CN110451885B - 一种基于材料粒度匹配设计的高强超高程泵送混凝土降粘调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强超高程泵送混凝土降粘调控方法，其特征在于由以下质量份材料组成：水泥60～92份，矿物掺合料0~32份，降粘剂8~30份，细骨料120～210份，粗骨料154～255份，保坍型减水剂0.8～3份，水26～35份；其中，降粘剂为粒径0.1~50μm、平均粒径5±3μm、wadell球形度不小于0.95的超细粉体微球；细骨料粒径0~5mm，wadell球形度不小于0.88；粗骨料符合5~20mm连续粒级，wadell球形度不小于0.8；按照上述要求制备的混凝土塑性粘度为50~120Pa·s，屈服应力为120~350Pa，比传统技术制备的混凝土塑性粘度降低30%‑75%，屈服应力增加60%‑120%，显著提高混凝土的可泵性能和稳定性能。

Description

一种基于材料粒度匹配设计的高强超高程泵送混凝土降粘调 控方法

技术领域

本发明属于土木工程建筑材料技术领域，具体涉及一种用于高强超高程泵送混凝土的降粘调控方法。

背景技术

随着科学技术水平不断发展，土木工程建设的深度和广度也随之不断扩展，越来越多超高程建筑如摩天大楼、超大跨度桥梁主塔等标志性建筑在工民建领域、轨道交通领域不断涌现，超高程建筑通常要求的混凝土强度等级高、泵送高程大，对混凝土的工作性能、力学性能与耐久性能提出更高的要求，使得混凝土也由原来的普通性能逐步向高性能方向发展。

传统提高混凝土强度主要通过降低水胶比来实现，但是，水胶比降低会使混凝土中拌和的自由水量减少，导致混凝土粘度显著增加，给混凝土泵送施工带来极大的困难，极易产生堵管风险，很大程度限制了高强超高程泵送混凝土的应用。此外，混凝土强度等级越高，单方混凝土水泥用量越高，往往就需要更多的用水量来降低混凝土粘度以实现其泵送性能，然而，混凝土中水泥用量和用水量的增加会提高混凝土内部温升、增大混凝土的收缩变形，加剧混凝土的开裂风险。因此，如何降低高强超高程泵送混凝土的粘度，提高混凝土的可泵性能和长期耐久性能，确保高强超高程混凝土结构的建造质量，已成为现代高性能混凝土研究的一个重要方向。

目前，除了增大水泥用量和用水量外，通常采用大掺量矿物掺合料、降粘型外加剂的措施来降低混凝土粘度。采用大掺量粉煤灰、磨细矿渣粉、硅灰等矿物掺合料，虽然可以降低混凝土的粘度，但是大掺量粉煤灰、磨细矿渣粉早期火山灰反应活性低，对混凝土的早期强度影响较大，而硅灰等超细粉体材料由于颗粒粒径非常小、比表面积很大，需要较多的自由水才能实现降低混凝土粘度的作用，用水量增大将影响着混凝土的早期强度发展，限制了硅灰等超细粉体的应用。此外，目前降粘型外加剂主要采用有机高分子类外加剂，其降粘效果不如大掺量矿物掺合料显著。专利CN103145360A公开了一种高强或超高强混凝土粘度调节剂，仅从粉体颗粒粒径和胶凝材料级配角度考虑对自由水膜厚度和混凝土降粘效果的影响，但是试验发现粉体颗粒的材质和粒形对混凝土粘度的影响更为显著。专利CN103613348A公开了一种低粘度、易泵送的平均强度120MPa超高强混凝土，虽然解决了高强超高程泵送混凝土的粘度问题，但是混凝土的单方胶凝材料用量高达到600-700kg，导致混凝土结构体水化温升高、开裂风险大。因此，亟需针对当前高强超高程泵送混凝土的制备技术瓶颈开展相关降粘技术研究。

