C60自密實(shí)鋼管柱頂升混凝土配合比設(shè)計(jì)及施工研究

劉國(guó)華，王海波

（1.北京市朝陽(yáng)田華和眾商品混凝土攪拌站，北京 100022；2. 北京市高強(qiáng)混凝土責(zé)任有限公司，北京 110000）

C60自密實(shí)鋼管柱頂升混凝土配合比設(shè)計(jì)及施工研究

劉國(guó)華1,2，王海波2

（1.北京市朝陽(yáng)田華和眾商品混凝土攪拌站，北京 100022；2. 北京市高強(qiáng)混凝土責(zé)任有限公司，北京 110000）

本文結(jié)合西門(mén)子總部辦公樓工程項(xiàng)目實(shí)際，采用北京市場(chǎng)現(xiàn)有優(yōu)質(zhì)的原材料，依照自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)規(guī)程，設(shè)計(jì)并優(yōu)化配合比，制備出滿足輸送和頂升施工要求的鋼管柱混凝土，為鋼管混凝土順利施工和工程質(zhì)量提供了保證；采用 YS 和HCSA 等膨脹劑對(duì)比技術(shù)方案降低混凝土收縮，使混凝土與鋼管柱緊密結(jié)合，達(dá)到了發(fā)揮鋼管柱混凝土的最佳效用。

鋼管柱；自密實(shí)；HCSA；頂升

0　前言

鋼管柱混凝土是由混凝土填入鋼管內(nèi)而形成的一種新型的組合結(jié)構(gòu)，鋼管內(nèi)不再綁扎鋼筋，承載力高，耐火耐腐蝕性能好。它利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過(guò)程相互之間的組合，發(fā)揮彼此的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)彼此的缺點(diǎn)，因而具有良好的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性。

鋼管混凝土一般采用從上至下的高拋澆筑施工方法，很少采用泵送頂升，主要是因?yàn)閷?duì)頂升設(shè)備和混凝土的性能要求比較高。但是頂升混凝土不需要振搗，可節(jié)省大量的混凝土用工和機(jī)械，由于混凝土逆向澆筑，從下方進(jìn)入的混凝土要克服已經(jīng)澆筑的混凝土的阻力，會(huì)使混凝土更加密實(shí)，比傳統(tǒng)施工工藝澆筑的混凝土密實(shí)均勻，克服了高拋澆注混凝土出現(xiàn)混凝土勻質(zhì)性差等問(wèn)題。鋼管柱應(yīng)用中的頂升混凝土一般均采用自密實(shí)混凝土，本文就“如何設(shè)計(jì)高強(qiáng)度等級(jí)的性能優(yōu)越的自密實(shí)混凝土配合比，提高施工質(zhì)量”和“在解決鋼管混凝土的剪切研究中如何讓鋼管壁與混凝土結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合，提高整體性能，克服環(huán)境等外部因素的變化以及干擾”這兩個(gè)問(wèn)題通過(guò)試驗(yàn)予以探討分析。

北京望京的西門(mén)子（中國(guó)）總部大樓是北四環(huán)外一座新的地標(biāo)性的建筑，總建筑面積 6 萬(wàn)平方米，地上 30 層，地下2 層，屬于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)與剪力墻混合結(jié)構(gòu)，從主樓地面一層開(kāi)始結(jié)構(gòu)外圍框架結(jié)構(gòu)豎向受力構(gòu)件為 20 根鋼管混凝土柱，直徑從 1000mm、900mm、800mm、700mm 逐漸減小，內(nèi)部填充素混凝土，混凝土強(qiáng)度等級(jí) 20 層以下為 C60，20 層以上為 C50。鋼管混凝土柱根據(jù)結(jié)構(gòu)樓層每二至三層制作成一節(jié)，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行吊裝安裝。為了在保證施工質(zhì)量和進(jìn)度的同時(shí)確保鋼管混凝土的澆筑質(zhì)量，保證混凝土與鋼管壁接觸緊密，施工前期對(duì)鋼管混凝土的澆筑工藝進(jìn)行了多種研究和分析，最終決定采用泵送頂升的混凝土施工工藝。本文將結(jié)合此工程實(shí)例來(lái)探討以上兩個(gè)問(wèn)題的解決方法。

1　混凝土試驗(yàn)

1.1原材料

（1）水泥：選用北京拉法基·順發(fā) P·O 42.5 水泥，試驗(yàn)結(jié)果如表 1 所示。

表1　水泥的物理力學(xué)性能

（2）粉煤灰：選用山東德州華能電廠Ⅰ級(jí)灰，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 2。

