超高泵送混凝土流变学研究进展

史晓婉

1. 上海建工集团股份有限公司 上海 200080；2. 上海高大结构高性能混凝土工程技术研究中心 上海 201114

伴随着我国城市化进程的加速，城市土地资源越来越稀缺，超高层建筑建造已经成为我国一线城市发展的必然趋势。高性能混凝土由于其高强、高耐久性、高工作性以及高体积稳定性等优点，为超高层建筑向高度不断增加、结构形式日趋复杂等方向发展提供了可能，泵送高度记录一直不断被打破，从上海金茂大厦382.5 m、上海环球金融中心492 m、阿联酋迪拜大厦601 m，一直到上海中心大厦620 m，泵送难度也成倍增大，随之必定会带来堵管、爆管等问题，这也将直接影响到工期，对于较大的工程而言，连带的负面影响不容小觑。因此，需要研究混凝土的泵送性能，这就需要研究混凝土的流变性能和其他性能之间的关系。

目前，国内外对于混凝土的流变性能开展了研究，并取得了一些成果。

1 混凝土流变性能与泵送

新拌混凝土的流变性能主要表现为骨料与其包裹的浆液相互影响的变形和流动的行为，其研究主要包括其流变性能、触变性、屈服强度和塑性黏度以及流变性能随时间的变化过程。混凝土的流变学参数主要包括黏度系数、剪切应力、屈服应力、剪切速率等，这些参数可以定量预测混凝土的泵送性能，因此，可通过研究高性能混凝土的流变性能，进而对混凝土泵送性能进行评价。

2 混凝土流变性能影响因素

影响泵送混凝土流变性能的主要因素有水胶比、水泥、骨料、掺合料和外加剂等。

2.1 水胶比与外加剂

同条件下水胶比越低，混凝土越密实，但过低会造成混凝土黏度过大，流动性差，泵送难度大，容易堵管；而水胶比过大则会造成混凝土保水性和黏聚性差，容易离析、压力泌水，泵送过程中因拌和物不均匀而造成堵管。外加剂可以协调泵送混凝土流动性和抗离析性之间的矛盾，降低水的用量，改善混凝土的和易性并增大其流动性，同时满足早期强度高、收缩低和耐久性的要求。

吴德龙等[1]给出高性能外加剂关键组分，包括减水和黏度调节2个方面，前者在保证混凝土长时间的扩展度的前提下而不损失凝结时间和不影响强度发展，后者则保证混凝土不离析、不泌水且不影响混凝土的流动性（低屈服值）。同时，通过选型试验配制出满足要求的超高泵送混凝土。

2.2 水泥

水泥用量过多会导致混凝土黏度过大，增加泵送阻力，过少则会导致离析，发生骨料聚集，并在管路中堵塞造成爆管。

混凝土泵送是分散在水泥浆中的水泥通过水泥浆液带动骨料一起向前移动的过程，整体的混凝土的滑移阻力受浆体在拌和物中的充盈度的影响。水泥浆填充骨料间隙并在骨料表面形成浆体层将其包裹，浆体层的比例越高，骨料的含量相对降低，混凝土流动性就越大，且浆体在泵送管道的边缘形成的薄浆边缘层起到了润滑层的作用，降低了泵送阻力。

吴德龙等[2]提出泵送混凝土最小水泥用量，与泵管直径、泵送距离以及骨料级配有关，掺合料不能完全取代水泥，规定不同泵送高度最小水泥用量很有必要。根据工程实践，对常用的φ125 mm输送管提出了不同水平换算距离对应的最小水泥用量（表1）。

表1 φ125 mm输送管泵送混凝土最小水泥用量

2.3 骨料

骨料级配是影响混凝土性能的关键因素之一，骨料的颗粒形状、表面状态、吸水率都是影响可泵性的因素。而良好的骨料级配可改善混凝土的流变性能，提升其可泵性。ACI（美国混凝土协会）推荐了适合泵送混凝土的细骨料级配范围，并建议将粗、细骨料统一绘制骨料的级配曲线以优选骨料级配。

Choi等[3]研究了骨料粒径对混凝土泵送行为的影响，得出最大骨料粒径对混凝土润滑层厚度的影响较小，而对混凝土和润滑层的流变性有较大影响，进而直接影响泵送的结论，如：当骨料最大粒径为25 mm时所需的泵送压力为10 mm粒径的2倍。

Ngo等[4]研究表明细砂含量影响混凝土润滑层的性能，含量越高，其黏度系数越高。

Erdogan等[5]在混凝土中掺入不同大小、形状及粗糙度的玻璃珠，研究其对混凝土流变性的影响，表明骨料形状对混凝土的黏度影响较大，对屈服应力影响较小；骨料表面粗糙程度对混凝土流变性影响较小。