发明内容

本发明属于土木工程建筑材料技术领域，具体涉及一种用于高强超高程泵送混凝土的降粘调控方法。

本发明的目的是针对现有高强超高程泵送混凝土粘度大、难泵送、易堵管的问题，提出一种高强超高程泵送混凝土的新型降粘制备技术与方法，在确保高强超高程泵送混凝土的力学、耐久性性能和良好的经济性条件下，大幅降低混凝土的粘度，显著提升其泵送性能。

申请人经研究发现：超细粉体颗粒对水泥颗粒具有较好的级配填充作用，但是颗粒粒径越小，比表面积越大，所需要的自由水就越多；影响混凝土拌和物粘度和颗粒流动性的因素不仅颗粒表面的水膜厚度有关，而且还与颗粒材质、颗粒粒形表面状态密切相关；选用质地坚硬、吸水率小、球形度高的粉体材料和粗细骨料可以大幅降低拌和水用量，有效确保颗粒表面自由水膜的厚度，显著提升混凝土拌和物粘度和流动性；此外，高强混凝土的强度等级高低与胶凝材料用量的多少没有必然联系，高强混凝土的强度等级高低更多取决于水胶比的大小和胶凝材料活性的高低。基于上述研究，本发明所提出的一种高强超高程泵送混凝土的新型降粘制备技术与方法，具体是在不增加现有高强超高程泵送混凝土的胶凝材料用量和水胶比的条件下，通过优选粒形良好的混凝土原材料，以及掺入适量的降粘剂，利用混凝土原材料的多尺度粒度匹配效应和降粘剂中超细微球滚珠效应，实现对混凝土由细观到宏观多尺度颗粒的合理级配设计与密实堆积，以及超细微球的滚珠润滑和密实填充作用，显著降低了混凝土的拌和用水量，有效保证了颗粒表面自由水膜的厚度，显著降低了颗粒间相互咬合力和摩擦力，这样不仅确保了混凝土的力学、耐久性能，而且还大幅降低了混凝土的塑性粘度，提升其可泵性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种基于材料粒度匹配设计的高强超高程泵送混凝土降粘调控方法，其特征在于由以下质量份材料组成：水泥60～92份，矿物掺合料0~32份，降粘剂8~30份，细骨料120～210份，粗骨料154～255份，保坍型减水剂0.8～3份，水26～35份；其中，降粘剂为粒径0.1~50μm、平均粒径5±3μm、wadell球形度不小于0.95的超细粉体微球；细骨料粒径0~5mm，wadell球形度不小于0.88；粗骨料符合5~20mm连续粒级，wadell球形度不小于0.8；按照上述要求制备的混凝土塑性粘度为50~120Pa·s，屈服应力为120~350Pa，比传统技术制备的混凝土塑性粘度降低30%-75%，屈服应力增加60%-120%，显著提高混凝土的可泵性能和稳定性能。

进一步的，所述的降粘剂为氧化硅、碳化硅、硅酸盐、硅铝酸盐的一种或多种超细粉体微球，wadell球形度不小于0.95，颗粒粒径0.1-50μm，平均粒径5±3μm，其中0.1-1μm颗粒含量为10%，1μm-10μm颗粒含量为80%，10μm-50μm颗粒含量为10%。降粘剂中含有大量的超细微球可以起到滚珠润滑作用和密实填充作用，有效保证颗粒表面自由水膜的厚度，显著降低颗粒间相互咬合力和摩擦力，从而对混凝土起到显著的降粘作用；此外，以氧化硅、碳化硅、硅酸盐、硅铝酸盐等材料制成的超细粉体微球，具有一定的火山灰反应活性，能与水泥水化产物发生反应，细化孔隙结构、降低界面过渡区缺陷，提升混凝土密实度和长期耐久性能。

进一步的，所述的细骨料为天然河砂、整形机制砂的一种或两种物质组成，细骨料粒径0~5mm，细度模数为2.3~3.2，wadell球形度不小于0.88，含泥量小于等于1.0%。

进一步的，所述的粗骨料为玄武岩、花岗岩的一种或两种物质经破碎整形的碎石颗粒，颗粒级配符合5~20mm连续粒级，wadell球形度不小于0.80，含泥量小于等于0.5%。

