缓凝剂与级配优化对混凝土泵送性能的影响

Effect of retarder and grading optimization on pumping performance of concrete

摘要

为减少泵送施工对新拌混凝土性能的影响，研究了缓凝剂掺量对新拌混凝土流动性能的影响，分析了骨料级配优化对混凝土泵送性能的影响规律．结果表明：缓凝剂的加入，有效抑制了水泥水化作用，延长了混凝土凝结时间；1.0%的缓凝剂掺量对混凝土静置6 h后的流动性能改善效果最佳；将大粒径骨料以10%的比率取代连续级配粗骨料，可以优化泵送混凝土骨料级配，有效弥补循环泵送过程对混凝土中骨料的破坏作用，实现混凝土工作性能、流变性能与抗压强度最佳；采用混凝土缓凝技术与骨料级配优化相结合，可实现混凝土泵送过程中工作性能与骨料稳定性的双重优化，从而提升混凝土的可泵性．

Abstract

To minimize the impact of pumping on the performance of fresh concrete， this study examined the effect of retarder dosage on the fluidity of fresh concrete and evaluated the influence of aggregate grading optimization on the pumping performance of concrete. The results indicate that the addition of a retarder effectively inhibits cement hydration and prolongs the setting time of concrete. 1.0% retarder dosage yields the optimal improvement in concrete flowability after 6 hours of standing. Replacing 10% of the continuous graded coarse aggregate with large-sized aggregate optimizes the aggregate gradation of pumped concrete， mitigating the detrimental effects of aggregates during cyclic pumping and achieving the optimal workabitity，rheological properties， and compressive strength. Combining concrete retarding technology with aggregate grading optimization achieves dual improvements in work performance and aggregate stability during the pumping process， thereby enhancing the pumpability of concrete.

Graphical abstract

关键词

缓凝剂掺量 / 级配优化 / 循环泵送 / 工作性能 / 流变性能

Key words

retarder dosage / grade optimization / cyclic pumping / workability / rheological properties

现代混凝土施工过程中，凝结时间的控制对于工程施工质量、施工效率及结构耐久性的影响至关重要.尤其在大体积浇筑、长距离运输、高温或低温等复杂施工环境下，混凝土凝结行为的不稳定，常常成为制约施工进度与工程质量的关键因素之一^［1-2］.为此，混凝土缓凝技术被广泛应用于调控水泥水化进程，延长工作时间，从而提升混凝土在复杂施工环境下的适应性^［3-4］.

近年来，混凝土缓凝技术发展迅速，常见的缓凝剂根据作用机制的差异，主要分为：羟基羧酸类、糖类以及聚合物类^［5］.羟基羧酸类缓凝剂主要通过羧基与Ca²⁺螯合，阻碍C₃S表面的水化产物成核^［6］.Darsanasiri等^［7］以酒石酸为缓凝剂，成功将三元碱硅铝酸盐水泥的初凝时间与终凝时间分别延长至80与 240 min．而糖类缓凝剂是通过分子中的多羟基基团吸附在水泥化产物的晶体表面，来抑制晶体的纵向生长^［8］.杨海平等^［9］发现混凝土中掺入0.1%的白糖后，初凝时间最长可达到1 100 min.此外，聚合物类缓凝剂则是通过形成长链聚合物分子在水泥颗粒表面形成空间阻碍层^［10］.Khalid等^［10］采用甲基丙烯酸甲酯为缓凝剂，发现混凝土的整体性能与服役寿命均能得到有效提高．值得注意的是，这些研究都是基于静态水化条件，未能考虑实际泵送过程中的高泵压、强剪切等动态因素对缓凝剂的影响．