2.4 掺合料

泵送混凝土掺合料主要是指一些胶凝材料和低于0.3 mm的细粉（如粉煤灰、超细矿粉、硅灰等）。这些掺合料多为活性混合材料，部分取代水泥后不仅可提高混凝土强度，降低水化热，减少开裂，一些球形玻璃体结构还可以改善混凝土的流动性，如磨细高炉矿渣；硅灰和沸石粉的高强吸水性可以提高混凝土的黏聚性，减少离析和泌水，提高混凝土的泵送性能，减少泵送损失。

周帅等[6]研究了硅灰对新拌混凝土流变性的影响，利用流变仪检测其性能指标，指出泵送混凝土的硅灰掺量应控制在5%～10%，可以提高混凝土的抗压强度、耐久性，作为触变剂使用，避免黏度过低而造成紊流、堵泵现象。

陈全滨等[7]研究了超细粉（超细矿粉、超细粉煤灰及硅灰）对超高泵送混凝土性能的影响，超细粉可以降低混凝土的孔隙率，增加其保水性并降低压力泌水率。其中，超细矿粉及硅灰降低了混凝土的扩展度和倒坍时间，而超细粉煤灰可增大混凝土的扩展度并减少倒坍时间，提高其泵送性能。

3 流变性能试验研究

混凝土流变学测试方法一般有坍落度法、微坍落度法、漏斗法、L形箱试验法等。这些传统的实验方法尽管方便实用，但测试结果是某一时间点的固定值，不能够反映混凝土流动过程中的实时数据，不够敏锐准确，且人为操作误差较大，尤其对于超高泵送的高流态混凝土或自密实混凝土来说，传统的指标，如坍落度已不能准确表征其工作性。

随着聚羧酸系等高性能减水剂的应用以及胶凝材料体系的复杂化，超高泵送混凝土拌和物的组成和性能特征与以坍落度为性能表征的早期混凝土拌和物相比发生了很大的变化，且随着流变学研究的深入，国内外学者开始利用流变参数（屈服应力、塑性黏度等）更好地定量描述混凝土工作性，认为这些参数的物理意义明确，能够更好地为工程提供指导，为此，开发了各种类型的混凝土流变仪和黏度计，如法国BTRHEOM流变仪[8]和ConTec Viscometer 5流变仪[9]。

河海大学的田正宏等[10]研制了在线混凝土流变测试仪，运用十字搅拌轴剪切仪测定新拌混凝土的流变参数，量化分析混凝土的触变性能，并验证了其准确性，可满足施工现场连续测定的要求。

4 可泵性控制研究

目前工程当中对超高泵送混凝土可泵性的控制主要有经验控制、性能指标控制及模拟泵送试验等。

4.1 经验控制

相当长一段时间，混凝土的可泵性主要参照行业标准JGJ/T 1—2011《混凝土泵送施工技术规程》，并考察实际泵送过程，参照传统试验和以往的泵送经验来进行指导施工。而这些经验大多是之前积累的，随着高流态混凝土的快速发展，经验指导已经不能完全适用于现在的超高层泵送施工。

郑捷[11]应用工程流体润滑理论，通过剩余浆体的设计来调控混凝土与输送管之间的润滑层厚度，提出了剩余浆体量计算公式，以减小泵送混凝土的管道阻力。

4.2 性能指标控制

马保国等[12]根据混凝土强度等级对新拌混凝土的可泵性进行分类评价，对于中低强度等级的泵送混凝土，其可泵性区间根据泵送高度、实测坍落度及压力泌水值等来综合确定；对于高强泵送混凝土，根据倒坍落度筒的流下时间和扩展度指标，提出了大致的可泵性区间。

逄鲁峰等[13]采用以坍落度为基础，控制扩展度和流下时间的方法来评价拌和物的可泵性。

4.3 泵送试验

随着混凝土泵送距离及泵送高度的增加，泵送难度也在不断增大，经验性的指标不能够精确地指导工程。而鉴于现阶段尚缺乏科学准确、简单易行的方法来评价混凝土拌和物的可泵性，在一些重大或有一定技术难度的工程的混凝土泵送施工中，采用了模拟泵送管线的方式对混凝土的可泵性进行验证，即盘管试验。迪拜哈利法塔（Burj Khalifa）工程施工前，为了测试混凝土泵送性能，专门安装了600 m水平泵送管线和设备[14]。国内一些工程也开始开展泵送盘管试验，但此类大型泵送试验耗时、耗材，基本上是针对重大工程开展，占地大、成本高，无法作为常规试验。