现有混凝土制备技术仅采用筛分析测试方法和针片状含量测试方法来评价粗骨料粒形，对粗骨料的粒形评价较为落后，而对于细骨料也仅采用筛分析方法来评价细骨料的级配，并未对细骨料粒形进行测试，这就导致粗骨料和细骨料中存在较多的粒形粗糙不规则、长径比大小不一，颗粒间相互咬合力大，难以满足泵送混凝土的制备要求；采用wadell球形度指标可以有效解决这一问题，能够客观准确地对粗骨料和细骨料的粒形进行较好的量化评价，并骨料级配设计进行有益的补充。

进一步的，所述的矿物掺合料为硅灰、粉煤灰、磨细矿渣粉一种或几种物质组成，粒径0.1~100μm，平均粒径30±10μm，其流动度比大于100，28d活性指数不低于85%。所述的矿物掺合料可以对以水泥为主的胶凝材料体系进行较好的颗粒级配优化，实现粉体颗粒较好的密实堆积，此外，矿物掺合料料可以与水泥水化产物发生二次火山灰反应，细化孔隙结构，对混凝土硬化体起到密实增强的作用。

进一步的，强度等级不低于42.5的普通硅酸盐水泥、硅酸盐Ⅰ型水泥、硅酸盐Ⅱ型水泥、中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥的一种，水泥90d龄期抗压强度和28d龄期抗压强度之比不小于120%。

进一步的，所述的保坍型高效减水剂为含有聚乙二醇长侧链、梳状结构的聚羧酸系高性能减水剂，减水率大于25%，混凝土工作性能保持能力强，初始扩展度650±50mm，2h扩展度经时损失不大于20mm。采用保坍型高效减水剂可以确保混凝土具有良好的工作保持性能，能够更好地适应现场超高程泵送施工工况作业的需要。

与现有高强超高程泵送混凝土的制备技术相比，本发明具有的有益效果。

（1）本发明在不增加现有高强超高程泵送混凝土的胶凝材料用量和水胶比的条件下，通过优选粒形良好的混凝土原材料，以及掺入适量的降粘剂，制备出混凝土的力学、耐久性能相当，且塑性粘度降低30%-60%，泵压相当泵送排量提升20%以上，泵送性能大幅提升。

（2）本发明首次将wadell球形度纳入混凝土粗骨料、细骨料和粉体降粘剂的关键质量评价指标中，对混凝土原材料从细观到宏观多尺度颗粒级配进行合理的量化设计；同时还对降粘剂的颗粒粒形、颗粒粒度与分布提出明确的指标要求，充分发挥降粘剂中超细粉体微球的滚珠润滑作用，确保了混凝土具有较低的拌和用水量，以及原材料颗粒表面具有足够的水膜厚度，显著降低了颗粒间相互咬合力和摩擦力，制备出混凝土的粘度塑性粘度为50~120Pa·s，从而实现高强超高程泵送混凝土的粘度调控。

（3）本发明所述的降粘剂中含有大量超细粉体微球，其颗粒粒径比水泥颗粒粒径低一个数量级，不仅具有良好的滚珠润滑作用，而且还可以较好地填充水泥颗粒的孔隙，起到超细集料填充密实作用；同时超细粉体微球具有一定的火山灰反应活性，能与水泥水化产物发生反应，细化孔隙结构、降低界面过渡区缺陷，提升混凝土的密实度和长期耐久性能。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

一种基于材料粒度匹配设计的高强超高程泵送混凝土降粘调控方法，其特征在于由以下质量份材料组成：水泥80份，矿物掺合料12份，降粘剂8份，细骨料160份，粗骨料214份，保坍型减水剂1.2份，水30份。其中，降粘剂为氧化硅和碳化硅组成的超细粉体微球，粒径0.1~50μm，平均粒径3.2μm，wadell球形度0.98；细骨料为天然河砂，粒径0~5mm，wadell球形度0.90，细度模数2.7，含泥量0.6%；粗骨料为5~20mm连续粒级的玄武岩碎石颗粒，wadell球形度0.85，含泥量0.2%；矿物掺合料由粉煤灰和磨细矿渣粉两种物质组成，粒径0.1~100μm，平均粒径28μm，其流动度比大于105%，28d活性指数95%；水泥为42.5强度等级的硅酸盐Ⅱ型水泥，90d龄期抗压强度与28d抗压强度比为125%；减水剂采用保坍型聚羧酸减水剂，减水率32%。