混凝土泵送技术作为现代建筑工程的核心施工工艺，常见于高层建筑、大型基础设施及地下工程等领域.该技术通过管道输送，可将大量混凝土材料垂直和水平运输至建筑的不同位置，从而大大提高了施工效率^［11］.而在泵送施工过程中，混凝土材料会持续经历各种作用，如强剪切、高泵压、升温等，导致混凝土流动性和原材料性能波动较大^［12］.据统计，混凝土泵送过程中的最大等效剪切力可产生大于35/s的剪切速率^［13］，最大泵送压力可达几十兆帕^［14］.蒋正武等^［15］研究了水胶比对机制砂自密实混凝土泵送压力的影响规律，结果表明混凝土泵送压力随水胶比的增大而降低.马建峰等^［16］探究了混凝土泵送前后的性能变化，发现经泵送后的混凝土工作性能下降，但由于胶凝材料水化作用的提升，混凝土的抗压强度无明显波动.然而，针对泵送过程中高泵压、剪切力和摩擦力等多因素共同作用对混凝土中粗骨料的影响鲜见报道.

因此，为有效降低混凝土泵送施工过程对混凝土流动性及粗骨料粒形的破坏作用，本文系统研究了缓凝技术与骨料级配优化在泵送混凝土中的协同作用机制.在现有研究多聚焦于单一因素优化的背景下，本文从材料组分协同调控的角度出发，提出了缓凝剂掺量与骨料级配联合优化的技术路径，重点分析其对混凝土泵送前后工作性能、流变性能及粗骨料保形能力的综合影响.研究结果可为泵送混凝土材料设计提供理论依据，丰富混凝土施工工艺调控方法，具有一定的工程实用价值与推广前景.

1 试验部分

1.1 试验原材料

试验选用花岗岩骨料为粗骨料，粒径为4.75~26.5 mm，级配良好．天然河砂为细骨料，细度模数为3.2.骨料相关物理性能如表1所示.值得注意的是，由于受长沙梅雨季节的影响，导致室外堆放的天然河砂含水率偏高．水泥采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，矿物掺合料为湖南省大唐华银株洲发电有限公司生产的Ⅱ级粉煤灰.水泥与粉煤灰的矿物组成如图1所示，其中，水泥的矿物成分主要有硅酸三钙（C₃S）、铁铝酸四钙（C₄AF）、铝酸三钙（C₃A）和硅酸二钙（C₂S）.C₃A对缓凝剂具有较高的敏感性，可与缓凝剂反应生成钙铝络合物，有效阻滞钙矾石的形成，从而延缓早期水化产物的生成.粉煤灰的矿物成分主要有石英（quartz）、钙长石（anorthite）、方镁石（periclase）和硅灰石（wollastonite）.由于粉煤灰多以惰性矿物存在，早期参与水化反应较少，一般与缓凝剂协同来降低体系的反应速率．减水剂采用聚羧酸高效减水剂，减水率为16%.鉴于柠檬酸缓凝性能稳定、掺量调控灵活，且对混凝土早期强度影响较小，能够满足高性能混凝土泵送施工的技术要求，本文选用一水柠檬酸（C₆H₈O₇•H₂O）作为缓凝剂.拌和水为实验室自来水.

1.2 试验方法

花岗岩粗骨料表观密度、堆积密度、吸水率、含水率、压碎值与颗粒级配的测试方法，参照《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685—2022）^［17］.天然河砂表观密度、堆积密度、吸水率与含水率的测试方法，参照《建设用砂》（GB/T 14684—2022）^［18］.

混凝土拌合物坍落度、扩展度的测试方法，参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080—2016）^［19］.混凝土养护7、28 d的抗压强度测试方法，参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）^［20］.

采用NELD-CRH610型混凝土流变仪测试混凝土拌合物的流变参数.进行流变性能测试时，设置叶片转速由0.60 r/s下降至0.05 r/s，共取7个测试点，每点持续时间为5 s.使用Bingham模型表征混凝土的流变行为^［21］，Bingham模型中的流变参数主要包括屈服应力与塑性黏度.

