自密實(shí)微膨脹鋼管混凝土的應(yīng)用

宋德強(qiáng)（中山市東峻混凝土有限公司）

自密實(shí)微膨脹鋼管混凝土的應(yīng)用

宋德強(qiáng)
（中山市東峻混凝土有限公司）

隨著建筑技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，高層超高層建筑和大跨徑結(jié)構(gòu)越來(lái)越多，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)由于其具有承載力高、塑性好、韌性高、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)已在高層超高層建筑和大跨徑結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。本文主要介紹自密實(shí)微膨脹鋼管混凝土的原材料性能、混凝土技術(shù)要求、配合比設(shè)計(jì)、施工方法及工程應(yīng)用情況。

自密實(shí)微膨脹混凝土；配合比設(shè)計(jì)；鋼管混凝土；施工方法；工程應(yīng)用

1 引言

鋼管混凝土是指在鋼管中澆筑混凝土而形成的混凝土構(gòu)件，鋼管內(nèi)部填充的混凝土增強(qiáng)了鋼管的穩(wěn)定性，外部鋼管的約束作用使混凝土處于三向應(yīng)力狀態(tài)，可以大大提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和抵抗變形能力。鋼管混凝土構(gòu)件具有鋼材和混凝土的組合性能，結(jié)構(gòu)具有承載力高、塑性好、韌性高、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)。目前鋼管混凝土已在高層超高層建筑和大跨徑結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。但鋼管混凝土也存在混凝土振搗困難、難以密實(shí)、混凝土收縮等問(wèn)題，極易導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)、內(nèi)部缺陷、鋼管混凝土脫空，從而影響鋼管混凝土結(jié)構(gòu)整體性能的發(fā)揮[1,2]。

自密實(shí)微膨脹混凝土不僅具有自密實(shí)混凝土所具有的高流動(dòng)性、高抗離析性、無(wú)需振搗即可自密實(shí)等特點(diǎn)，同時(shí)通過(guò)摻加優(yōu)質(zhì)膨脹劑產(chǎn)生的微膨脹作用可以補(bǔ)償混凝土產(chǎn)生的收縮。自密實(shí)微膨脹混凝土為解決鋼管混凝土施工困難、混凝土脫空等質(zhì)量問(wèn)題提供了技術(shù)保證。

2 自密實(shí)微膨脹混凝土的性能要求

自密實(shí)微膨脹混凝土的性能應(yīng)符合《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（GB50936-2014）、《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB50204-2015）、《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 178-2009）、《高拋免振搗混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（JGJT 296-2013）、《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》（GB 50204-2015）等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求以及工程設(shè)計(jì)文件等的要求。主要性能指標(biāo)包括原材料的性能要求、混凝土拌合物的性能要求（坍落擴(kuò)展度、倒坍時(shí)間、T500、離析率、U型箱實(shí)驗(yàn)填充高度等）、硬化混凝土的力學(xué)性能、變形性能和耐久性及實(shí)體結(jié)構(gòu)的性能等。

3 自密實(shí)微膨脹混凝土配合比設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題

自密實(shí)微膨脹混凝土配合比設(shè)計(jì)應(yīng)按照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ55-2011）、《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（GB50936-2014）、《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（CECS203:2006）、《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB50204-2015）、《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 178-2009）、《高拋免振搗混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（JGJT 296-2013）等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求、工程的設(shè)計(jì)要求等進(jìn)行。在混凝土配合比設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下問(wèn)題：

⑴自密實(shí)混凝土配合比應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)條件、施工條件以及環(huán)境條件所要求的自密實(shí)性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，在綜合強(qiáng)度、耐久性和其他必要性能要求的基礎(chǔ)上，提出試驗(yàn)配合比。

⑵在進(jìn)行自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)調(diào)整時(shí)應(yīng)考慮水膠比對(duì)自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的影響和水膠比對(duì)自密實(shí)性能的影響。

⑶自密實(shí)微膨脹混凝土配合比設(shè)計(jì)宜采用絕對(duì)體積法。

⑷膨脹劑摻量（代替膠凝材料率）為10%～12%，對(duì)于低摻量的高性能膨脹劑為6%～8%，應(yīng)符合《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GBJ 119）的要求。補(bǔ)償收縮混凝土最重要的技術(shù)指標(biāo)是限制膨脹率，以膨脹率預(yù)定值確定膨脹劑的摻量。實(shí)際膨脹劑摻量必須通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。

