随着我国社会经济的不断发展，为满足人们对活动空间及交通便利的需求，大跨度桥梁不断增多，钢混结构的高墩柱、高索塔柱的出现促使公路桥涵高性能混凝土泵送技术的发展。随着现在泵送施工应用越来越普及，工程现场泵送中也越来越频繁地出现“意外”情况，如堵泵、堵管、坍落度急剧损失、泵送阻力过高等，成为严重困扰混凝土生产与施工技术人员的问题^[1]。其原因，一方面是水泥混凝土向着高强度、低水胶比、多元胶凝材料和大流态方向发展，对泵送性能的影响越来越复杂^[1-2]；另一方面，高层泵送混凝土黏滞阻力大，泵送匀质性差，塑性黏度大，泵送压力大，堵泵堵管的现象也频繁，严重影响施工进度，造成建设成本的浪费^[3-4]。

新拌混凝土在泵压下沿输送管道流动的难易程度以及稳定程度的特性，其主要表现为流动性和内聚性^[5]，即失去应力作用后其具有凝聚性，不出现离析分层，当重新加以剪切应力，立刻恢复“流动”，保持良好的均质性。现今，实现高强度混凝土泵送的技术关键就是降低混凝土的黏度和摩擦阻力，保证其良好的工作性和匀质性能，不能出现分层离析现象^[6]。

高强混凝土的最大问题就是黏度大^{[1, 5-6]}。近10年，涌现出不少降黏矿物材料和外加剂，其中以引入硅质球形颗粒来降低黏度，效果较为明显。例如，深圳某公司微珠全部为表面光滑的正球状颗粒，在新拌混凝土体系起到“滚珠润滑”效应，减小水泥浆的剪切应力，降低黏度^[7-8]。蒲心诚认为^[9]，超细微硅灰粉具有一定增塑作用，可降低拌和物的黏度，减小泌水现象。为此，研究黏度改性剂对混凝土拌和物流变参数和匀质性能的影响，为今后桥梁工程高扬程混凝土泵送技术应用提供数据支撑。

水泥为北京某水泥厂生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰为唐山某电厂生产的F类Ⅰ级粉煤灰，粗骨料选用河北三河5~20 mm连续级配的石灰岩质碎石，细骨料采用北京某砂场天然中砂，细度模数为2.6，外加剂为江苏某公司聚羧酸高性能减水剂，黏度改性剂为深圳某公司的黏度改性剂(WZ)和北京某公司的复合黏度改性剂(VR)，拌和水为自来水。

WZ：它是由高温经急速冷却形成的微米级颗粒，其晶体形态为玻璃态，体积平均粒径为2.3 μm，d(0.5)(也称中值粒径)为1.98 μm，颗粒直径是水泥颗粒的1/10，绝大部分颗粒为正球形结构，具有良好的填充性能和较高的表面能，其化学性能见表 1。

VR：它是由包括微珠等多种材料复合而成的黏度改性剂，体积平均粒径为12.4 μm，d(0.5)为8.66 μm，其主要成分为微珠粉、吸水树脂、硅灰粉、粉煤灰和聚丙烯酰胺按照一定比例均匀混合的混合物。其主要成分及性能指标见表 2。

为了研究WZ与VR两种黏度改性剂对新拌混凝土流变参数和匀质性能的影响，设计了水胶比为0.24，初始坍落度为230 mm，28 d抗压强度为76.2 MPa的基准配合比。以此配比进行研究两种黏度改性剂的掺量(WZ和VR分别以0%，10%，20%，30%和40%取代水泥)对新拌混凝土的塑性黏度、屈服应力和分层度的影响，以及掺量对强度的影响，详见表 3所示。

为了直观地评价混凝土拌和物浆体的匀质性能，采用静置停放一定时间，粗骨料质量分层比率来表征混凝土拌和物的匀质性能。试验采用图 1模具装满混凝土后顶端刮平后，静置停放一定时间，然后将混凝土垂直方向上分为5层，清洗出混凝土中的粗骨料m₁，m₂，m₃，m₄和m₅。

图 1 分层模具示意图(单位：mm) Fig. 1 Schematic diagram of layered mould (unit:mm)

(1)

式中，D_t为用粗骨料质量表征混凝土静置停放t时间内的分层度，比值；m_i为自上而下第i层混凝土中粗骨料的质量，i取(1, 2, 3, 4, 5)；m为所有层中粗骨料质量的平均值。

使用时打开ICAR软件，取约25 L新拌混凝土，缓慢倒入容器，旋转振动3~5下后抹平，将叶轮插入新拌混凝土，进行设置不同速度的旋转。作用于叶轮上的相应于不同速度的扭力被记录下来，用于计算基本单位下的Bingham流变参数：塑性黏度和屈服应力^[10]。试验操作全部自动化，可在60 s内完成，外观详见图 2所示。另外，ICAR流变仪可用于应力增长试验监测和易性的维持状态和测量触变性。