混凝土泵送试验采用拖式混凝土输送泵，泵送速度为0~700 mm/s，输送量为60 m³/h，活塞直径为200 mm．设备及管道布置如图2所示，其中直管长度为10 m，管道内径为125 mm.试验首先将配合比用量的原料加入混凝土搅拌机中，待混凝土搅拌完成后，倒入混凝土输送泵进料口，开始泵送工作，泵送速度为530 mm/s；然后分别对经循环泵送0、15、30、45、60、75、90、105和120 min后的混凝土取样，并进行相关性能测试．此外，对泵送前与泵送120 min后的混凝土分3组取样，并分别将混凝土进行水洗、筛分、烘干，取3组筛分结果的平均值，分析骨料的级配分布范围，具体试验方法参照《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685—2022）^［17］.

1.3 试验配合比

本试验采用“体积法”进行混凝土配合比设计，水胶比为0.4，具体步骤参照《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）^［22］.针对混凝土缓凝试验，设置缓凝剂掺量分别为胶凝材料质量的0.0%、0.6%、0.8%、1.0%和1.2%.对于泵送混凝土级配优化试验，采用粒径为19.0~26.5 mm的大粒径花岗岩粗骨料分别以0%、10%、20%的比例质量取代连续级配粗骨料．混凝土配合比如表2所示.

2 结果与讨论

2.1 缓凝剂掺量对混凝土坍落度影响

不同掺量缓凝剂对混凝土坍落度的影响如图3所示．根据图示结果，随着静置时间的延长，混凝土坍落度均呈现一定下降趋势，这可以归因于水泥水化、骨料吸水以及水分蒸发等多因素的耦合作用^［23］.当未掺入缓凝剂时，混凝土静置2 h后的坍落度相较于初始坍落度减少15.8%；在静置6 h后，混凝土失去流动性，坍落度值为0.而随着缓凝剂的加入，混凝土坍落度的下降速率显著改善，呈现出先增大后降低的趋势，且在静置6 h后，混凝土坍落度值仍能保持150 mm以上.这是由于缓凝剂对水泥水化的抑制作用，有效延长了混凝土的凝结硬化时间.值得注意的是，缓凝剂掺量为1.0%的混凝土在静置6 h后的坍落度值达到了最高的175 mm，相较于新拌状态仅下降7.9%，这表明该掺量下的混凝土流动性最佳.

2.2 缓凝剂掺量对混凝土扩展度影响

图4呈现了不同掺量缓凝剂对混凝土扩展度的影响规律.根据图示结果，在新拌状态下，随着缓凝剂的加入，混凝土的初始扩展度值下降显著，最低可降低至345 mm，下降幅度高达25.8%.这可能是由于缓凝剂与水泥颗粒表面活性物质发生吸附作用，并生成一层临时吸附膜，增加了水泥颗粒间的黏结力，从而阻碍了混凝土中颗粒的自由移动^［24］.而在静置2 h后，水泥颗粒表面吸附膜逐渐破坏，缓凝剂抑制作用减弱，水泥水化反应逐渐恢复，混凝土扩展度值增加．但随着水化反应的持续进行，混凝土的流动性逐渐下降.当缓凝剂掺量为0.0%时，混凝土静置2 h后的扩展度值下降显著，且在静置6 h后的扩展度值仅为200 mm.相反地，缓凝剂掺量为1.0%的混凝土在静置6 h后，扩展度值仍能保持375 mm，是未添加缓凝剂混凝土组的1.9倍.与此同时，缓凝剂掺量为0.6%、0.8%、1.2%的混凝土扩展度值仅为355、325和370 mm，分别比1.0%缓凝剂掺量的混凝土减少5.3%、13.3%和1.3%.因而，1.0%的缓凝剂掺量是保证混凝土经时6 h最佳工作性能的用量.

2.3 缓凝剂掺量对混凝土抗压强度影响

对不同缓凝剂掺量的混凝土进行7和28 d抗压强度测试分析，结果如图5所示.随着缓凝剂掺量的增加，混凝土的7 d抗压强度呈现出逐渐下降的趋势，表明缓凝剂对混凝土早期强度具有一定的抑制作用.较高的缓凝剂掺量（如1.2%）导致强度显著下降，这可以归因于缓凝剂延缓了水泥的水化反应，减少了水泥与水的接触时间，从而影响了混凝土的早期强度发展.