⑸自密實(shí)混凝土宜采用增加粉體材料用量和優(yōu)選優(yōu)質(zhì)高性能減水劑，摻加硅灰、超細(xì)粉煤灰等礦物摻合料來(lái)改善漿體的粘性和流動(dòng)性。

4 自密實(shí)微膨脹鋼管混凝土的施工技術(shù)方法

目前，國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的鋼管混凝土施工方法主要有泵送頂升澆筑法、高位拋落免振搗法及人工振搗密實(shí)法等。泵送頂升澆筑法的原理為在鋼管柱根部開(kāi)設(shè)澆筑孔，使用混凝土泵送設(shè)備進(jìn)行泵送頂升，通過(guò)鋼管內(nèi)混凝土的自重和泵送向上的沖力，使混凝土充分密實(shí)。該施工方法能將自密實(shí)混凝土一次性泵送到所需高度，減少了工序環(huán)節(jié)，可大幅降低勞動(dòng)強(qiáng)度，加快施工進(jìn)度。高位拋落免振搗法的原理為將混凝土從一定高度拋落，充分利用混凝土下落時(shí)的動(dòng)能及混凝土自身的性能達(dá)到充分密實(shí)的效果。其主要缺點(diǎn)是施工時(shí)間長(zhǎng)，管內(nèi)混凝土不連續(xù)，整體性差。人工振搗密實(shí)法的原理為在混凝土澆筑過(guò)程中利用振搗設(shè)備或者人工對(duì)混凝土實(shí)施振搗，以達(dá)到密實(shí)的效果。該方法是鋼管混凝土剛產(chǎn)生常采用的施工方法，施工速度慢，混凝土施工質(zhì)量相對(duì)較差[3～5]。

本節(jié)主要介紹泵送頂升澆筑法和高位拋落免振搗法的施工工藝。泵送頂升澆筑法的施工工藝如下：

⑴在鋼管柱根部開(kāi)設(shè)一個(gè)澆筑孔，插入一根端口朝外的90°彎泵管，并將其焊接在鋼管柱上，斜口向上，并在泵管連接處焊接一個(gè)止流閥（泵管型號(hào)應(yīng)與連接泵送設(shè)備的泵管型號(hào)相同，便于泵管連接及布管）；

⑵在鋼管柱頂端設(shè)置直徑100mm的排氣孔；

⑶布置及連接泵管；

⑷澆筑混凝土直至排氣孔出現(xiàn)冒漿為止，間隔10min再泵送一次，以盡可能地排出鋼管柱內(nèi)的氣體；

⑸澆筑過(guò)程中及時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土澆筑密實(shí)情況；

⑹混凝土澆筑完成后關(guān)閉止流閥，防止混凝土回流[4]。

高位拋落免振搗法的施工工藝如下：

⑴根據(jù)工程的澆筑區(qū)域、構(gòu)件類(lèi)型、配筋情況、高拋高度等選擇機(jī)具與澆筑方法，澆筑布料間距不宜大于4m；

⑵混凝土澆筑前應(yīng)先澆筑一層厚度為100～200mm的同標(biāo)號(hào)砂漿，防止自由下落的混凝土粗骨料產(chǎn)生彈跳，影響混凝土強(qiáng)度；

⑶出料口應(yīng)伸入鋼柱，利用混凝土下落產(chǎn)生的動(dòng)能達(dá)到混凝土自密實(shí)的效果；

⑷各布料點(diǎn)均勻布料，加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)處的人工振搗；

⑸澆筑過(guò)程中應(yīng)注意拋落高度、澆筑高度、時(shí)間間隔等關(guān)鍵參數(shù)，嚴(yán)格檢驗(yàn)混凝土拌合物性能，及時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土澆筑密實(shí)情況。

5 自密實(shí)微膨脹鋼管混凝土的工程應(yīng)用

5.1天津高銀117大廈[6,7]

