增黏剂对新拌自密实混凝土性能及模板侧压力的影响

杨飞，赵翀，周伟，张永梁，盛建松，孔德玉，

（1.浙江宇博新材料有限公司，浙江 台州 318000；2.浙江工业大学 土木工程学院，浙江 杭州 310023；3.浙江加州国际纳米技术研究院台州分院，浙江 台州 318000）

自密实混凝土（SCC）具有流动性好，不经振捣而充分密实，不易发生分层、离析等特点[1]。工程实践表明，在大型工程结构中采用SCC可有效提高施工速度、缩短施工工期、降低工程造价[2]。然而，浇注速度加快也导致浇注完毕的SCC对模板产生的侧压力急剧增大，若设计不当，易造成模板损坏、结构变形，甚至爆模伤亡事故[3-4]。目前，国外对SCC浇注引起的模板侧压力急剧增大问题已给予了很大关注[5-9]，但国内相关系统研究还不多见，由于模板侧压力过大引起的桥梁施工模板爆裂事故仍时有发生，如2006~2010年在国内共发生7起铁路桥梁施工模板爆裂事故[3]。此外，据媒体报道，2017年8月吉安赣江特大桥19号墩、2019年4月佛山广明高速富湾大桥51号墩、2019年9月福厦铁路龙江特大桥11号墩、2019年11月天兴洲大桥铁路引桥10号桥墩等发生墩身灌注时模板爆裂的伤亡事故，其直接经济损失均高达数百万元。

影响模板侧压力的主要因素包括结构形状、尺寸和配筋情况等[5]，并与施工条件[5-6]和混凝土材料流变性能等[7]密切相关。如随浇注速率增大，SCC对模板的侧压力增大[5-6]；拌合物温度对初始侧压力影响不大，但其经时下降速率随温度升高而明显加快[6，8]；适当增加粗集料用量可降低最大模板侧压力，并加快侧压力下降速度[9]；SCC浇注一段时间后，会出现絮凝产物，其侧压力下降速度与絮凝产物可有效提高SCC剪切阻力（内摩擦和粘聚）有关[8]。此外，相关研究[7]也表明，增稠剂可使SCC具有良好的触变性，从而可增大模板侧压力的衰减速度。本研究选用一种低分子质量聚合物作为增黏剂，采用自制模板侧压力模拟测试装置[10-11]，研究了增黏剂对SCC用水泥净浆流变性能及SCC模板侧压力的影响。

1 实验

1.1 原材料

水泥：P·O52.5，海螺水泥厂生产，其物理力学性能如表1所示。粉煤灰：Ⅱ级，45μm方孔筛筛余13.0%，需水量比98.0%。细骨料：天然河砂，级配合格，细度模数2.8。粗骨料：5~20mm碎石，级配合格。减水剂：HG-PCA600聚羧酸高性能减水剂，固含量20%，减水率28.0%。低分子质量增黏剂：2种相对分子质量不同的聚合物PEG400和PEG800（代号分别为P4和P8），其中，P4为无色或者微黄色粘稠液体，化学纯（CP），密度为1.128 g/cm3，凝固点为4~8℃，与水混溶；P8为乳白色或微黄色类膏状固体，化学纯（CP），凝固点为24~27℃，与水混溶。蔗糖：作为缓凝剂，可延缓水泥的水化，减少由于水泥水化引起的混凝土坍落度损失。拌合水：自来水。

表1 P·O52.5水泥的物理力学性能

1.2 SCC配合比与流动性测试

按JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》进行配合比设计，计算得到初步配合比为m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（水）∶m（砂）∶m（石）=400∶100∶175∶794∶893，减水剂和蔗糖掺量分别为胶凝材料的1.5%、0.1%，P4和P8掺量分别为0.1%~0.4%，搅拌得到的自密实混凝土按JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》测试扩展度及扩展度损失。

1.3 流变性能测试

按自密实混凝土配合比制备水胶比为0.35的水泥净浆，为防止水泥净浆发生分层离析，将减水剂掺量减小为1.0%，蔗糖掺量保持不变。水泥净浆流变性能采用NXS－11A型旋转黏度计进行测试，测试时剪切速率固定为15.89s-1，测定其黏度随剪切时间的变化规律。

1.4 模板侧压力测试

采用自制SCC模板侧压力测试装置[10-11]（见图1）进行测试，其基本原理是通过向装置内加入的SCC表面施加气压的方法来对新拌SCC进行加载，通过调节气压，模拟施工后续浇注的SCC对已浇注SCC的荷载，其中橡胶膜的作用主要是传递压力，并防止气压通过SCC中的水分直接传递到压力传感器，导致所得结果与施加的气压相等，而无法测出SCC对模板实际侧压力的问题。

2 结果分析与讨论

2.1 增黏剂对水泥净浆流变性能的影响

图2为增黏剂掺量对水泥净浆初始黏度的影响。图3为增黏剂对水泥净浆在剪切速率为15.89 s-1时黏度经时变化曲线的影响。

由图2可以发现，虽然P4和P8作为增黏剂，但总体而言，掺P4和P8反而减小了水泥净浆的初始黏度。这可能与P4和P8属于可溶性有机高分子，其在水泥颗粒表面吸附可能对水泥净浆有一定减水效果有关。当掺量较大时，与掺P4相比，掺P8更有助于提高水泥净浆的初始流动性。