实施例2

一种基于材料粒度匹配设计的高强超高程泵送混凝土降粘调控方法，其特征在于由以下质量份材料组成：水泥92份，矿物掺合料0份，降粘剂8份，细骨料160份，粗骨料214份，保坍型减水剂1.2份，水30份。其中，降粘剂为碳化硅和硅酸钙组成的超细粉体微球，粒径0.1~50μm，平均粒径3.5μm，wadell球形度0.96；细骨料为天然河砂，粒径0~5mm，wadell球形度0.91，细度模数2.6，含泥量0.6%；粗骨料为5~20mm连续粒级的玄武岩碎石颗粒，wadell球形度0.87，含泥量0.2%；矿物掺合料由粉煤灰和磨细矿渣粉两种物质组成，粒径0.1~100μm，平均粒径26μm，其流动度比大于108%，28d活性指数95%；水泥为42.5强度等级普通硅酸盐水泥，90d龄期抗压强度与28d抗压强度比为122%；减水剂采用保坍型聚羧酸减水剂，减水率33%。

实施例3

一种基于材料粒度匹配设计的高强超高程泵送混凝土降粘调控方法，其特征在于由以下质量份材料组成：水泥70份，矿物掺合料15份，降粘剂15份，细骨料160份，粗骨料214份，保坍型减水剂1.2份，水30份。其中，降粘剂为氧化硅和硅酸钙组成的超细粉体微球，粒径0.1~50μm，平均粒径2.5μm，wadell球形度0.98；细骨料为整形机制砂，粒径0~5mm，wadell球形度0.90，细度模数2.6，含泥量0.4%；粗骨料为5~20mm连续粒级的玄武岩碎石颗粒，wadell球形度0.85，含泥量0.3%；矿物掺合料由硅灰、粉煤灰和磨细矿渣粉三种物质组成，粒径0.1~100μm，平均粒径22μm，其流动度比大于108%，28d活性指数105%；水泥为42.5强度等级硅酸盐Ⅱ型水泥，90d龄期抗压强度与28d抗压强度比为124%；减水剂采用保坍型聚羧酸减水剂，减水率32%。

实施例4

一种基于材料粒度匹配设计的高强超高程泵送混凝土降粘调控方法，其特征在于由以下质量份材料组成：水泥70份，矿物掺合料0份，降粘剂30份，细骨料160份，粗骨料214份，保坍型减水剂1.2份，水30份。其中，降粘剂为氧化硅和碳化硅组成的超细粉体微球，粒径0.1~50μm，平均粒径4.5μm，wadell球形度0.98；细骨料为天然河砂，粒径0~5mm，wadell球形度0.92，细度模数2.8，含泥量0.5%；粗骨料为5~20mm连续粒级的玄武岩碎石颗粒，wadell球形度0.84，含泥量0.2%；矿物掺合料由硅灰、粉煤灰和磨细矿渣粉三种物质组成，粒径0.1~100μm，平均粒径25μm，其流动度比大于107%，28d活性指数101%；水泥为42.5强度等级硅酸盐Ⅱ型水泥，90d龄期抗压强度与28d抗压强度比为126%；减水剂采用保坍型聚羧酸减水剂，减水率33%。