与早期强度相比，缓凝剂对混凝土28 d抗压强度的抑制作用减小.当缓凝剂掺量为1.0%时，混凝土的28 d抗压强度为36.1 MPa，高于其他掺量组.相比之下，0%缓凝剂掺量组的28 d抗压强度为34.6 MPa，低于1.0%掺量组.这表明适量缓凝剂的掺入不仅能够延缓水泥的早期水化进程，还能为后期水化提供充足的反应时间，进而提升混凝土的长期强度.然而，1.2%缓凝剂掺量组的28 d抗压强度仅为30.1 MPa，较其他掺量组显著降低.这表明，过高的缓凝剂掺量可能会过度延缓水泥水化反应，导致水泥颗粒表面形成过厚的保护层，从而限制了水泥的有效水化，导致强度显著下降^［24］.

2.4 骨料级配变化对泵送混凝土坍落度影响

基于上述研究结果，探究了大粒径粗骨料取代率对混凝土经循环泵送后的坍落度影响规律，试验结果如图6所示.由于缓凝剂的加入，混凝土在循环泵送60 min后，坍落度值仍能保持200 mm以上.伴随泵送过程的持续进行，混凝土中骨料间的碰撞挤压及其与泵管间的摩擦作用增加，混凝土中的温度升高，水化作用加速，坍落度呈现下降趋势.此外，在泵送前，随着大粒径骨料取代率的增加，混凝土坍落度也发生了显著下降.这归因于大粒径骨料占比的增加会增大骨料间的接触面与空隙，从而需要更多浆体填充空隙，导致混凝土流动性下降.Aïssoun等的研究证实了骨料级配变化对混凝土流动性的影响^［25］.然而，当混凝土循环泵送90 min后，10%大粒径骨料取代率的混凝土坍落度值大于0%取代率的混凝土.这是由于混凝土在泵送过程中的碰撞挤压作用，易导致粗骨料破碎，混凝土中的骨料级配改变.而通过大粒径骨料取代的方法，可以实现泵送混凝土骨料级配优化，有效补偿混凝土泵送过程中因骨料破碎导致的级配变化^［26］，这在后续骨料级配分析中得到了验证.因而，10%大粒径骨料取代率的混凝土在循环泵送120 min后，坍落度值仍能达到145 mm，相较于0%取代率混凝土提升3.6%.

2.5 骨料级配变化对泵送混凝土扩展度影响

图7为大粒径粗骨料取代率对混凝土经不同循环泵送周期后扩展度的影响结果.如图所示，由于缓凝剂对水泥水化的抑制作用，混凝土扩展度在泵送初期呈现上升趋势.随着泵送的持续进行，混凝土内部温度升高，缓凝剂抑制作用减弱，混凝土扩展度迅速下降.试验结果表明，当大粒径粗骨料取代率为20%时，混凝土在泵送15 min后扩展度即达到峰值，而其余两组试样则需30 min泵送时间方可达到峰值．这一现象可归因于大粒径粗骨料对连续级配骨料的部分取代导致细颗粒含量降低，骨料体系空隙率增大，从而增强了浆体在骨料间的润滑作用，促使混凝土扩展度提升.值得注意的是，随着大粒径骨料取代率的提高，这种润滑效应愈加显著，表现为混凝土扩展度增长速率的明显加快.

然而，伴随泵送过程的持续进行，大粒径骨料占比较大会导致混凝土中的浆骨比下降，混凝土润滑层减少，扩展度下降较快.黎梦圆等的研究也证实，浆骨比的降低会对混凝土的流动性产生不利影响^［27］.在循环泵送90 min后，10%大粒径骨料取代率的混凝土扩展度值均大于其余两组，且即使经120 min循环泵送后，其扩展度值仍能达到260 mm.这一现象可解释为大粒径骨料对泵送过程中粗骨料破碎的“补偿效应”：大粒径粗骨料经泵送破坏后的骨料粒径可有效弥补常规粒径骨料因泵送破坏导致的级配劣化.因此，采用10%大粒径骨料取代连续级配粗骨料，可以有效改善泵送施工工艺对混凝土工作性能的不利影响.

