随着机制砂砂率的增大，混凝土的7d和28d抗压强度呈先增加后降低的变化趋势，当砂率在45%左右时，混凝土的抗压强度达到最大[4, 5, 12]。机制砂中的石粉可以发生微集料作用，填充空隙，提高混凝土的密实性，同时可以促进水泥的水化进程，抑制钙矾石转化为单硫型，从而提高混凝土的早期抗压强度，改善混凝土的力学性能。有研究表明，随着石粉含量的增加，混凝土的抗压强度表现出先增后减的趋势，在含量为7%~10%时达到最大[4, 5]。

将硅灰、矿渣、粉煤灰等矿物掺合料掺入混凝土中，对混凝土力学性能的改善有一定的影响。单掺硅灰或矿渣，可以有效提高混凝土的保水性、粘聚性，进而提高混凝土强度，但会减弱其流动性能，有学者建立了混凝土抗压强度和龄期的模型公式，结果表明，当硅灰的掺量范围在3%~5%之间时，可有效促进混凝土的水化和增加体系的密实度，有利于提高混凝土强度[8, 13, 14]。单掺粉煤灰，可显著提高泵送混凝土的后期（60d、90d）抗压强度，最大提高率可达39%，但对混凝土的早期抗压强度不利，会降低混凝土的早期强度，这主要是由于粉煤灰发生的火山灰效应在常温下很缓慢从而影响了混凝土早期强度的发展。有些研究发现，当粉煤灰掺量范围在40%以内时，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的后期抗压强度迅速发展，但当粉煤灰掺量超过40%时，泵送混凝土的后期抗压强度反而降低。与相同强度等级的基准混凝土相比，掺入25%～35%粉煤灰的高性能混凝土，拉压比有所提高，劈裂抗拉强度有所改善，28d的抗剪强度和应力-应变曲线比较接近，且当粉煤灰掺量为25%时，混凝土的弹性模量和钢筋握裹力均最大[7, 13, 15]。

由于火山灰和微集料等复合效应的发生，当双掺或三掺矿物掺合料时，混凝土的力学性能较单掺有很大的提高，有研究表明，双掺粉煤灰和矿渣，提高了泵送混凝土的流动性，补偿了由高掺量粉煤灰引起的低强度，也极大地减少了混凝土的最高温升和放热速率，推迟了最高温升发生的时间，同时将20%~40%总掺量的矿粉与粉煤灰以1.5:1比例复合掺加到高性能混凝土中，混凝土的7d抗压强度最大提高14.7%，28d抗压强度最大提高19.2%，混凝土的劈拉强度和弹性模量很高，由于复掺的叠加效应，其效果明显优于单掺矿粉或粉煤灰[13, 16-18]。

不同的约束方式对泵送高性能混凝土的力学性能有一定的影响，相比于无约束的高性能混凝土，有箍筋约束的泵送高性能混凝土的强度提高了20%以上，峰值应变增大了30%以上，其应力应变曲线的下降段更平缓，延性更好，但对弹性模量的改善影响不大[19]。

此外泵送剂的掺入可以使混凝土的早期抗拉强度和弹性模量增大，研究发现，在泵送剂掺量为0.8%时混凝土的早期强度和弹性模量达到最大，当掺入水和水泥的用量分别为230 kg/ m3和418 kg/ m3时，其抗拉强度达到最大，为2.2MPa左右[20]。

3 收缩与开裂性能

混凝土收缩是指混凝土硬化过程中发生的体积缩小现象，一般主要分为塑性收缩、自收缩、碳化收缩、干燥收缩和温度收缩，较大的收缩会引起混凝土的开裂，而不同的原材料种类和掺量对其有不同的影响规律。

在保证泵送混凝土早期力学性能的前提下，泵送混凝土用水量在230kg/m3左右时，其开裂的可能性最小；单方混凝土的最佳水泥掺量为418kg/m3左右；掺入适量的泵送剂可以减小泵送混凝土的早期收缩开裂的可能性，在泵送剂掺量为0.8%时，效果最佳[20]。