图 2 ICAR流变仪 Fig. 2 ICAR rheometer

黏度改性剂具有调节混凝土拌和物流变特性的作用，图 3为WZ与VR两种黏度改性剂在不同掺量下对混凝土拌和物流变参数的影响规律。

图 3 黏度改性剂掺量对拌和物流变参数的影响 Fig. 3 Effect of viscosity modifier content on rheological parameters of mixture

由图 3可知，黏度改性剂随着掺量的提高，新拌混凝土的塑性黏度和屈服应力呈先减小后增大的规律。掺量大于30%时，屈服应力和塑性黏度均随着掺量增加而增大，其原因是由于WZ和VR的作用机理均是在新拌混凝土中引入正球形固体小颗粒，降低了浆体颗粒之间的摩擦阻力，使得混凝土拌和物剪切运动阻力更小，剪切稀化更容易；当过量微小颗粒引入打破了浆体悬浮粗集料的平衡点，造成粗集料下沉，ICAR流变仪测试时，叶片旋转阻力增大，导致塑性黏度和屈服应力增大。图 3(a)可见，当黏度改性剂掺量均＞20%时，混凝土拌和物塑性黏度均小于100 Pa·s，属于低黏度泵送混凝土^[4]。相同掺量条件下，WZ黏度改性性能优于VR，当掺入量达到30%时，掺入WZ混凝土拌和物黏度仅为30.2 Pa·s，是同掺量VR的一半；图 3(b)可见，掺入量小于30%时，二者塑性黏度基本相当，仅当掺入量大于30%时，VR屈服应力小于WZ。这与两种材料的性质有关，WZ几乎全为球形颗粒，而VR含有一定量的高吸吸水性微小颗粒，不易使得浆体黏度过低，导致离析现象。

为了模拟混凝土浇注间断对泵送性能的影响，本文采用新拌混凝土静停放置0 min(连续浇注)、30 min和60 min这3种方式，研究静停时间对拌和物屈服应力的影响，比较分析Y_{30 min}/Y_{0 min}和Y_{60 min}/Y_{0 min}比值(见图 4)。

图 4 静停时间对屈服应力的影响 Fig. 4 Effect of stall time on yield stress

从图 4可知，新拌混凝土的静停放置时间越长其屈服应力越大，这是由于无外力作用时，颗粒之间相互物理性点接触形成骨架结构，包括早期水化产物对颗粒接触点的化学黏结^[11]。化学黏结较弱时，重新施加剪切作用可以破坏点接触，恢复颗粒悬浮状态而降低屈服应力，对于低水胶比高黏度拌和物，浆体颗粒的凝聚速率可能会较高而呈现高触变性，即静置状态，屈服应力迅速增加。高触变性混凝土即使没有离析也会因为流动性损失大，增大泵送重新启动和恢复流动的难度^[12-14]。图 4(a)和图 4(b)可知，黏度改性剂可改善这种高触变性，当VR的掺量为40%时，静置60 min其屈服应力值是初始值的2.65倍，而同样掺量的WZ静置60 min其屈服应力值是初始值的4.62倍，可以说明，掺入VR材料的混凝土拌和物的触变性优于同掺量WZ材料。

综合分析，相同掺量下，WZ材料的对拌和物浆体黏度降低效果优于VR，但VR材料不仅可调节材料黏度，还可改善拌和物匀质性。长距离或高层泵送混凝土，并不是塑性黏度越低越好，而是存在一个合理范围，这个范围使得混凝土拌和物是一个触变性的黏性混合物，要避免过分降低浆体的黏度，从而破坏了浆体的匀质性能，增大泵送初始阻力。

高性能大流态泵送混凝土不仅具有较低的黏度，还具有较强的抗离析性能，即扰动抗分层性能。为此，研究不同掺量黏度改性剂的新拌混凝土装入分层度仪器，按照静置停放30 min和振动180 s测量其分层度值，试验结果见图 5。

图 5 黏度改性剂掺量及扰动方式对拌和物分层度的影响 Fig. 5 Effect of viscosity modifier content and disturbance mode on stratification of mixture