表2　粉煤灰的性能

（3）礦渣粉：選用首鋼嘉華 S95 級(jí)?；郀t礦渣粉，試驗(yàn)結(jié)果列于表 3。

表3　礦渣粉的試驗(yàn)結(jié)果

（4）膨脹劑：選用天津巖帥膨脹劑有限公司的 YS 和天津豹鳴股份有限公司的 HCSA 兩種膨脹劑，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如表 4。

表4　膨脹劑的試驗(yàn)結(jié)果

（5）外加劑：減水劑亦選用兩個(gè)對(duì)比品種及品牌，一種選用北京瓊漿外加劑有限公司的 QJB 泵送劑，另一種選用天津雍陽(yáng)減水劑股份有限公司的 UNF-5AST，其試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表 5 所示。

表5　減水劑的試驗(yàn)結(jié)果

（6）砂、石：砂采用河砂，碎石采用密云首云5～20mm 尾礦石，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 6。

表6　砂石骨料的性能

1.2C60自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.2.1配合比試驗(yàn)參數(shù)的確定

自密實(shí)混凝土的工作性能是研究的重點(diǎn)，需要從流動(dòng)性、抗分離性、間隙通過(guò)性、填充性 4 個(gè)方面統(tǒng)一考慮，解決流動(dòng)性和抗分離性的矛盾，從而提高間隙通過(guò)能力和填充性。此外，還要解決混凝土的高工作性與硬化混凝土力學(xué)和耐久性能的矛盾。

混凝土的漿骨比和砂率值對(duì)工作性能有很大的影響，漿骨比越大流動(dòng)性越好，但是過(guò)大對(duì)于混凝土硬化后的體積穩(wěn)定性不利，混凝土收縮值增大，硬化后的體積穩(wěn)定性變差，所占體積比率最佳范圍是 35%～45%，可使混凝土具有良好的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能；砂率適宜，粗骨料周?chē)銐虻纳皾{，不宜在間隙處聚集而影響填充和密實(shí)效果，為提高拌合料通過(guò)間隙的能力，砂率值宜為45%～52%，此處取低值，如果砂含石配合比應(yīng)經(jīng)過(guò)調(diào)整。

由于泵程較高，強(qiáng)度等級(jí)高，流動(dòng)性指標(biāo)按照 SF2 設(shè)計(jì)，采用絕對(duì)體積法進(jìn)行計(jì)算。為控制混凝土收縮值，應(yīng)首先采用控制膠凝材料總量不超過(guò) 550kg/m3，因此單方的自密實(shí)混凝土膠凝材料總量直接取上限不超過(guò) 550kg。避免因粗骨料體積過(guò)小造成混凝土彈性模量及力學(xué)性能降低，增大收縮開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，粗骨料密實(shí)體積亦取上限。已知該骨料的密度，可以計(jì)算出粗骨料的重量，剩余為空氣（一般以10L 計(jì)）體積和砂漿密實(shí)體積。C60 自密實(shí)高性能混凝土水膠比宜選用 0.28～0.32。由于按照公式計(jì)算水膠比摻合料種類(lèi)較多，結(jié)合以往普通混凝土試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取單一水膠比為0.30。

1.2.2配合比的確定

主要圍繞工作性能和強(qiáng)度來(lái)初步選定配合比思路，采用單一水膠比的“摻粉煤灰+內(nèi)摻膨脹劑”，“粉煤灰+礦渣粉+膨脹劑”，普通膨脹劑摻量定為 12%，HCSA 摻量定為 8%來(lái)判定與外加劑及水泥適應(yīng)性，只考慮不同摻合料比例的混凝土工作性能，而不考慮不摻加膨脹劑的方案。QJB 外加劑中復(fù)配氨基磺酸鹽和保塑組分，UNF-5AST 復(fù)配保坍組分，復(fù)配配方按照實(shí)際情況進(jìn)行不斷微調(diào)。設(shè)計(jì)配合比如表 7。

表7　混凝土配合比

本項(xiàng)目的混凝土涉及到高層泵送以及考慮到屬于素混凝土范圍，測(cè)試項(xiàng)目擬定為 V 漏斗通過(guò)時(shí)間、填充性、坍落度、擴(kuò)展度、強(qiáng)度、泌水。因?yàn)殇摴苤鶠槿蚰０逑拗茽顟B(tài)下養(yǎng)護(hù)的補(bǔ)償收縮混凝土[1]，所有抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試體制作按照GB/T 50081－2012《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》第三章、第五章進(jìn)行，用鋼模裝入，為減小尺寸效應(yīng)全部采用150mm×150mm×150mm 試模成型，裝入混凝土之前確認(rèn)模型擋塊不松動(dòng)，裝入混凝土后無(wú)需振搗和插搗。試體帶模在濕潤(rùn)狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。為保持潤(rùn)濕狀態(tài)，將試體表面覆蓋濕布等。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 8。