5 数值模拟研究

混凝土的泵送过程是一个极其复杂的过程，不管是经验控制、性能指标控制还是地面模拟泵送试验，都是基于传统的混凝土工作性评价方法（如坍落度、扩展度等）。而随着精细化的质量管控要求的提高、计算流体力学和计算机技术的飞速发展，除了通过经验控制以及泵送试验来进行泵送施工控制之外，还可采取计算机仿真模拟，建立流变性与泵送性之间的关系，节约材料与人力，降低试验工作量，已成为趋势。

5.1 模型的分类

数值模拟主要借助于计算机对问题进行分析，考察不同模型参数对试验结果和实际工程的影响，从而更好地指导实践。新拌混凝土在流动过程中各种材料之间的互相作用非常复杂，细观上，将其视为由粗骨料、细骨料和浆体构成的固液多相材料并考虑骨料之间互相作用，即离散颗粒模型；中维度上，可将其视为粗骨料悬浮于砂浆中进行考虑，利用悬浮液体模拟法进行仿真分析，即悬浮颗粒两相模型；宏观上，也可以将其视为均一的单相流体，采用计算流体力学的方法进行仿真分析，即连续流体模型。

5.2 数值分析方法

5.2.1 离散元法

主要侧重于将混凝土离散为颗粒单元，模拟颗粒之间的相互作用及结果分析，常用DEM（离散单元法）方法模拟混凝土的流动性测试试验，如坍落度试验、U形箱试验、V形漏斗试验、L形箱试验等，选择合适的接触模型，模拟其流变行为[15-16]。这些模拟可以得到混凝土骨料颗粒之间的细观碰撞摩擦过程，可更直观地研究颗粒流的聚集、堵塞等情况。

陈松贵[17]建立了耦合的格子Boltzmann-颗粒离散元方法（简称LBM-DEM），并将其应用于自密实混凝土在多孔介质中的流动研究。但DEM方法最大的弊端是没有赋予颗粒之间作用力等实际的物理概念，且用于计算较大数量颗粒的实际情况比较困难（计算量大且边界条件更为复杂），很难直接表征混凝土的流动行为。

宋军华[18]基于PFC2D模型，引入滚动摩擦机制与液桥模型，建立了混凝土离散元接触模型，并通过参数调整，模拟了新拌混凝土在管道中的流动特性以及与泵送管道的相互作用规律。

5.2.2 有限元法

将混凝土视为均匀的单相流体（非牛顿流体），即运用计算流体力学（CFD）方法。其中较为常见的有Bingham模型[19-20]、Herschell-Bulkley模型以及改进后的Bingham模型等，主要的参数为屈服强度和剪切应力。

李靖祺等[21]借助CFD软件，将自密实混凝土分别视为Bingham流体和Herschel-Bulkley流体对L形箱试验进行仿真分析，得出Herschel-Bulkley 模型用于模拟自密实混凝土的流动比Bingham模型仿真结果准确度更高。

李悦等[22]等运用Fluent软件并采用了Herschel-Bulkley模型，分别建立了泵送混凝土单相流和多相流数值模型，得到了其在泵管中的流速、压力分布以及压力损失的变化规律。Kurokawa等[23]采用黏塑性有限单元法（VFEM）和黏塑性分离有限单元法（VEDM）对混凝土流动性测试方法进行了数值模拟，结果表明，这2种方法均可适用于多种流动性测试方法的仿真分析，但VEDM法应用更灵活，可用于考虑混凝土离析、受钢筋位置和截面形状的影响等复杂特性的仿真模拟。

5.2.3 悬浮元法

悬浮元法，即将混凝土分解为固相的粗骨料和包裹粗骨料的液相水泥砂浆，考虑颗粒离散相的影响，采用基于结合欧拉法与拉格朗日法的计算流体力学，采用欧拉法求解流体相的Navier-Stokes方程，采用拉格朗日法追踪离散相在流场中的运动轨迹。近来有学者提出了一种基于颗粒有限元法（Particle Finite Element Method）的拉格朗日有限元法[24]，主要用于解决非牛顿流体的流动问题，其计算的关键是将2种相进行耦合。

这种方法结合了前2种方法的优点，但同时也暴露了其缺点，即计算量的增加，边界条件处理困难，因此不及前2种方法普遍，应用也不够成熟。

6 展望

土地资源的稀缺促使建筑结构高度的增加，混凝土超高泵送技术的发展趋势不会减弱。而实现泵送过程更加科学与快速地预测及评估，已无法单从经验或之前的研究成果中获取，需要对混凝土的流变学开展更为深入的研究。开发更加先进的试验检测仪器，定量准确地表征泵送混凝土的物理量；建立基于流变学原理的超高泵送模型，考虑流固耦合，建立多相流模型，寻找更为准确表征新拌混凝土的数值模拟方法，使流变学工具能够切实地应用于工程实际；开展泵送后混凝土的性能研究，关注泵送对混凝土长远的影响。这些对于超高层建造的意义深远。

[1] 吴德龙,陈建大,杨正宏,等.超高泵送混凝土材料性能关键技术研究 [J].粉煤灰,2016(3):39-42.