从图 5可知，VR的掺量为30%时，新拌混凝土静置停放30 min分层度仅为0.21，而同掺量的WZ新拌混凝土的分层度则为0.46，这说明，VR材料的扰动抗分层离析性能优于WZ材料，但这一特性随黏度改性剂掺量的增加而逐渐弱化，亦可理解为，VR改性材料不仅具有WZ降黏特性，还具有一定的抗离析性能，其原因是由于VR中复合一定量的聚丙烯酰胺，聚丙烯酰胺吸水后形成大分子的三维网状结构，促使拌和物浆体的浮力增加，另外复合的硅灰粉比表面积大，具有增稠作用，使混凝土拌和物浆体悬浮颗粒能力不因黏度降低而显著减小，保证体系的匀质性和稳定性。

对比图 4和图 5可知，静停时间和机械振动都会破坏拌和物浆体的匀质性能，且随着混凝土拌和物浆体塑性黏度进一步降低，其破坏作用越为显著，因此，进一步说明混凝土拌和物的黏度不宜过低，改性材料的掺量存在一个临界值，当超过临界值，拌和物浆体浮力急剧降低，骨料悬浮平衡破坏，粗骨料严重下沉黏滞力增大，分层显著。

表 4为2016年期间，某商品混凝土拌和站统计了163次不同强度等级混凝土的分层度、塑性黏度与泵送成功与否的汇总表，详见表 4和图 6所示。

图 6 黏度改性剂掺量及扰动方式对拌和物分层度的影响 Fig. 6 Effect of viscosity modifier content and disturbance mode on stratification of mixture

由统计表 4可知，工程应用发现，新拌混凝土静置停放30 min分层度≤0.3时，低强度等级混凝土拌和物泵送成功率较高，随着强度等级提高，分层度值可放宽至更大值，原因是高强度等级混凝土胶凝材料增加，即使分层度达到0.3，仍可形成一定厚度的泵送润滑层，实现顺利泵送完成。

数据采集了163组不同水胶比混凝土拌和物泵送的分层度和塑性黏度值，似乎可以建立关于塑性黏度与分层度的可泵送区间，表达方式为：[(0，塑性黏度)∩(0，分层度)]，由图 6数据可知，其中可泵送区间：[(0，170 Pa·s)∩(0，30%)]。

研究了黏度改性剂对混凝土硬化后抗压强度的影响，详见图 7所示。

图 7 黏度改性剂掺量对混凝土强度的影响 Fig. 7 Effect of viscosity modifier content on concrete strength

影响混凝土强度的主要因数是水灰比、胶材用量以及粗骨料强度，除此之外还与混凝土矿物掺合料有着密切关系^[15]。从图 7(a)可知，当WZ材料的掺量≤20%时，随着掺量提高7 d和28 d强度均提高，掺量＞30%时，则强度降低。这是因为微珠是高温急冷的优选粉煤灰，由表 1可见，WZ材料富含SiO₂和Al₂O₃，具有火山灰活性，其二次水化可改善混凝土孔结构，增加混凝土致密性和抗压强度。但是，掺入量过大，水化反应进程过慢，致使28 d强度偏低。对比图 7(b)可见，VR材料的增强效果优于ZW，其原因主要两个方面，一是由于VR复合20%的硅灰粉，火山灰反应的发生，使水泥中的片状Ca(OH)₂被大量吸收，使骨料周围充满致密的无定形的C—S—H相，从而使粗料与水泥石之间的界面过渡区得到明显改善，提高混凝土力学性能。另一方面，VR材料复合0.35%的SAP，它是一种高吸水树脂，吸水后以“小水囊”形式均匀分布，向混凝土内引入能够作为养护的水^[16-19]。SAP对水分的束缚力减缓了混凝土表面的水分挥发速率，当混凝土内部相对湿度下降的时候能缓慢向周围释水，补充混凝土内部水分消耗，使混凝土内部湿度能保持在较高水平，尤其为未产于反应水泥颗粒提供水化水，促进水化充分。

(1) 微珠黏度改性剂(WZ)和复合黏度改性剂(VR)均可调节混凝土拌和物浆体的塑性黏度、屈服应力和匀质性。研究发现，随着WZ和VR掺量的提高，新拌混凝土的塑性黏度、屈服应力和分层度值均呈先减小后增大的规律；掺VR黏度改性剂混凝土拌和物的抗离析性能优于掺WZ黏度改性剂，但这一现象随黏度改性剂掺量的增加而逐渐弱化。

(2) 当黏度改性剂(WZ或VR)掺量小于30%时，混凝土28 d抗压强度均大于空白样，但掺量大于30%时，28 d抗压强度均小于空白样。

(3) 工程应用表明，长距离或高层泵送混凝土，并不是塑性黏度越低越好，而是存在一个合理范围，这个范围使得混凝土拌和物是一个触变性的匀质的黏性混合物，根据应用统计分析，可采用塑性黏度与分层度的交集表示混凝土可泵区间，其表达式为：[(0，塑性黏度)∩(0，分层度)]。