混凝土拌和物工作性泵送损失的分析与控制

余成行

（北京市中超混凝土有限责任公司 北京 100024）

前言

泵送混凝土技术1927年创于德国，目前已成为建筑施工的重要技术手段，广泛应用于各类土木、建筑工程中。近年来，随着高层建筑与超高层建筑的发展，超高泵送混凝土技术已成为超高层建筑施工技术不可缺少的一个方面，并且已成为一种发展趋势而受到各国工程界的重视。

但是，在超高泵送施工研究与工程应用过程中发现，不同的原材料、不同的混凝土配合比所配制的混凝土的泵送性能表现出了与以往大为不同的差异，突出的问题之一是混凝土拌和物状态的泵送损失问题。习惯上，泵送损失是指入泵口和出泵口的混凝土拌和物工作性能的变化，通常表现为出泵口的混凝土拌和物的坍落度和流动度的降低、混凝土黏度的增加，尤其是当泵送距离较长时，这种变化更为明显，甚至无法满足施工入模要求。坍落度和流动度的泵送损失与坍落度和流动度的经时损失有着本质不同。有时，若泵送损失过大，可能导致混凝土无法正常泵送浇筑或振捣密实。

1 泵送过程分析

通过分析混凝土泵送设备的工作原理可知，混凝土泵送过程的实质是：

1）通过泵管时，由于材料产生部分密实和摩擦的影响，在流动方向上产生压力梯度。

2）泵的压力大小满足压力梯度要求。

3）材料必须能传递足够的压力来克服管道的所有阻力。

4）混凝土的所有组分中，只有水才能在自然状态下可泵，所以，只有水才能传递压力。

图1 泵送混凝土在泵压下性能变化分析示意图

众所周知，混凝土拌和物在搅拌后的最初几个小时内，拌和物的工作性主要由拌和物中的自由水控制，自由水的多少一方面影响固体颗粒表面水膜厚度的大小，另一方面影响固体颗粒间空隙填充水用量的变化。而拌和物中的含气量的大小（可视为较小的固体颗粒）会直接影响固体颗粒间填充水的多少，（在拌和物总用水量一定的情况下）进而影响混凝土拌和物的状态。混凝土在泵送过程中，混凝土拌和物的性能会发生一定变化，主要表现是水分的迁移和气体的压缩。水分的迁移和气体的压缩给导致拌和物自由水的“作用状态”发生变化，若自由水在压力下进入骨料内部，会直接影响（通常是减小）水膜厚度或颗粒间填充水的作用效果，对于混凝土拌和物来讲，这种变化所导致的外在表现就是坍落度和扩展度变小、黏度变大，这种现象对于吸水率较大的骨料来说在压力使用下变化更为明显。而气体压缩相当于颗粒间的需自由水来填充的空隙变大或固体颗粒间距变窄、相互作用增大，这种变化在一定程度上也会导致自由水的“作用状态”发生变化，进而影响混凝土拌和物的性能。

显而易见，过大的泵送损失会影响混凝土的现场施工。因此，为了控制泵送混凝土的泵送损失，应在混凝土原材料选择、配合比设计方面进行充分考虑与控制。在泵送混凝土配合比设计时，根本方法之一就是调整混凝土材料的颗粒组成使其具有合理的级配，降低水在压力下的过大迁移。

2 混凝土配合比设计的理论基础

随着混凝土理论的研究和发展，目前，混凝土配合比设计时主要依据以下几个基本理论或规律，这些内容也是商品混凝土在日常生产过程中进行拌和物性能调整或质量控制的重要依据或原则。比如，泌水问题可以用水膜厚度和颗粒填充密度进行解释和调整控制，泵送问题可以用水膜厚度与颗粒间相互作用进行解释和控制等。

（1）水灰比定则

混凝土的龄期、温度和水泥品种一定时，抗压强度随着水灰比的减小而增大，符合以下关系：

式中：fc为抗压强度，K1和K2为常数，取决于养护龄期和温度以及水泥品种。

（2）固体颗粒填充密度

从宏观角度看，混凝土可以被认为是由骨料和水泥浆两部分组成。中粒径颗粒能填充大粒径颗粒之间的空隙，而小粒径颗粒又能填充中粒径颗粒之间的空隙，各粒径大小如此连续的填隙作用能有效减少空隙的体积，增大整个骨料部分的填充密度。因为水泥浆需要先填充骨料部分的空隙，填隙以外的水泥浆才能用于润滑、带动骨料流动，所以在水泥浆体积一定时，提高骨料填充密度能增加混凝土工作性，或在流动性要求相同时减少水泥浆的体积。