2.6 骨料级配变化对泵送混凝土流变性能影响

图8显示了不同大粒径骨料取代率条件下，混凝土经循环泵送后的流变性能变化趋势.由图中屈服应力测试结果可见，当大粒径骨料取代率为0%时，混凝土屈服应力随着循环泵送时间的延长呈现先下降后上升的变化规律.在泵送初期（0~60 min），屈服应力从236.2 Pa下降至109.1 Pa，下降幅度达到53.8%，这表明缓凝剂的掺入有效延缓了浆体的早期水化进程，促进了颗粒重排，从而降低了混凝土初始抗剪切阻力.然而，泵送时间超过60 min后，屈服应力迅速上升至570.5 Pa.这是由于缓凝剂作用逐渐减弱，浆体结构加速形成，颗粒间黏结性增强，抗剪切阻力显著增加.当大粒径骨料取代率为10%时，混凝土在经历120 min循环泵送后，其屈服应力仅由238.4 Pa增加至352.6 Pa，增幅为47.9%，显著低于0%取代率试样组的141.5%.这说明适量大粒径粗骨料的引入可在一定程度上减缓泵送过程对粗骨料级配的扰动，从而有助于保持混凝土的流变稳定性.进一步提高大粒径骨料取代率至20%时，屈服应力由200.9 Pa增至507.7 Pa.该现象表明，在高取代率条件下，骨料体系内摩擦阻力显著增强，浆体对骨料的包裹与润滑效果减弱，导致屈服应力上升趋势加剧.

塑性黏度反映了混凝土流动过程中内摩擦力的变化.根据图8中的混凝土塑性黏度测试结果，当大粒径骨料取代率为0%时，混凝土在泵送初期受缓凝剂作用影响，保持较低的塑性黏度.但随着泵送时间延长至120 min后，塑性黏度由初始的26.4 Pa·s显著增加至61.3 Pa·s，增长幅度达132.2%.这一变化趋势表明，在连续泵送过程中，骨料破碎产生的细颗粒与水化产物的共同作用，增强了浆体的黏滞性，进而导致混凝土黏度增加.在取代率为10%时，塑性黏度的变化幅度相对较小，泵送120 min后由初始值59.6 Pa·s下降至47.5 Pa·s，降低幅度为20.3%.该结果表明，适量引入大粒径粗骨料在一定程度上优化了骨料级配，同时骨料破碎产生的细颗粒有效补偿了浆体润滑性的损失，使得塑性黏度较为稳定.当取代率进一步提高至20%时，混凝土塑性黏度在泵送75 min后快速增长，并在120 min后达到63.3 Pa·s.这可以解释为：一方面，大粒径骨料比例增加后，颗粒间嵌锁效应增强，浆体包裹和润滑能力不足，导致内摩擦力显著提高；另一方面，高取代率条件下骨料破碎加剧，产生大量细颗粒，进一步提升了浆体的黏滞性，进而导致塑性黏度明显上升.

与本研究不同，程飞等采用小粒径骨料（5~10 mm）以15%比例替代连续级配粗骨料，泵送后混凝土屈服应力与塑性黏度显著降低^［28］.该对比说明，不同粒径方向的骨料替代对泵送流变响应存在差异，进一步验证了骨料粒径对混凝土泵送性能调控的敏感性与复杂性．

2.7 骨料级配变化对泵送混凝土抗压强度影响

图9展现了不同大粒径骨料取代率对混凝土抗压强度的影响规律.根据图示结果，当大粒径骨料取代率为0%时，混凝土的7 d抗压强度为22.8 MPa.随着大粒径骨料的引入，混凝土的7 d抗压强度逐渐下降，具体表现为10%大粒径骨料取代率组的7 d抗压强度为21.7 MPa，而20%大粒径骨料取代率组的7 d抗压强度为20.0 MPa.这一趋势表明，泵送过程中，尽管大粒径骨料的引入有助于优化级配，但过多的大粒径骨料占比，会导致浆体对骨料的包裹不足，从而影响混凝土早期强度的发展.