实施例5

一种基于材料粒度匹配设计的高强超高程泵送混凝土降粘调控方法，其特征在于由以下质量份材料组成：水泥80份，矿物掺合料20份，降粘剂15份，细骨料170份，粗骨料189份，保坍型减水剂1.5份，水32份。其中，降粘剂为氧化硅和铝酸钙组成的超细粉体微球，粒径0.1~50μm，平均粒径6.5μm，wadell球形度0.96；细骨料为天然河砂，粒径0~5mm，wadell球形度0.91，细度模数2.7，含泥量0.4%；粗骨料为5~20mm连续粒级的玄武岩碎石颗粒，wadell球形度0.85，含泥量0.3%；矿物掺合料由硅灰和粉煤灰三种物质组成，粒径0.1~100μm，平均粒径25μm，其流动度比大于106%，28d活性指数103%；水泥为52.5强度等级硅酸盐Ⅱ型水泥，90d龄期抗压强度与28d抗压强度指标为123%；减水剂采用保坍型聚羧酸减水剂，减水率33%。

实施例6

一种基于材料粒度匹配设计的高强超高程泵送混凝土降粘调控方法，其特征在于由以下质量份材料组成：水泥80份，矿物掺合料20份，降粘剂15份，细骨料170份，粗骨料189份，保坍型减水剂0.8份，水40份。其中，降粘剂为氧化硅、碳化硅和硅酸钙组成的超细粉体微球，粒径0.1~50μm，平均粒径3.8μm，wadell球形度0.97；细骨料为天然河砂和整形机制砂组成的混合物，粒径0~5mm，wadell球形度0.91，细度模数2.6，含泥量0.5%；粗骨料为5~20mm连续粒级的花岗岩碎石颗粒，wadell球形度0.86，含泥量0.2%；矿物掺合料由硅灰和磨细矿渣粉两种物质组成，粒径0.1~100μm，平均粒径31μm，其流动度比大于102%，28d活性指数105%；水泥为42.5强度等级硅酸盐Ⅱ型水泥，90d龄期抗压强度与28d抗压强度指标为125%；减水剂采用保坍型聚羧酸减水剂，减水率30%。

对比例1

一种传统高强超高程泵送混凝土，由以下质量份材料组成：水泥80份，矿物掺合料20份，降粘剂0份，细骨料160份，粗骨料214份，保坍型减水剂1.2份，水30份。混凝土制备时，采用较低水胶比，未添加降粘剂，且对原材料粒形无特殊指标要求。其中，细骨料为天然河砂，粒径0~5mm，wadell球形度0.85，细度模数2.7，含泥量0.5%；粗骨料为5~20mm连续粒级的玄武岩碎石颗粒，wadell球形度0.74，含泥量0.2%；矿物掺合料由硅灰和磨细矿渣粉两种物质组成，粒径0.1~120μm，平均粒径42μm，其流动度比大于102%，28d活性指数105%；水泥为42.5强度等级硅酸盐Ⅱ型水泥，90d龄期抗压强度与28d抗压强度比为123%；减水剂采用保坍型聚羧酸减水剂，减水率31%。

对比例2

一种传统高强超高程泵送混凝土，由以下质量份材料组成：水泥80份，矿物掺合料35份，降粘剂0份，细骨料170份，粗骨料189份，保坍型减水剂0.8份，水40份。混凝土制备时，采用较高水胶比和较高胶凝材料用量，未添加降粘剂，且对原材料粒形无特殊指标要求。其中，细骨料为天然河砂和整形机制砂组成的混合物，粒径0~5mm，wadell球形度0.83，细度模数2.6，含泥量0.5%；粗骨料为5~20mm连续粒级的花岗岩碎石颗粒，wadell球形度0.75，含泥量0.2%；矿物掺合料由粉煤灰和磨细矿渣粉两种物质组成，粒径10~150μm，平均粒径45μm，其流动度比大于101%，28d活性指数98%；水泥为42.5强度等级普通硅酸盐水泥，90d龄期抗压强度与28d抗压强度比为115%；减水剂采用保坍型聚羧酸减水剂，减水率31%。