从微观角度看，水泥浆可以被认为是由水泥及粉煤灰等凝胶微料和水两部分组成。在凝胶微料部分中，固体颗粒的粒径范围包括小于1μm至75μm。和宏观观察到的骨料颗粒填充效应一样，由较小粒径颗粒产生的连续、系列填隙作用同样能有效减少凝胶微料中空隙的体积，增加填充密度。因为水需要先填充凝胶微料部分的空隙，填隙以外的水才能用于润滑、带动整个水泥浆流动，所以在水体积一定时，提高凝胶微料填充密度能增加混凝土工作性，或在流动性要求相同时减少水的体积。

（3）水膜厚度

研究表明，水泥浆、砂浆和混凝土的流变性能不仅仅取决于填充密度，还取决于其固体颗粒的表面积大小。一般来说，固体颗粒的表面积越大，水泥浆、砂浆和混凝土的流动性就越小。该现象可用水膜厚度理论来解释。香港大学的研究表明，在等量剩余水（剩余水为从总水量中扣除填充固体颗粒间空隙所需部分后余下可用于润滑、带动水泥浆流动的水）的情况下，表面积越大水膜厚度就越小，反之亦然。显然，增大水膜厚度可提高流动性，而减小水膜厚度则会对流动性造成不利影响。水膜厚度已经被证明为决定水泥浆、砂浆和混凝土流变性和粘聚性的主要因素。尽管还发现对流变性和粘聚性影响的因素包括用水量、固体颗粒填充密度和固体颗粒表面积，而这众多因素的影响可简单归结为水膜厚度该单一因素的影响。

一直以来，优化水泥浆、砂浆和混凝土配合比的方向是使其填充密度最大化。然而，当添加硅灰、超细粉煤灰、超细粒化高炉矿渣、微石灰石粉和超细水泥等充填材料时，虽然可以提高填充密度，但同时也会导致固体颗粒表面积大大增加。既然决定流变性的主要因素是水膜厚度，因此我们在配合比的优化设计时应最大化水泥浆、砂浆和混凝土的水膜厚度而不应是填充密度（填充密度最大化是措施，不是最终目标）。

（4）颗粒间相互作用

当固液相混合物一起流动时，混合物内会出现位于不同层间的颗粒的剪切现象，一层中的颗粒会与邻近层的颗粒以一定的倾角碰撞再横向偏移，在流动固液混合物里形成不规则的横向膨胀，需要维持固液混合物流动状态所需的剪切应力会随之增大，此现象在固液混合物流过窄口时尤为明显。研究发现，加大细颗粒材料的用量直至其超过填充较大颗粒材料间空隙所需数量时，固液混合物的窄口通过能力得到明显改善。可以想象，这种超过空隙体积用量后的“剩余颗粒层”增加了粗颗粒之间的距离，减小粗颗粒之间的相互碰撞。此外，此“剩余颗粒层”还可以起到滚珠效应，减小粗颗粒之间相互运动的阻力。

因此，掺加超过填充较大颗粒材料间空隙、使填充密度最大化所需数量的细颗粒可以增加流动性和窄口通过能力。这也说明，无论对于水泥浆、砂浆还是混凝土来说，填充密度最大化和性能最优化并非一定相一致。

（5）最小单位用水量或胶凝材料用量

当原材料一定时，水胶比固定后，选用满足工作性要求的最小用水量或最小胶凝材料用量，即最小浆体用量，可以提高硬化混凝土的体积稳定性，同时，降低混凝土的水化温升、提高混凝土抵抗环境侵蚀的能力，也可以降低混凝土的成本。当然，有时也同时提出最小水泥用量要求，以达到满足混凝土早期强度要求。

众所周知，在进行混凝土配合比设计时，一般认为其模型是，粗骨料为结构的骨架，细骨料首先填充粗骨料的空隙（颗粒填充密度理论），进一步对粗骨料进行包裹而降低粗骨料之间的碰撞并使之流动（颗粒间相互作用理论，泵送混凝土增加砂率或含气量就是这一原理）；同样道理，水泥颗粒填充、包裹细骨料，最后，由水填充水泥颗粒的空隙并包裹水泥颗粒（颗粒间相互作用理论和水膜厚度理论）。通过分析水泥浆体中拌合水的分布与数量可知，要使水泥浆体产生流动，拌合水的数量要满足以下两个条件：

（1）湿润水泥颗粒表面，在表面形成一层足够厚的水膜。此部分水为表面层水。

（2）填满水泥颗粒的间隙。此部分拌合水为填充水（又称自由水）。影响混凝土拌和物黏度的重要因素是自由水含量。填充水与表面层水之和即为浆体流动所需的拌合水量。这也是水在混凝土拌和物塑性状态下最初几小时的主要存在形式（此阶段，水泥水化消耗的水很少、矿物掺合料还未发生二次反应）。不难发现，水膜厚度越大，浆体的流动性就越好。

对于商品混凝土来说，拌和物重要的性能之一就是要具有良好的流动性。要想具有较好的流动性，就要追求足够厚的水膜。但是，水膜厚度过大，说明拌和物中的自由水过多，浆体黏度越小，拌和物易出现泌水、离析现象。水膜厚度越小，说明自由水也越少，浆体就越黏，就易出现塑性收缩裂缝。所以，从这一点来说，在混凝土拌和物加水搅拌后的最初几个小时内，商品混凝土拌和物施工性能的控制，从本质上讲，主要是水膜厚度的调整与控制。