天津高銀117大廈是一幢集辦公、酒店、精品商業(yè)等于一體的特大型超高層建筑，是中國(guó)北方第一高樓。117大廈總建筑面積37萬(wàn)m2，地下3層，地上117層，結(jié)構(gòu)高度596.2m，為中國(guó)結(jié)構(gòu)第一高樓。

117大廈主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土核心筒-巨型框架支撐結(jié)構(gòu)體系。核心筒為混凝土內(nèi)包鋼板和勁性鋼骨的剪力墻結(jié)構(gòu)，外筒由四角4根巨型柱與巨型桁架、巨型斜撐共同組成。其中，外筒四角4根巨型柱為多腔體異形鋼管混凝土巨型柱，最大橫截面尺寸為24m× 22.8m，由29個(gè)腔體組成，各腔體間不連通，腔體內(nèi)有大量肋板及大50mm大直徑豎向鋼筋，這在超高層建筑中十分罕見(jiàn)，混凝土無(wú)振條件，施工難度極大。巨型柱從基礎(chǔ)筏板以0.88°向內(nèi)傾斜貫穿至117層(583.65m)，其中35層(182.96m)以下為C70高強(qiáng)混凝土，單次最大澆筑方量達(dá)3400m3。另外，地上主塔樓巨型柱與環(huán)帶桁架、巨型支撐交接處的加強(qiáng)層節(jié)點(diǎn)，其腔體構(gòu)造復(fù)雜，豎向、水平隔板各5道，混凝土施工時(shí)不具備無(wú)振搗條件?；炷翝仓r(shí)具有一定的拋落高度，最大拋落高度超過(guò)30m。經(jīng)試驗(yàn)研究并結(jié)合工程實(shí)際情況確定采用C70高拋免振搗自密實(shí)混凝土進(jìn)行施工，117大廈巨型柱C70高拋免振搗混凝土配合比如表1所示。混凝土拌合物坍落擴(kuò)展度650mm，T50=3.9，倒坍時(shí)間為4.2s；7d抗壓強(qiáng)度為71.1MPa，28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到89.7MPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

高拋免振搗自密實(shí)混凝土澆筑施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土工作性能（進(jìn)場(chǎng)混凝土擴(kuò)展度≥650mm，3h擴(kuò)展度損失不超過(guò)50mm，且不能離析泌水），澆筑過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巨型柱內(nèi)混凝土密實(shí)度，施工過(guò)程中注意混凝土拋落高度及澆筑厚度（每次下料高度控制在2m，間隙10～15min后再繼續(xù)下料，拋落高度應(yīng)≥4m，對(duì)于拋落高度<4m的部分，需應(yīng)用內(nèi)部振搗器振實(shí)），澆筑結(jié)構(gòu)隔板處混凝土，應(yīng)間隔15min，以便有足夠時(shí)間排出腔內(nèi)空氣，確?；炷翝仓軐?shí)。巨型鋼管柱橫隔板下界面及異形角部部位對(duì)混凝土的自密實(shí)性能要求最高，最容易出現(xiàn)不密實(shí)情況，施工過(guò)程中應(yīng)特別注意。

表1 117大廈巨型柱C70高拋免振搗混凝土配合比/kg·m-3

為確保施工質(zhì)量采用模擬鋼管柱進(jìn)行試驗(yàn)，破壞性剖面試驗(yàn)結(jié)果表明C70高拋免振搗自密實(shí)混凝土能夠完全填充巨型柱整個(gè)腔體，橫隔板下界面及角部混凝土界面黏結(jié)情況良好，硬化混凝土無(wú)缺陷，混凝土自密實(shí)性能良好。

5.2武漢綠地中心[8]

武漢綠地中心工程位于武漢市武昌濱江商務(wù)CBD區(qū)核心區(qū)，是武漢綠地國(guó)際金融城項(xiàng)目的核心工程，該項(xiàng)目由上海綠地集團(tuán)投資建設(shè)，中國(guó)建筑第三工程局承建。武漢綠地中心是世界第三高樓，建筑最高636m，項(xiàng)目建成后將成為華中新地標(biāo)。其中主樓建筑高度408m，結(jié)構(gòu)型式為鋼筋混凝土核心筒-外伸臂支撐-巨型框架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)有16根巨型鋼管柱，直徑為1.5～3.0m，鋼管混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C70，28d抗壓強(qiáng)度要達(dá)到84MPa。