表8　混凝土試驗(yàn)結(jié)果

表 8 數(shù)據(jù)顯示，流動(dòng)性最好的是 1 號(hào)和 4 號(hào)配合比，強(qiáng)度最好的是 3、4、7 號(hào)配合比；摻加 HCSA 配合比流動(dòng)度等較摻加 YS 的差，但是強(qiáng)度要高；摻加礦渣粉的配合比混凝土強(qiáng)度和狀態(tài)一般。7 號(hào)配合比強(qiáng)度高可能與成型有關(guān)。

為了測(cè)定混凝土干縮率，在摻“粉煤灰+膨脹劑”的方案基礎(chǔ)之上調(diào)整混凝土配合比：以“粉煤灰+膨脹劑”配合比作為主要配合比，對(duì)比混凝土干縮率。①調(diào)整 HCSA 的摻量分別為 8%，10%，12%；②YS 摻量不變 12%；③對(duì)比一組礦渣粉干縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)；④對(duì)比萘系減水劑與聚羧酸減水劑的干縮率?；炷僚浜媳纫?jiàn)表 9，對(duì)應(yīng)的混凝土 7d、14d、28d 空氣中干縮率試驗(yàn)及 14d 水中限制膨脹率結(jié)果見(jiàn)表 10。

1.2.3試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

摻加普通 UEA 的混凝土在水膠比較低時(shí)難以達(dá)到補(bǔ)償收縮的作用，高強(qiáng)度等級(jí)混凝土早期強(qiáng)度較高、水化熱高、密實(shí)度好、早期強(qiáng)度過(guò)高，也導(dǎo)致 UEA 有效潛能發(fā)揮不出來(lái)。摻加 HCSA 的混凝土當(dāng)摻量達(dá)到 8% 以上時(shí)效果比較突出。摻加礦粉的補(bǔ)償收縮混凝土在水膠比較低時(shí)會(huì)降低混凝土收縮率，在這里未做更多的試驗(yàn)。摻加 QJB 外加劑的收縮率較摻加 UNF-5AST 的混凝土收縮率大，與相關(guān)的研究結(jié)果觀點(diǎn)基本一致，常粉玲[2]等認(rèn)為按照 GB/T 50082－2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》中平板刀口約束法試驗(yàn)，水泥砂漿自收縮萘系大于聚羧酸聚羧酸減水劑，而推薦摻量范圍內(nèi)聚羧酸減水劑的摻量對(duì)水泥砂漿自收縮和干燥收縮影響不大[2]?？梢钥闯鲈谘a(bǔ)償收縮方面起主要作用的還是膨脹劑，其他材料對(duì)高強(qiáng)度的混凝土干縮率未有明顯的改變。由表 11 可以看出混凝土摻加膨脹劑的水中限制膨脹率也比較大。因此采用 48-4 配合比作為鋼管柱混凝土的配合比。

表9　用于測(cè)定干縮的混凝土配合比

表10　混凝土干縮試驗(yàn)結(jié)果

表11　實(shí)際生產(chǎn) C60 自密實(shí)配合比

1.2.4配合比復(fù)驗(yàn)

實(shí)際生產(chǎn)選用的 C60 自密實(shí)混凝土性能見(jiàn)表 12。

表12　混凝土實(shí)測(cè)性能

表 12 數(shù)據(jù)顯示，C60 自密實(shí)混凝土坍落度 260mm 左右，擴(kuò)展度 660mm。一小時(shí)坍落度損失為 0mm；3d、7d、28d 強(qiáng)度分別達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的 63%、98% 和 127%，強(qiáng)度性能滿足設(shè)計(jì)要求。

2　頂升混凝土澆筑

2.1頂升澆筑法

頂升澆筑法主要利用液體的原理。第一步是配制類(lèi)似于液體的流動(dòng)性混凝土，然后將混凝土泵管直接與鋼管柱根部相連，通過(guò)泵壓把混凝土泵入鋼管內(nèi)部。實(shí)現(xiàn)鋼管內(nèi)混凝土的頂升灌筑，必須滿足以下條件：①盡量增加混凝土的流動(dòng)性。②合理地在空腔的隔板設(shè)置流漿孔。③留置一些排氣孔，使鋼管柱每個(gè)空腔內(nèi)壓力相同，并保證空氣排出。④ 泵壓能夠滿足頂升要求；⑤對(duì)鋼管的承壓能力進(jìn)行驗(yàn)算，必要時(shí)采取加固措施。