[2] 吴德龙,郑捷,陈尧亮,等.高度492 m!——上海环球金融中心超高泵 送高强混凝土技术研究[J].建筑施工,2008,30(4):237-241.

[3] CHOI M S,KIM Y J,KWON S H. Prediction on pipe flow of pumped concrete based on shear-induced particle migration[J].Cement and concrete research,2013(52):216-224.

[4] NGO T T,KADRI E H,CUSSIGH F,et al. Relationships between concrete composition and boundry layer composition to optimize concrete pumpability[J].Europe an journal of environmental and civil engineering,2012,16(2):157.

[5] ERDOGAN S T,MARTYS N S,FERRARIS C F,et al. Influence of the shape and roughness of inclusions on the rheological properties of a cementitious suspension[J].Cement and Concrete Composites,2008,30 (5):393.

[6] 周帅,佟琳,陈喜旺.硅灰对新拌和混凝土流变性能的影响[J].建筑 技术,2017(10):1022-1024.

[7] 陈全滨,罗作球,袁启涛,等.超细粉对高性能超高泵送混凝土性能 的影响研究[J].施工技术,2015(8):118-121.

[8] DE LARRARD F,HU C,SEDRAN T, et al. A new rheometer for soft- to-fluid fresh concrete[J]. ACI materials journal,1997,94(3):234- 243.

[9] HOCEVAR A,KAVCIC F,BOKAN-BOSILJKOV V. Rheological parameters of freshconcrete - comparison of rheometers[J]. Gradevinar,2013,65(2):99-109.

[10] 田正宏,井锦旭,陈旭,等.混凝土流变参数十字搅拌轴测试方法[J]. 建筑材料学报,2013(6):949-954.

[11] 郑捷.流态混凝土中粗骨料颗粒形状对流动性的影响[J].建筑施工, 2007,29(3):204-205.

[12] 马保国,彭观良,胡曙光,等.泵送混凝土可泵性评价方法浅探[J].河 南建材,2000(3):15-17.

[13] 逄鲁峰,袁惠星,李志明.高性能混凝土可泵性试验研究[J].混凝土, 1998(4):11-14.

[14] ALDRED J. Burj Khalifa-a new high for high-performance concrete [J].Proceedings of the ICE-civil engineering,2010,163(2):66-73.

[15] CAO G,ZHANG H,TAN Y,et al.Study on the effect of coarse aggregate volume fraction on the flow behavior of fresh concrete via DEM[J].Procedia engineering,2015(102):1820-1826.

[16] SHYSHKO S,MECHTCHERINE V. Developing a discrete element model for simulating fresh concrete:experimental investigation and modelling of interactions between discrete aggregate particles with fine mortar between them[J].Construction & building materials,2013, 47(5):601-615.

[17] 陈松贵.宾汉姆流体的LBM-DEM方法及自密实混凝土复杂流动研 究[D].北京:清华大学,2014.

[18] 宋军华.基于离散元法的新拌混凝土流变学及其泵送过程的研究 [D].湘潭:湘潭大学,2012.

[19] 黄大能.流变学在水泥与混凝土研究中的应用[J].混凝土世界,2011 (9):21-26.

[20] 张雄,张蕾.流变学理论在水泥基材料中的应用[J].粉煤灰综合利 用,2013(4):9-13.

[21] 李靖祺,徐伟.基于Herschel-Bulkley流变模型的自密实混凝土流动 的CFD模拟[J].工程力学,2013,30(1):373-377.

[22] 李悦,梅期威,王子赓,等.泵送混凝土在泵管中流动行为的模拟研 究[J].混凝土,2019(12):116-119.

[23] KUROKAWA Y,TANIGAWA Y,MORI H,et al. Analytical study on effect of volume fraction of coarse aggregate on Bingham's constants of fresh concrete[J].Transaction of Japan Concrete Institute,1996(18):37-44.

[24] Tanigawa Y,Mori H. Analytical Study on Deformation of Fresh Concrete [J].Journal of engineering mechanics,1989(3):493-508.