然而，随着水化过程的持续进行，混凝土的28 d抗压强度展现出不同的变化趋势.10%大粒径骨料取代率组的28 d抗压强度为34.8 MPa，显著高于0%大粒径骨料取代率组的31.1 MPa，表明适量的大粒径骨料不仅能够发挥补偿效应，优化骨料的级配，减小水泥浆体中的空隙率，还能增强骨料间的嵌锁效应，从而有效提高混凝土的抗压强度.相比之下，20%大粒径骨料取代率组的28 d抗压强度为30.9 MPa，稍低于其他组，表明过高的大粒径骨料取代率可能导致骨料破碎过度，从而影响混凝土的密实性和抗压强度^［29］．

2.8 循环泵送对混凝土骨料级配影响

图10为混凝土泵送前与循环泵送120 min后的粗骨料颗粒级配变化.通过对比筛分结果可发现，泵送过程对粗骨料的粒径分布产生显著影响.在大粒径骨料取代率为0%时，粒径大于19.0 mm的粗骨料占比由24.4%下降至19.5%；当取代率为10%和20%时，该粒径范围骨料分别由32.2%降至26.3%、由39.9%降至32.2%.同时，小粒径骨料（如4.75 mm和2.36 mm）比例呈上升趋势，说明在长时间循环泵送过程中，粗骨料受到颗粒间挤压、碰撞及管道壁摩擦等多重作用，发生破碎，导致整体级配发生改变.这一现象与Choi等的研究结果一致^［29］.而引入大粒径骨料后，泵送引发的骨料破碎可得到一定程度的缓解，尤其在10%取代率条件下，补偿效应最为明显.相比之下，20%取代率下骨料内摩阻力加剧，反而降低了级配稳定性.该趋势与前述混凝土工作性能与流变性能变化规律相一致．因此，采用10%大粒径骨料取代连续级配粗骨料在泵送混凝土骨料级配优化中具有较优的效果.

3 结 论

1） 缓凝剂的加入可有效抑制水泥水化反应，保证混凝土良好的工作性能.试验结果表明，当缓凝剂掺量为1.0%时，混凝土静置6 h后的坍落度与扩展度分别达到175 mm和375 mm，工作性最优，且能保持较高的28 d抗压强度，说明该掺量为泵送混凝土缓凝技术的最佳缓凝剂掺量范围.

2）大粒径骨料部分取代连续级配粗骨料可优化骨料结构，有效减缓泵送过程中的颗粒破碎效应，从而提升混凝土的泵送稳定性.当大粒径骨料取代率为10%时，混凝土经循环泵送120 min后，坍落度、扩展度、屈服应力与塑性黏度分别为145 mm、260 mm、352.6 Pa和47.5 Pa·s，且28 d抗压强度仍能达到34.8 MPa，表明10%取代率为当前研究条件下的推荐方案．

3）混凝土缓凝技术与骨料级配优化的协同作用，可以有效保证混凝土在长时间泵送中的流动性与稳定性，具有良好的工程适用性，适合推广于高温或远距离泵送等对混凝土保塑性能要求较高的场景．

4）本研究在室内模拟条件下开展，尚未充分考虑现场施工复杂环境因素对缓凝性能与骨料破碎行为的综合影响，后续研究可进一步结合实际工程工况，探讨多因素耦合下泵送混凝土性能演化规律，以提升研究成果的适用性与工程指导价值.

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基金资助

新疆自治区重点项目(2022D01D27)

Xinjiang Autonomous Region Key Projects(2022D01D27)