2.2頂升混凝土施工工藝

在鋼管柱、梁安裝校正完畢，梁柱節(jié)點(diǎn)連接牢固，作業(yè)面壓型鋼板安裝完畢后可開(kāi)始進(jìn)行泵送施工。施工時(shí)要注意工作的連續(xù)性，同一根鋼管混凝土柱管內(nèi)的混凝土要持續(xù)到頂端溢出混凝土為止。泵送時(shí)除有特殊要求，不需振搗混凝土以防堵管。進(jìn)料短管管口以下部分的混凝土靠自由下落填滿，可在鋼管柱外部振搗以保證混凝土自然密實(shí)，時(shí)間控制在一分鐘以上。頂升過(guò)程中，專(zhuān)門(mén)人員對(duì)泵送壓力及和實(shí)際頂入的混凝土量進(jìn)行記錄，并和理論混凝土量進(jìn)行比較。為減少頂升摩擦力，在頂升混凝土的同時(shí)，可以采用從鋼管柱頂部溢流孔或排氣孔向鋼管柱內(nèi)注入適量的相同配合比的水泥砂漿潤(rùn)滑管壁，直至頂升結(jié)束。

2.3混凝土生產(chǎn)和養(yǎng)護(hù)

2.3.1混凝土生產(chǎn)注意事項(xiàng)

①原料控制應(yīng)嚴(yán)格按照試配原料質(zhì)量和來(lái)源進(jìn)貨，不能更改原材料。

②攪拌時(shí)間：不能少于 1.5min，攪拌時(shí)間比普通混凝土延長(zhǎng)。

③攪拌時(shí)投料順序采用水泥裹砂、石的二次投料[3]。

④澆筑時(shí)間：不宜在大氣溫度最高時(shí)澆筑，最好在傍晚或者夜間澆筑。

2.3.2混凝土養(yǎng)護(hù)等注意事項(xiàng)

①不宜用水沖淋鋼管柱壁。

②現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)禁加水，二次添加外加劑需經(jīng)過(guò)批準(zhǔn)。

③澆筑速度：控制混凝土澆筑的連貫性，接管換管等時(shí)間要縮短，最好在 20min 以內(nèi)，使混凝土勻質(zhì)性好，不能離析。和易性要好，要易于澆筑。

④成型后立即將柱子包裹，以便降低表里溫差。

2.4檢測(cè)

檢測(cè)依據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》（CECS 28）和《建筑工程施工質(zhì)量檢標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50300）進(jìn)行。鋼管混凝土混凝土澆筑質(zhì)量可以采用鐵件敲擊鋼管的方法進(jìn)行初步檢測(cè)，若有異常非沉悶的聲音，應(yīng)采用超聲波檢測(cè)手段，對(duì)于不密實(shí)的部位，應(yīng)采用鉆孔補(bǔ)漿的方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，然后將鉆孔補(bǔ)焊封閉。

2.5應(yīng)用效果

工程應(yīng)用中，我們加強(qiáng)生產(chǎn)管理和跟蹤，混凝土到現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)展度 660mm，28d 實(shí)際抗壓強(qiáng)度按照帶模養(yǎng)護(hù)法抗壓強(qiáng)度均值為 70MPa，經(jīng)業(yè)主和施工方的檢測(cè)，混凝土和鋼管壁緊密結(jié)合，效果良好。

4　結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)配合比的優(yōu)化，采用雙摻“粉煤灰+膨脹劑”和復(fù)配外加劑生產(chǎn)的混凝土，很好地提高了自密實(shí)混凝土的施工性能，工程實(shí)踐證明該混凝土具有良好的施工性能。

（2）摻加“粉煤灰+HCSA 膨脹劑”及聚羧酸外加劑的混凝土配合比可以有效地克服混凝土收縮，使混凝土和鋼管柱緊密結(jié)合。

[1] 趙順增，劉立．HCSA 高性能膨脹劑及其混凝土性能的研究[M]．中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院，2007.5 附錄 A.

[2] 常粉玲，管宗甫．高效減水劑對(duì)水泥基材料收縮開(kāi)裂的影響研究[J]．混凝土技術(shù)，2012,6：8．

[3] 韓素芳，王安嶺．混凝土質(zhì)量控制手冊(cè)[M]．化學(xué)工業(yè)出版社．

［通訊地址］北京市朝陽(yáng)區(qū)大郊亭橋東石門(mén)村（100022）

劉國(guó)華（1974—），工程師，北京市朝陽(yáng)田華和眾商品混凝土攪拌站總工程師。