超高泵送机制砂自密实混凝土配制技术*

任强，袁政成，蒋正武，孙旭军，刘大阴，尹育万

（1. 同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，上海 201804；2. 中铁二局集团建筑公司，四川 成都 610031）

超高泵送机制砂自密实混凝土配制技术*

任强1，袁政成1，蒋正武1，孙旭军2，刘大阴2，尹育万2

（1. 同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，上海 201804；2. 中铁二局集团建筑公司，四川 成都 610031）

试验研究了胶凝材料组成与配合比参数对超高泵送高强机制砂自密实混凝土流变性能和力学性能的影响，通过配合比基本参数优化、矿物掺合料复掺、机制砂改性和外加剂优化等配制技术，配制出坍落度大于265mm、扩展度大于 650mm、倒坍落度筒流出时间在 5s 内、2h 坍落度零损失、抗压强度等级达到 C90～C100 的超高泵送高强机制砂自密实混凝土。

机制砂；自密实混凝土；配制技术

0 引言

近些年随着超高层建筑的增多，超高泵送混凝土技术因其施工效率高、质量好被广泛应用，并且超高泵送施工的建筑结构通常采用高强自密实混凝土。超高泵送高强自密实混凝土因其具有减轻结构自重、降低施工能耗、提高结构耐久性等优异性能，已被应用于国内工程项目[1-3]，取得了良好的效益。

砂作为混凝土主要原材料之一，受自然资源与运输的限制，是一种短期不可再生资源。我国不少地区的天然砂资源已经用尽，以河砂为主的天然砂已经无法满足工程建设的需求。另外，不规范采挖天然砂资源情况的出现，严重影响了生态环境[4]。因此采用机制砂替代河砂配制混凝土，是混凝土可持续发展的必然趋势[5]。

机制砂混凝土因机制砂石粉含量高、粒形不规整、表面粗糙等特性，性能与普通混凝土存在较大差异[6]，并且在泵送过程中容易发生堵管，可泵性较差，有待进行更深的研究[7]。目前对于机制砂混凝土的研究大多基于普通混凝土的研究与制备[8-10]，关于超高泵送高强机制砂自密实混凝土的研究较少[11]。

本文根据配合比设计优化理念，提出了配合比基本参数优化技术、矿物掺合料复掺技术、机制砂改性技术与外加剂改性技术，研究了超高泵送 C90～C100 机制砂自密实混凝土的工作性与力学性能。

1 试验部分

1.1 原材料

本文选用水泥为 P·O52.5 级贵州海螺盘江水泥，基本性能参数如表 1 所示。矿物掺合料选用贵州三和环保新材料有限公司生产的硅灰 SF、贵州名川粉煤灰有限公司生产的超细粉煤灰 UFA。混凝土外加剂选用贵州中兴南友生产的聚羧酸高性能减水剂（ZX），其中减水剂组分与保坍剂组分以 4∶3 比例复配成 20%固含量的外加剂（计算用水量忽略其中的水），保坍剂为聚醚类，缓凝剂选用葡萄糖酸钠；巴斯夫外加剂（BASF），其中 RHEOPLUS417 减水剂（固含量50%）∶RHEOPLUS 保坍剂（固含量 50%）=5∶1 复配成 20% 固含量的外加剂；试验还选用中兴南友消泡剂作为辅助外加剂，降低混凝土含气量。以上外加剂掺量均以胶凝材料质量计，并且为纯固掺量。

机制砂选用中国水利水电第九工程局有限公司生产的风选砂（MS1），二区连续级配；鼎鑫砂石厂通过普通的干法生产的机制砂—鼎鑫砂（MS2），一区连续级配；贵州双越磐石建材科技有限公司生产通过湿法生产加工的水洗砂（MS3），一区连续级配。三种机制砂主要性能参数见表 2。粗骨料选用辉绿岩，最大粒径 16mm，通过紧密堆积获得最佳粗骨料级配的不同粒径骨料质量比为 m4.75～9.5mm∶ m9.5～16mm=50∶50，堆积密度1.66g/cm3。

表 1 水泥基本性能参数

1.2 试验方案

试验通过水胶比、砂率、胶材用量等配合比参数对机制砂自密实混凝土性能的影响，优化设计混凝土配合比基本参数（试验配合比如表 3 所示），并结合矿物掺合料的优化与复掺技术（试验配合比如表 4 所示），制备满足超高泵送性能要求的 C90～C100 机制砂高性能混凝土。

表 2 机制砂性能参数

表 3 混凝土配合比基本参数优化技术配合比

表 4 混凝土性能优化技术配合比

1.3 试验方法

自密实混凝土拌合物的工作性能主要包括填充性、间隙通过性以及抗离析性能[12]。本试验结合国内外学者常用方法[13-15]，工作性测试按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行，主要采用坍落度、坍落扩展度和倒坍落度筒流出时间（DTISC）对拌合物性能进行评价，辅以容重和含气量的测定。

机制砂自密实混凝土（MS-SCC）试样制备为边长150mm 的立方体试件，拆模后放入温度 (20±3)℃，相对湿度≥95% 的标准养护室中养护。混凝土抗压强度测试按照 GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》规定的方法进行。