在商品混凝土配合比设计过程中，往往追求的是较大的水膜厚度。也就是说，要采取化学的或物理的措施，在总用水量一定的前提下足够的“省水”以提高颗粒的水膜厚度。如掺加减水剂、采用需水量较小的矿物掺合料或提高胶凝材料堆积密度等。在水泥浆体中加入减水剂后，水泥颗粒之间产生斥力，水泥颗粒间包裹的水得以释放，但填充水的数量基本上不会发生大的变化，表面层水的厚度或颗粒间的水膜层距离却增加了，因此浆体变得易于流动，流动度得到提高。当减水剂的减水率达到最大之后，减水的对象已不是表面层水而是填充水了。对于填充水的削减，减水剂无能为力。

填充水的数量取决于系统的堆积密度。要削减填充水，必须提高系统的堆积密度。为此，可采用的一个办法，就是在水泥堆积系统中掺入比水泥颗粒细得多的矿物质微粒。这些矿物质微粒能够填充水泥颗粒间空隙，使原来的填充水变为表面层水，为水膜厚度的增加提供可能。因此，从这个角度来看，矿物质微粉这时成为混凝土拌和物的一种减水组分，但这种减水组分在减水原理上完全不同于化学减水剂，这就是“矿物减水剂”名字的由来。矿物减水剂的减水作用，往往可以在化学减水剂无能为力的超低水胶比条件下发挥出来。需要注意到的是，比水泥颗粒更细小的矿物微粉掺入之后，在间隙填充水减少的同时，由于系统比表面积的增大，表面层水的数量也会增大。因此，矿物微粉减水作用的大小，取决于其填充效应与其表面吸水效应的相对大小。减水性能良好的矿物减水剂应该是填充性好且比表面积又相对较低的矿物微粉。据此，可以通过法国混凝土材料科学家De Larrard提出的可压缩堆积模型（Compressible Packing Model，简称CPM模型）计算矿物减水剂的参数，如最佳粒度和最佳掺量等。

3 泵送损失的控制措施

通过混凝土合比设计理论和泵送过程分析可知，泵送损失的本质是由于混凝土拌和物在压力下自由水发生了迁移或气体含量发生了大的变化，自由水的迁移直接导致起润滑作用的颗粒水膜厚度的减小。这些“减小而跑走了的”自由水可能进入到了固体颗粒（尤其是骨料）开口孔中，也可能填充到了颗粒间空隙中，也可能由于减水剂发生变化、减水效果降低导致胶凝材料“重新”吸咐或包裹了这些水，总之最终导致拌和物的流动性下降。

理论分析和工程经验表明，要降低或消除泵送损失对施工浇筑的不良影响，主要从以下几个方面进行调整与控制：

1）拌和物的经时损失要小；

2）增加拌和物坍落度或扩展度的初始（入泵）值；

3）选择压力泌水率小的或在压力作用下性能稳定的减水剂，尤其是在采用聚羧系减水剂时；

4）骨料的吸水率和空隙率要小，尤其是细骨料；

5）混凝土组成材料中各种细粉料（尤其是胶凝材料）级配要合理；可通过掺加适量石灰石粉、硅粉等调整颗粒级配；双掺矿渣粉和粉煤灰出问题时，可改为单掺粉煤灰或矿渣粉等。

北京某商品混凝土公司，采用汽车泵施工混凝土，入泵坍落度210mm～230mm，由于泵送损失过大，出泵入模时只有130mm～160mm，给现场浇筑施工带来严重影响，经对比试验发现是聚羧酸减水剂出了问题，更换品种后即解决。哈尔滨某商品混凝土公司，因成本原因采用了一批鱼塘开挖砂子后，泵送损失过大，无法正常施工。内蒙古某地，由于粗骨料中云母含量较高，吸水率较大，导致混凝土的经时损失和泵送损失都较大。甘肃兰州某公司生产的C60混凝土，双掺粉煤灰和矿渣粉，但泵送损失过大，后改为粉煤灰与硅粉后顺利施工。

几点想法

（1）随着泵送工艺的普遍应用和超高泵送施工的发展，泵送损失问题越来越成为工程界关注的重点问题之一，尤其是采用聚羧酸系减水剂时更应关注这一现象。

（2）目前，超高泵送性能与泵送损失的试验室评价或性能检测方法仍有待进一步研究与开发。

[1] 余成行.泵送混凝土技术与超高泵送[A].第二届全国特种混凝土技术及工程应用学术交流会论文集[C],昆明,2011年8月.

[2] 关国雄等.高性能混凝土研究方向前瞻.两岸四地高性能与超高性能混凝土学术交流会论文集[A]，中国建材工业出版社，2010年10月.