武漢中心C70鋼管自密實混凝土試驗與工程應(yīng)用

龐二波，王艷，張恒春，夏大回，葛文強，岳建男

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

鋼管混凝土是利用鋼管和混凝土在受力過程中的組合作用，通過鋼管對核心混凝土的約束，使核心混凝土處于三向應(yīng)力狀態(tài)下，從而增強混凝土的強度和塑性變形能力；同時由于核心混凝土的存在可以延緩或避免外部鋼管過早發(fā)生局部屈曲，從而保證各部分材料性能的發(fā)揮[1]。因此，鋼管混凝土被認為是高層建筑和橋梁工程中比較理想的建筑材料。

武漢中心項目位于漢口王家墩 CBD 區(qū)，主樓建筑高度408m，結(jié)構(gòu)為巨型框架—鋼筋混凝土核心筒—外伸臂支撐結(jié)構(gòu)形式，共 16 根鋼管柱，直徑為 1500～3000mm，鋼管柱內(nèi)設(shè)有橫向加勁板，導致澆筑時鋼管內(nèi)混凝土不易振搗，施工難度大。為保證鋼管混凝土的施工質(zhì)量，采用 C70 自密實混凝土，澆筑方式采用高拋法。對混凝土性能的具體要求為：設(shè)計強度 C70，28d 抗壓強度達 84MPa；混凝土和易性良好，具有高流動性，不離析泌水；初始坍落度 ≥250mm，擴展度（650±50）mm，倒筒時間＜10s，2h 坍落度保留值≥240mm，擴展度保留值≥600mm，II 型 U 型箱試驗填充高度 330～340mm；鋼管內(nèi)混凝土密實，無空洞缺陷，混凝土與鋼管粘結(jié)良好，無可見縫隙。

1 試驗原材料

結(jié)合該工程混凝土的攪拌站生產(chǎn)特點，可供選擇的原材料品種為：

水泥：A 廠家 P·O42.5 和 B 廠家 P·O42.5，性能指標見表1；

粉煤灰：麻城 I 級，細度 7%，燒失量 3.5%，需水量比94%；

礦粉：亞東 S95，比表面積 410m2/kg，密度 2.78×103kg/m3，28d 活性指數(shù) 98%；

砂：細度模數(shù)為 2.6～2.8 的岳陽中粗河砂；石：陽新5～20mm 連續(xù)級配石灰?guī)r碎石，性能指標見表 2；

外加劑：中建商品混凝土有限公司新型建材廠生產(chǎn)的聚羧酸高效外加劑，固含量 20%，減水率 32%；

水：自來水。

表1 水泥性能指標

表2 粗骨料性能指標

2 確定水泥品種

2.1 水泥水化溫升

武漢中心 C70 鋼管柱直徑在 1500mm 以上，屬于高強大體積混凝土，需要考慮混凝土自身因膠凝材料水化引起的溫升特點，盡可能降低大體積混凝土的絕熱溫升[2]。不同品牌水泥的水化放熱量和水化放熱速率存在差異，水灰比為 0.23 和0.35 的水泥凈漿，將凈漿體系放入近似直接法測水化熱的儀器中采集溫度，測得 A 廠家 P·O42.5 水泥和 B 廠家 P·O42.5水泥的水化溫升曲線。圖 1 為水灰比 0.23 的水化溫升曲線；圖2 為水灰比 0.35 的水化溫升曲線（圖 2 中 0.35-1 表示水灰比為 0.35，同時，摻入了 1.0% 的外加劑）。

圖1 水灰比 0.23 的水化溫升曲線

圖2 水灰比 0.35 的水化溫升曲線

2.2 水泥與外加劑適應(yīng)性

考察兩種水泥水化放熱差異之外，尚需結(jié)合預(yù)拌混凝土生產(chǎn)特點，檢驗水泥與外加劑的適應(yīng)性，確保適應(yīng)性良好，確保拌合的混凝土工作性經(jīng)時損失小，以利于工程施工。

采用原材料選擇中的聚羧酸外加劑，分別與兩種水泥進行凈漿流動度試驗。圖 3 為凈漿流動度試驗，圖 4 為凈漿流動度經(jīng)時損失。

圖3 水泥凈漿流動度

圖4 凈漿流動度經(jīng)時損失

從圖 3 中可見，兩種廠家水泥的凈漿流動度存在差異，在相同外加劑摻量下，A 廠家水泥的凈漿流動度小于 B 廠家的凈漿流動度，但是差異不大；圖 4 表明，在外加劑摻量為 1.2% 時，兩種水泥的初始凈漿流動度分別為 A 廠家水泥為 300mm，B 廠家水泥為 280mm，1h 凈漿流動度表現(xiàn)為 A廠家減小至 235mm，減小率為初始流動度的 17%，B 廠家水泥凈漿流動度無損失，2h 凈漿流動度分別為 A 廠家水泥減小至 200mm，減小率為初始流動度的 29%，B 廠家水泥減小至290mm，減小率為初始流動度的 3%。因此，可確定 B 廠家水泥與外加劑適應(yīng)性比 A 廠家水泥適應(yīng)性優(yōu)。

從水泥水化溫升和水泥與外加劑適應(yīng)性試驗，可以確定選擇 B 廠家水泥比 A 廠家水泥進行混凝土配合比設(shè)計具有更佳的經(jīng)濟性和適用性。