2 试验结果与分析

基于紧密堆积和高性能混凝土配合比设计方法，在前期大量试验的基础上，得到了超高泵送高强机制砂自密实混凝土基准配合比，在此基础上研究不同参数变化对混凝土性能的影响，确定最优配合比。机制砂自密实混凝土的基准配合比为 m胶凝材料∶m机制砂∶m石子∶m水∶m外加剂∶m缓凝剂∶m消泡剂=600∶910∶910∶150∶2.124∶0.3∶0.0048，其中胶凝材料除水泥外，掺有 10% 硅灰和 10% 超细粉煤灰。机制砂以风选砂为主，外加剂以中兴南友外加剂为主，只有在考虑种类因素对混凝土性能影响时，才使用其他类型。外加剂掺量保持 0.3% 不变。

表 5 不同水胶比对机制砂自密实混凝土性能的影响

2.1 混凝土配合比基本参数优化技术

2.1.1 水胶比

在基准混凝土配合比的条件下，研究不同水胶比对混凝土性能的影响，结果见表 5。

从表 5 可以看出：随着水胶比的增大，机制砂自密实混凝土拌合物初始坍落度和 2h 坍落度坍落度变化均不大，而初始和 2h 坍落扩展度呈先增大后减小趋势，初始和 2h 倒坍时间呈先减小后增大趋势，但工作性变化较小，工作性保持性均较好。随着水胶比增大，28d混凝土抗压强度先减小后趋于平稳，56d 抗压强度呈降低趋势，但变化较小。以上表明，在水胶比较低的条件下，降低水胶比虽然能提高混凝土强度，但后期强度提升效果不明显。并且水胶比的降低虽然对初始和 2h 坍落度和坍落扩展度的影响不大，但从倒坍落度筒时间来看，会导致拌合物粘度大幅度的增加。适宜的水胶比即可达到 C90 甚至 C100 的强度等级，超高泵送对拌合物工作性要求很高，不宜采用过低的水胶比。因此，综合工作性和强度来看，超高泵送 C90 机制砂自密实混凝土适宜的水胶比为 0.25，C100 机制砂自密实混凝土适宜的水胶比为 0.23。

2.1.2 砂率

本试验采用风选砂，其他参数同基准配合比，研究砂率变化对机制砂自密实混凝土性能的影响，结果见表6。

由表 6 数据及所观察到的试验现象可知：随着砂率逐渐增大，初始和 2h 坍落度基本无变化，而扩展度和倒坍时间变化明显。当砂率为 46% 和 54% 时，扩展度比 50% 砂率低，54% 砂率更为明显。这是因为当砂率过小时，拌合物砂浆量不足；而过大的砂率导致比表面积的增加，需水量随之增加，流动性降低，粘性增加。这点，从倒坍落度筒时间可以很好地看出。

从表 6 还可以看出，随着砂率的增加，各龄期抗压强度均呈先减小后增大的趋势。50% 砂率混凝土抗压强度比另外两组均低，但降低幅度较小。综合砂率对拌合物工作性及其抗压强度的影响，超高泵送高强机制砂自密实混凝土砂率不宜过低，若考虑以强度为主，可适当提高砂率，若以工作性为优，则砂率应适中，但不宜低于 50%。

2.1.3 胶材用量

本试验在基准配合比的条件下，硅灰和超细粉煤灰掺量均为 10% 不变，不同胶材用量对超高泵送超高强机制砂自密实混凝土性能的影响结果见表 7。

由表 7 可见，胶凝材料用量的变化对拌合物坍落度和扩展度影响均不大，而倒坍时间随着胶材用量的增加，呈现先减小后增加的趋势，570kg/m3胶材用量的倒坍落度筒时间最慢。并且随着胶材用量的增加，混凝土各龄期抗压强度基本呈现逐渐增加的趋势。

随着胶凝材料用量的增大，混凝土工作性变化较小，强度呈增大趋势，因此，胶凝材料用量可适当增大。

表 6 砂率对机制砂自密实混凝土性能的影响

表 7 胶材用量对机制砂自密实混凝土性能的影响

表 8 SF 和 UFA 复掺对机制砂自密实混凝土性能的影响

2.2 矿物掺合料复掺技术

选用基准配合比，研究了矿物掺合料（SF、UFA）复掺及其掺量对混凝土性能的影响，结果见表 8。从表8 可以看出，当硅灰掺量为 10% 时，随着超细粉煤灰掺量增加，坍落度无明显变化，坍落扩展度显著减小，倒坍时间轻微增大，各龄期强度基本呈减小的趋势。以上表明，超细粉煤灰对扩展度的影响较大，掺量不宜超过10%。当超细粉煤灰掺量为 10% 时，随着硅灰掺量的增加，坍落度无明显变化，扩展度呈先增加后减小的趋势，倒坍时间呈先减小后增加的趋势，56d 抗压强度逐渐增加。超细粉煤灰掺量一定时，过低或过高的硅灰掺量均会导致机制砂自密实混凝土拌合物填充性变差、粘度变高，适宜的硅灰掺量可以得到优异的工作性，硅灰掺量的增加可以明显提高混凝土后期强度。