由于鋼管柱內(nèi)設(shè)有橫向加勁板，混凝土難以振搗密實(shí)，施工難度大，為保證鋼管混凝土的施工質(zhì)量，采用自密實(shí)混凝土，結(jié)合工程實(shí)際情況鋼管混凝土施工方法采用高空拋落免振搗法。自密實(shí)混凝土配合比關(guān)鍵參數(shù)為：水泥（P·O42.5）用量為350～420kg/m3，礦物摻合料為I級(jí)粉煤灰、S95礦渣微粉等，總膠凝材料的用量為580～610kg/m3，砂率（SP）為44%，水膠比（W/B）為0.22～0.23，聚羧酸減水劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的2.0%～2.8%。自密實(shí)鋼管混凝土澆筑過(guò)程中，相關(guān)技術(shù)人員嚴(yán)格按照混凝土質(zhì)量控制方案的要求進(jìn)行混凝土質(zhì)量控制，取得了良好的施工效果?，F(xiàn)場(chǎng)抽檢混凝土拌合物工作性能符合施工要求，混凝土和易性良好，具有高流動(dòng)性，不離析泌水。混凝土的28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，且有較大的富裕系數(shù)。經(jīng)實(shí)體檢測(cè)鋼管柱內(nèi)部的混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)，無(wú)裂縫、缺陷，施工質(zhì)量?jī)?yōu)良。

5.3西安綠地中心[9]

西安綠地中心由上海綠地集團(tuán)投資開(kāi)發(fā)是西北地區(qū)在建第一高樓，建筑高度270m，地下3層，地上57層，建筑面積約17萬(wàn)m2，由A、B座兩棟樓組成雙子塔，總投資達(dá)35億元，抗震設(shè)防烈度8度，主樓鋼管柱混凝土、鋼板剪力墻為C60自密實(shí)混凝土，其主樓鋼管柱混凝土最大高拋高度達(dá)到8m。鋼管混凝土原材料及配合比體系見(jiàn)表2和表3。

混凝土拌合物性能如下：初始坍落度均超過(guò)240mm、坍落擴(kuò)展度均超過(guò)650mm，2h擴(kuò)展度損失均不超過(guò)30mm，T500時(shí)間均不超過(guò)5.5s，倒坍時(shí)間均不超過(guò)7s，各組混凝土工作性良好?；炷?8d抗壓強(qiáng)度硅灰體系最高達(dá)到72.4MPa，I級(jí)粉煤灰體系為68.4MPa，II級(jí)粉煤灰體系為67.0MPa。

實(shí)際施工過(guò)程中，中建商品混凝土有限公司控制混凝土攪拌時(shí)間為120s/盤(pán)，混凝土拌合物擴(kuò)展度控制在(650±50)mm，倒坍落度控制在10s以?xún)?nèi)，不離析泌水，混凝土工作性良好。施工單位在2013年7月至2013年11月，成功澆筑地下室至地上6層鋼管混凝土約3000m3，經(jīng)檢測(cè)混凝土質(zhì)量良好，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

表2 西安綠地中心C60自密實(shí)鋼管混凝土原材料

表3 西安綠地中心C60自密實(shí)鋼管混凝土配合比/kg·m-3

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮鋼材和混凝土的材料特性與優(yōu)點(diǎn)，近幾年來(lái)在高層超高層建筑工程中得到廣泛應(yīng)用，被認(rèn)為是高層超高層建筑技術(shù)的一次重要突破[10,11]。但鋼管混凝土結(jié)構(gòu)也同時(shí)存在混凝土施工難度大，易出現(xiàn)質(zhì)量缺陷等問(wèn)題，自密實(shí)微膨脹混凝土可以有效解決鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工難度大、振搗密實(shí)困難、混凝土強(qiáng)度不足、混凝土脫空等質(zhì)量問(wèn)題。應(yīng)深入研究自密實(shí)微膨脹混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法、混凝土質(zhì)量提升關(guān)鍵技術(shù)并進(jìn)行施工關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)一步提升鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的性能，促進(jìn)超高層建筑和大跨徑結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

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