由图3可以发现，未掺增黏剂的水泥净浆呈明显的剪切变稀行为。掺P4和P8时，对水泥净浆的经时黏度变化和流变性能均有明显影响，水泥净浆的黏度经时变化较为复杂，且其变化规律受掺量的影响明显较大。掺0.1%~0.3%P4时，水泥净浆的黏度经时变化规律基本一致，其在剪切初期呈现明显的剪切变稀行为，但随剪切时间延长，水泥净浆逐渐呈剪切变稠行为。由图3（a）还可以发现，P4掺量在0.1%~0.3%范围内所得水泥净浆在剪切时间超过3 min后，其黏度均开始大于空白组水泥净浆，且随掺量增大，黏度逐渐增大。而当P4掺量达到0.4%时，水泥净浆流变特性与掺量为0~0.3%的水泥净浆明显不同。与空白组水泥净浆相比，其初始黏度反而较小，浆体在剪切初期也呈明显的剪切变稀行为，但随时间延长，浆体开始呈明显剪切变稠行为，随后又呈明显的剪切变稀行为和微弱的剪切变稠行为。剪切时间较长时，水泥净浆的黏度甚至低于掺0.2%和0.3%P4的水泥净浆。由图3（b）可以发现，掺P8对水泥净浆黏度经时变化和流变特性的影响更为显著，且其掺量对黏度变化规律的影响与掺P4时明显不同。掺0.3%P8时，水泥净浆流变特性和黏度经时变化规律与掺0.1%~0.3%P4时的变化规律相差不大。而掺0.1%P8时，所得水泥净浆流变特性和经时变化规律则与掺0.4%P4时类似，即剪切初期呈明显剪切变稀行为，随后呈明显剪切变稠行为，达峰值黏度后又呈明显剪切变稀行为，最后呈明显剪切变稠行为。掺0.2%和0.4%P8时，除在测试时间内浆体最终未能显现剪切变稠行为外，其余均与掺0.1%P8时类似，其原因可能与所用增黏剂P4和P8与水泥水化产物之间发生特殊的作用有关，有待进一步研究。

综合图2和图3可以看出，在水泥净浆中掺加增黏剂P4和P8并非立即发挥很明显的增黏作用，而是随水化时间延长，增黏效果逐渐增强，且P8对水泥净浆的增黏效果优于P4。

2.2 增黏剂对SCC流动性的影响（见表2）

表2 增黏剂对SCC扩展度及经时损失的影响

由表2可见，掺P4导致新拌SCC初始扩展度略有下降，掺P8则导致SCC初始扩展度略有增大，两者对SCC初始扩展度的影响有所不同，其原因可能是由于SCC搅拌与扩展度测试所需时间较长，在搅拌和测试时间内，P4和P8已开始发挥一定的增黏作用，但P8在水泥颗粒表面吸附可发挥较好的减水效果所致。

然而，由表2可以发现，与掺P4相比，虽然掺P8的SCC初始扩展度较大，但静置20 min后测得的扩展度却较小，即掺P8导致其静置20 min后的扩展度损失较大。由此进一步表明，P4和P8作为增黏剂其增黏效果并非立即发挥作用，而是随时间延长其增黏作用逐渐增大，且P8的增黏作用大于P4的增黏作用。

2.3 增黏剂对SCC模板侧压力的影响

表3为增黏剂对实测初始模板侧压力的影响，其中模板侧压力测试时所施加气压换算成理论静水压力为0.184 MPa。

表3 增黏剂对SCC实测初始模板侧压力的影响

由表3可见，与未掺增黏剂相比，掺P4和P8对减小SCC初始模板侧压力均具有不利影响，仅在P8掺量为0.4%时其初始模板侧压力最小。

图4为增黏剂P4对SCC模板侧压力衰减速度的影响。

由图4（a）可以发现，P4掺量对模板侧压力衰减速度的影响无明显规律，与未掺增黏剂时相比，掺量为0.1%、0.2%的SCC模板侧压力衰减速度均明显较大，但两者衰减速度基本相近；掺量为0.3%的SCC模板侧压力衰减速度最大，但掺量为0.4%时的SCC模板侧压力衰减速度又明显下降，甚至低于掺量为0.1%和0.2%的SCC。

由图4（b）可以发现，与掺P4类似，总体而言掺P8有助于加快SCC模板侧压力的衰减速度，但其掺量对模板侧压力衰减速度的影响规律也不明显。同时，对比图4（a）和（b）可以发现，虽然掺P8对水泥净浆具有更好的增黏效果，但其对加快SCC模板侧压力衰减速度的效果却不如掺P4，尤其是当P4掺量为0.3%时其侧压力衰减速度显著，其原因目前还有待进一步研究。

3 结论

（1）掺P4和P8对水泥净浆流变特性的影响显著。未掺增黏剂时，水泥净浆呈典型的剪切变稀行为；掺P4和P8后，水泥净浆黏度经时变化规律较为复杂，随剪切时间延长，一般先呈剪切变稀行为，再呈剪切变稠行为，达黏度峰值后，再呈剪切变稀行为，最后又呈剪切变稠行为，其流变特性变化与掺量有关。

（2）掺P4和P8对SCC的初始扩展度影响较小，但两者均导致SCC20 min扩展度损失有所增大，掺P8时所得SCC20 min扩展度损失更明显。模板侧压力测试表明，掺P4和P8对减小SCC初始模板侧压力有不利影响，但两者均可有效加快模板侧压力的衰减速度。