3 試驗

3.1 試驗內(nèi)容與試驗方法

在進行了一系列配合比設(shè)計后，確定了性能穩(wěn)定、經(jīng)濟合理的配合比，其中膠凝材料的用量為 580～610kg/m3，水泥用量為 350～420kg/m3，砂率為 44%，水膠比為 0.22～0.23，外加劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的 2.0%～2.8%。

從備選配合比中選擇一組配合比開展配合比工作性、強度驗證和自收縮測試。

結(jié)合 C70 鋼管混凝土特點，制定試驗內(nèi)容，測試項目包括：混凝土工作性及經(jīng)時損失、II 型 U 型箱通過能力、抗壓強度（采用 100mm×100mm×100mm 試塊）和自收縮規(guī)律。

混凝土工作性及經(jīng)時損失測試；II 型 U 型箱通過能力測試；抗壓強度測試依據(jù) GB/T 50081-2002 《普通混凝土力學性能試驗方法標準》執(zhí)行；自收縮測試依據(jù) GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》執(zhí)行。

其中自收縮測試，分別采用占膠凝材料總量 6% 的HCSA 取代基準配合比的粉煤灰、礦粉，同時取代粉煤灰和礦粉，對比試驗各方案的自收縮差異。

3.2 結(jié)果及分析

表3 為混凝土工作性測試結(jié)果；圖 5 為 14d 強度均勻性驗證圖；圖 6 為 28d 強度均勻性驗證圖；圖 7 為 14d 和 28d平均強度圖；圖 8 為 28d 自收縮曲線。

表3 混凝土工作性測試 mm

從表 3 中可見，試驗驗證的 C70 鋼管自密實混凝土初始坍落度為 260mm、擴展度 700mm、倒筒時間 8.6s、通過 II 型U 型箱滿足工程要求；2h 坍落度無損失，擴展度為 690mm，工作性幾乎無損失。滿足工地現(xiàn)場實現(xiàn)自密實及泵送效果。準立方體試塊強度可達到 92.7MPa，強度富余比普通等級混凝土高，可保障生產(chǎn)混凝土供應(yīng)質(zhì)量。

圖5 14d 強度均勻性驗證

圖6 28d 強度均勻性驗證

圖7 14d 和28d 平均強度

圖8 28d 自收縮曲線

混凝土自收縮試驗結(jié)果見圖 8，從圖 8 中可見，基準配合比 28d 自收縮為 400×10-6。在室內(nèi)小試件試驗中，C70 混凝土內(nèi)摻 6% 的 HCSA 膨脹劑可有效減小混凝土的自收縮。然而，克萊洛夫曾用高溫 X 射線法研究了鈣礬石在干熱條件下的變化，指出在 50℃ 時出現(xiàn)無水石膏，證明鈣礬石已分解[4]。由于 C70 高強混凝土水膠比小，強度高，澆筑于工程結(jié)構(gòu)后，自身水化導致內(nèi)部相對濕度下降，同時，在夏季澆筑可使混凝土內(nèi)部溫度高達 70℃ 以上，可能導致生成的鈣礬石分解，而失去抑制自收縮的性能。廈門怡山商業(yè)中心項目工程[5]未摻入膨脹劑，采用預(yù)埋測管經(jīng)超聲波檢測表明，鋼管柱內(nèi)部的混凝土結(jié)構(gòu)密實，無裂縫、缺陷。因此，在本工程中未摻入 HCSA 膨脹劑。

4 工程應(yīng)用

2012 年 4 月，陸續(xù)供應(yīng) C70 鋼管自密實混凝土方量約700m3。澆筑過程中，相關(guān)技術(shù)人員嚴格執(zhí)行試驗過程中的技術(shù)措施，取得了良好的施工效果，現(xiàn)場檢測混凝土拌合物工作性能均符合要求，28d 抗壓強度達到設(shè)計指標，鋼管柱內(nèi)部的混凝土結(jié)構(gòu)密實，無裂縫、缺陷。

5 結(jié)論

（1）通過對水泥水化溫升及與外加劑適應(yīng)性試驗，確定了水化溫升低、與備用外加劑適應(yīng)性好的水泥品種。

（2）通過對備選配合比的工作性、力學性能和自收縮特性試驗，確定了滿足工程需要的混凝土配合比。試驗配合比的工作性良好，能通過II型U型箱，100mm×100mm×100mm試塊 28d 平均強度達 103.1MPa，28d 自收縮率為 400×10-6。

（3）實施效果表明，通過水泥品種篩選、原材料準備、配合比設(shè)計和相關(guān)性能研究，可保障 C70 鋼管自密實混凝土滿足設(shè)計和施工要求。

[1]尚作慶. 鋼管自應(yīng)力自密實混凝土柱力學性能研究[D]. 大連理工大學，2007.

[2]胡永. 柳州三門江大橋大體積混凝土溫度控制技術(shù)[J]. 鐵道工程學報，2009(7):62-66.

[3]高志揚等. 高強混凝土抗壓強度尺寸效應(yīng)綜述[J]. 混凝土，2011(5):33-35.

[4]趙順增，游寶坤. 補償收縮混凝土裂滲控制技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[5]楊善順. C60 高拋鋼管自密實混凝土的研究及應(yīng)用[J]. 混凝土與水泥制品，2010(3):16-19.