不同的矿物掺合料的种类、掺量和细度，会对混凝土的收缩开裂产生不同的影响。粉煤灰具有“滚珠”增塑减水效应、火山灰效应和微集料填充效应，可以改变混凝土的内部结构，影响混凝土的水化硬化进程，从而改善其性能，将粉煤灰掺入到混凝土中，可显著降低高强泵送混凝土的收缩开裂，明显延缓其开裂时间，减小最大裂缝宽度，已有研究 道，当粉煤灰掺量在0%~40％之间时，随着粉煤灰含量的增加，混凝土的开裂减小，开裂出现的时间延缓，但当掺量超过60%时，混凝土的开裂又开始增大，随着粉煤灰细度的增大，有利于减小混凝土的早期收缩和塑性开裂[21]。此外有研究发现，将掺量为25%的超细粉煤灰掺入到混凝土时，混凝土的徐变性良好，并且其360d龄期徐变度在蒸养条件下比在标养条件下降低了22%[15]。将矿渣掺入到混凝土中，由于矿渣的减水增塑作用和物理填充作用，不仅使混凝土的塑性粘度降低，流动性增大，而且减小了混凝土的收缩，抑制了混凝土的开裂。当矿渣掺量在0%~20％范围时，随着矿渣掺量的增加，混凝土的早期收缩和塑性开裂逐渐减小，并且细度越大这种减缩效果越明显，当掺量超过此范围时，混凝土的开裂增大[21]。硅粉的水化活性较高，将其掺入到混凝土中，混凝土的水化反应和凝结硬化速度加快，抗拉强度和早期收缩开裂增大，混凝土环的开裂时间提前，最大裂缝宽度增大。随着硅粉掺量的增加，混凝土的开裂程度表现出先增后减的趋势，混凝土的10h收缩增加，72h收缩降低，当其掺量在6.5％~8％范围内时，混凝土的开裂程度最严重[21-23]。

混凝土内养护材料可发挥内养护作用，将其掺入混凝土中，提高了混凝土的硬化内部湿度，延缓了混凝土的自干燥，减小了混凝土自收缩，将饱水陶粒和超强吸水树脂替代部分粗骨料掺入到混凝土中，能有效地降低混凝土的早期收缩，随着陶粒掺量的不断增加，混凝土的早期收缩呈现先减后增的变化趋势，当其体积替代量为 41%时，混凝土的收缩最小，随着超强吸水树脂掺量的增加，混凝土的减缩效果越明显，当掺入胶凝材料量的0.03%时，72h收缩值可降低46.2%，改善效果较好[22]。

有学者采用了无覆盖、自然覆盖、室内和室外覆盖四种方式进行混凝土养护，研究了混凝土的不同养护方式对混凝土收缩开裂性能的影响，结果表明，采用室内覆盖养护措施的混凝土裂缝数目最少，抗裂效果最佳，其次是自然覆盖养护和无覆盖养护，对混凝土进行及时的覆盖养护，能有效减少其早期裂缝的产生[24]。

掺入外加剂会显著影响混凝土的收缩开裂性能。膨胀剂掺入到泵送混凝土中，可发生化学反应生成膨胀性产物补偿收缩。有些研究发现，掺入适量的UEA-H膨胀剂可以显著降低混凝土的收缩开裂，且在掺入8.0%时，效果较好[23]，但使用膨胀剂一定要重视膨胀剂组成与环境温度和湿度的相关性，否则容易引起负面作用。减缩剂可显著降低毛细孔中水的表面张力和改善混凝土的孔结构，从而减小混凝土的收缩与开裂，将减缩剂掺入到混凝土中，可提高混凝土的和易性和抗压强度，同时显著减小泵送混凝土的收缩，提高其抗裂性，当减缩剂掺量为1.5%时，泵送混凝土的28d收缩率可以降低40%以上[23, 25]。

纤维的种类也对混凝土的收缩开裂性能有一定影响。钢纤维的掺入，使混凝土具有良好的吸湿性和附着力，由于纤维在离机1小时内均匀分布，加上其高弹性模量和较好的粘接性能，可使混凝土的塑性收缩开裂得到抑制，掺入少量的PP网状纤维也可降低混凝土的收缩开裂趋势，有研究发现，钢纤维体积分数为0.8%，早期无收缩干燥收缩率可降低约50%，同时可显著提高钢筋的粘结应力和抗拉强度[23, 26]。