实施例1~6为本发明提出的高强超高程泵送混凝土典型制备方法，对比例1~2为传统高强超高程泵送混凝土典型制备方法。实施例1～6和对比例1~2所制备出的高强超高程泵送混凝土，按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080-2016）对新拌混凝土的含气量、初始扩展度和2h扩展度经时损失进行测试，评价其流动性能；采用RHM-3000ICAR同轴圆筒流变仪对新拌混凝土流变参数的塑性粘度和屈服应力进行测试，评价混凝土泵送性能和稳定性能；按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2002）对硬化混凝土的7天和28天抗压强度进行测试，评价其力学性能。

实施例1~6和对比例1~2所制备出的混凝土拌合物和混凝土试件的性能测试结果如表1所示。

表1 混凝土拌合物和混凝土试件的性能测试结果

由表1可知，本发明实施例1～6所制备得到的高强混凝土在塑性粘度和屈服应力方面显著优于对比例1~2制备出的混凝土性能，说明本发明的高强超高程泵送混凝土的降粘调控方法具有显著的效果。

本发明提供了一种高强超高程泵送混凝土的降粘调控方法，目的是提升高强超高程泵送混凝土的泵送性能和稳定性能，解决超高程建筑工程混凝土泵送施工难泵送、易堵管的问题。

本发明的保护范围并不限于上述实施例，其他与本发明实质相同的技术方案均属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于材料粒度匹配设计的高强超高程泵送混凝土降粘调控方法，其特征在于由以下质量份材料组成：水泥60～92份，矿物掺合料0~32份，降粘剂8~30份，细骨料120～210份，粗骨料154～255份，保坍型减水剂0.8～3份，水26～35份；其中，降粘剂为粒径0.1~50μm、平均粒径5±3μm、wadell球形度不小于0.95的超细粉体微球；细骨料粒径0~5mm，wadell球形度不小于0.88；粗骨料符合5~20mm连续粒级，wadell球形度不小于0.8；按照上述要求制备的混凝土塑性粘度为50~120Pa·s，屈服应力为120~350Pa。

2.根据权利要求1所述的一种基于材料粒度匹配设计的高强超高程泵送混凝土降粘调控方法，其特征在于所述的降粘剂为氧化硅、碳化硅、硅酸盐、硅铝酸盐的一种或多种超细粉体微球，wadell球形度不小于0.95，颗粒粒径0.1-50μm，平均粒径5±3μm，其中0.1-1μm颗粒含量为10%，1μm-10μm颗粒含量为80%，10μm-50μm颗粒含量为10%。

3.根据权利要求1所述的一种基于材料粒度匹配设计的高强超高程泵送混凝土降粘调控方法，其特征在于所述的细骨料为天然河砂、整形机制砂的一种或两种物质组成，粒径0~5mm，细度模数为2.3~3.2，wadell球形度不小于0.88，含泥量小于等于1.0%。

4.根据权利要求1所述的一种基于材料粒度匹配设计的高强超高程泵送混凝土降粘调控方法，其特征在于所述的粗骨料为玄武岩、花岗岩的一种或两种物质经破碎整形的碎石颗粒，颗粒级配符合5~20mm连续粒级，wadell球形度不小于0.80，含泥量小于等于0.5%。

5.根据权利要求1所述的一种基于材料粒度匹配设计的高强超高程泵送混凝土降粘调控方法，其特征在于所述的矿物掺合料为硅灰、粉煤灰、磨细矿渣粉一种或几种物质组成，粒径0.1~100μm，平均粒径30±10μm，其流动度比大于100%，28d活性指数不低于85%。

6.根据权利要求1所述的一种基于材料粒度匹配设计的高强超高程泵送混凝土降粘调控方法，其特征在于所述的水泥为强度等级不低于42.5的普通硅酸盐水泥、硅酸盐Ⅰ型水泥、硅酸盐Ⅱ型水泥、中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥的一种，水泥90d龄期抗压强度和28d龄期抗压强度之比不小于120%。

7.根据权利要求1所述的一种基于材料粒度匹配设计的高强超高程泵送混凝土降粘调控方法，其特征在于所述的保坍型减水剂为含有聚乙二醇长侧链、梳状结构的聚羧酸系高性能减水剂，减水率大于25%，混凝土初始扩展度650±50mm，2h扩展度经时损失不大于20mm。