因此，配制超高泵送 C90～C100 机制砂自密实混凝土宜选择 10% 硅灰和 10% 超细粉煤灰，硅灰掺量可适当增加以提高后期强度，超细粉煤灰掺量不宜超过10%。

2.3 机制砂改性技术

在基准混凝土配合比的条件下，研究机制砂石粉含量及类型对机制砂自密实混凝土性能的影响。通过筛分来调整各种类型机制砂的石粉含量。

2.3.1 机制砂石粉含量

机制砂石粉含量对超高泵送机制砂自密实混凝土性能的影响结果见表 9。

由表 9 及所观察到的试验现象可见，当石粉含量从6% 逐渐增大到 12% 时，混凝土坍落度和扩展度均先增大后降低，倒坍时间呈先减小后增大的趋势，可见石粉过高或过低均不利于混凝土的工作性，这是因为石粉含量降低时，浆体量减少；而石粉含量过大，又会吸附较多的自由水，使浆体干稠，流动性变差。对比不同石粉含量下的混凝土强度可以发现，9% 石粉含量的机制砂混凝土各龄期抗压强度均稍低于其它两组，因此综合考虑石粉含量宜取 9% 左右。

2.3.2 机制砂类型

本试验中，鼎鑫砂和水洗砂石粉含量均控制为风选砂的石粉含量（9%），其他参数同基准配合比。研究机制砂类型对超高泵送 C90 机制砂自密实混凝土性能的影响，结果见表 10。

从表 10 可以看出，与风选砂混凝土相比，鼎鑫砂拌合物和水洗砂拌合物坍落度和扩展度均较小，倒坍时间显著增加，且工作性损失较快。对比三种类型机制砂制备的机制砂混凝土强度发展规律可以发现，鼎鑫砂与水洗砂混凝土不同龄期强度基本相同，发展规律相似，而风选砂混凝土前期强度较低，28d 强度高于鼎鑫砂和水洗砂混凝土，56d 强度则三者差不多。因此，超高泵送 C90～C100 机制砂自密实混凝土宜选用风选砂。

表 9 石粉含量对机制砂自密实混凝土性能的影响

表 10 机制砂类型对机制砂自密实混凝土性能的影响

表 11 消泡剂掺量对机制砂自密实混凝土流变性的影响

2.4 外加剂优化技术

针对使用硅灰易带来的混凝土含气量较高的问题，研究不同消泡剂掺量对超高泵送机制砂自密实混凝土拌合物流变性的影响。消泡剂掺量以胶凝材料质量计。超细粉煤灰掺量 15%，缓凝剂掺量 0.07%，胶材重量560kg/m3，其他参数和基准配合比一样，结果见表 11。

由表 11 及所观察到的试验现象可见，消泡剂有明显降低混凝土含气量的效果。随着消泡剂掺量的增加，坍落度和扩展度均比较好，倒坍时间基本呈逐渐增加的趋势，拌合物容重逐渐增加。以上表明，含气量过高容易离析，含气量过低会使混凝土粘度增大，因此应选择合适消泡剂掺量，本试验中消泡剂最佳掺量为胶材质量的 0.00072%。

3 结论

（1）机制砂类型与石粉含量对超高泵送机制砂混凝土的工作性和强度具有显著影响，通过机制砂参数的优化，可制备出满足性能需求的超高泵送 C90～C100机制砂自密实混凝土。

（2）在水胶比较低条件下，水胶比对机制砂混凝土流动性和粘聚性的影响更显著，胶材用量对拌合物粘聚性影响很大。机制砂自密实混凝土配合比中，砂率不宜过低。

（3）复掺硅灰和超细粉煤灰矿物掺合料可以有效改善混凝土流动性、粘聚性和力学性能。若考虑更高强度，硅灰掺量可适当增加，但超细粉煤灰掺量不宜过大。

（4）机制砂石粉含量需在一个适宜的范围，过低或过高均会增加拌合物粘聚性，风选砂更宜用来配制自密实混凝土。消泡剂掺量对混凝土含气量影响很大，但考虑到拌合物离析和过粘问题，应选择合适的消泡剂掺量。

（5）通过配合比基本参数优化技术、矿物掺合料复掺技术、机制砂改性技术和外加剂优化技术等，可配制出坍落度大于 265mm、坍落扩展度大于 650mm、倒坍落度筒时间在 5s 内、2h 坍落度零损失、抗压强度等级达 C90～C100 的超高泵送高强机制砂自密实混凝土。

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国家自然科学基金资助项目（51678442，51478348，51508404）；国家高铁联合基金项目（U1534207）；上海市科委重点项目（15DZ1205003）；中央高校基本科研业务费专项资金资助。

任强，同济大学材料科学与工程学院博士研究生，主要从事机制砂高性能混凝土相关研究。

［通讯地址］上海市曹安公路 4800 号 同济大学德才馆 224 室（201804）