4 耐久性能

由于颗粒级配的不同，砂的类型会影响混凝土的耐久性，文献[27]使用了三种不同的砂：天然砂、机制砂和混合砂来配制混凝土，结果发现：用机制砂、混合砂配制的混凝土的抗渗性、抗冻性比天然砂混凝土的好。同时由于机制砂中的石粉会强化混凝土的界面粘结，对混凝土的密实性有影响，所以其含量的变化也会影响混凝土的耐久性。对于机制砂混凝土，随着石粉含量的增加，其抗渗性表现出先增加后减小的趋势，在石粉含量为7%时抗渗性最好；不同石粉含量的机制砂可明显影响混凝土的抗压强度，但对混凝土的抗冻性和徐变性影响较小，同时考虑到工程现场泵送工艺的要求，采用混合砂或7%掺量石粉的机制砂效果较好[27]。

掺入粉煤灰可以提高混凝土的抗渗性、抗冻性、耐磨性和护筋性，有利于泵送混凝土的抗碳化性能，已有研究 道，其碳化深度与粉煤灰掺量成线性相关，且当水胶比值小于0.35,粉煤灰掺量范围在30%以内时,混凝土都有良好的抗冻及抗碳化性能，超细粉煤灰的最佳掺量为25%~30%，同时适当掺入微珠粉煤灰，能增强C100泵送混凝土的抗氯离子渗透能力和抗冻性，混凝土的质量损失减少，其耐久性能得到改善[28-30]。此外，粉煤灰中未燃尽的碳含量，会消耗大量的引气剂，由于引气剂是提高泵送混凝土抗冻融能力的关键因素，所以掺入粉煤灰会影响混凝土的抗冻融性能，此时需加入专用的引气剂配合使用，同时需控制泵送后的混凝土含气量在5%以上，可保证粉煤灰泵送混凝土对严寒腐蚀环境的高抗冻性[31]。

矿渣的活性比粉煤灰高，将其掺入到混凝土中，可改善其绝热温升和减小胶凝材料的水化热，提高混凝土的密实度和抗渗性、抗海水腐蚀能力[32]。

钢渣粉作为炼钢时产生的固态废弃物，其活性很低，将钢渣粉掺入到泵送混凝土中，随着掺量的增加，混凝土的抗碳化性、抗氯离子和抗气体渗透性均表现出先提高后降低的趋势，当掺量在10% ~20%之间时，可提高混凝土的耐久性，对其耐久性影响最小，超过20%时，会产生不利影响[33]。

外加剂的种类对混凝土的耐久性也会产生一定的影响，相比于传统的萘系减水剂，掺入新型聚羧酸系减水剂，由于其有利于提高混凝土的密实性、改善混凝土的内部孔结构及孔分布，可使混凝土的抗冻、抗碳化、抗氯离子渗透等耐久性能显著提高，对外部环境的抵抗力显著增强[34]。由于能发生化学反应，膨胀剂可形成膨胀性产物填充混凝土的空隙，从而提高混凝土的密实性和减小混凝土的自身收缩。有学者研究了普通高效减水剂、聚羧酸系高性能减水剂及其与膨胀剂复合三种情形对高性能混凝土耐久性能的影响，结果表明，单掺普通减水剂时，混凝土的抗氯离子性能最弱，收缩率最大，而采用聚羧酸系减水剂与膨胀剂复合外加剂掺入时，混凝土的早期塑性收缩最小，耐久性最佳[35]。

5 结论与展望

有关泵送混凝土的原材料，比如水泥、骨料、矿物掺合料、外加剂等掺量和种类对混凝土工作性能、力学性能、收缩开裂性能以及耐久性能的试验研究相对较多，但有关混凝土原材料组成对混凝土泵送机理、流变性能变化及可泵性能快速评价方法等还相对缺乏，建议今后重点研究：不同材料组成的混凝土流变参数与泵送性能的关系，建立泵送性能快速评价方法；研究多场耦合作用下收缩开裂机制，解决高强、超长、大体积泵送混凝土开裂难题；开发替代资源在高抗裂泵送混凝土中的应用关键技术，解决泵送混凝土面临的优质资源匮乏的难题；开发泵送、力学与抗裂性协同提升的超高层泵送混凝土设计、制备与施工成套技术，为我国建筑行业技术输出提供技术保障。

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