C70高拋自密實微膨脹鋼管混凝土施工應用

關素敏，桂根生，吳鑫

（四川華西綠舍建材有限公司，四川　成都　610081）

C70高拋自密實微膨脹鋼管混凝土施工應用

關素敏，桂根生，吳鑫

（四川華西綠舍建材有限公司，四川成都610081）

本文以原材料控制、膠凝材料的確定、水膠比和砂率的控制為基礎，配制 C70高拋自密實微膨脹鋼管混凝土，總結(jié)相關控制手段；該 C70高拋自密實微膨脹鋼管混凝土成功應用于成都市某超五星寫字樓鋼管混凝土施工中，混凝土澆筑過程拌合物工作性能良好，混凝土成型效果良好，積累了一定施工經(jīng)驗。

C70高強混凝土；高拋自密實混凝土；微膨脹混凝土；配合比；施工應用

1　工程概況

成都市某超五星寫字樓為鋼管混凝土框架—核心筒結(jié)構，建筑高度160m，鋼管直徑900～1050mm，壁厚18～22mm，鋼管內(nèi)混凝土等級 C40～C70，核心筒為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構，混凝土等級 C30～C60，標準層層高4m。項目建設周期為22個月，業(yè)主為加快工期，要求鋼管制作安裝三層為一節(jié)，鋼管柱12m 一次性吊裝施工，鋼管內(nèi)混凝土也同樣一次性澆筑12m，為滿足設計要求，鋼管內(nèi)混凝土必須采用高拋自密實微膨脹混凝土進行澆筑。圖1為圓柱鋼管內(nèi)部結(jié)構示意圖。

圖1　圓柱鋼管內(nèi)部結(jié)構示意圖

2　施工難點與技術要求

為加快工期，混凝土澆筑時就必須一次性澆筑12m 高的鋼管混凝土，若有離析泌水現(xiàn)象的混凝土進入鋼管后，易造成粗集料下沉，砂漿上浮現(xiàn)象，導致鋼管中混凝土嚴重分層，形成局部的薄弱層，而且硬化混凝土與鋼管壁的結(jié)合由于泌水形成的水膜的存在也不緊密，會對混凝土質(zhì)量造成嚴重破壞。如何解決高拋混凝土離析問題就成了鋼管混凝土施工成敗的關鍵因素。其次，本工程框架圓鋼管柱內(nèi)梁柱節(jié)點位置設有環(huán)板，高拋法施工時要特別注意混凝土在梁柱節(jié)點位置的密實度，混凝土澆筑完畢后應能充分填滿整個鋼管內(nèi)部，不得出現(xiàn)局部空洞、混凝土與鋼管內(nèi)壁脫離等現(xiàn)象。另外，由于鋼管混凝土的全封閉特性，一旦混凝土澆筑完成，對混凝土的無損檢測手段少，不容易檢測混凝土內(nèi)部質(zhì)量，如發(fā)生混凝土質(zhì)量問題，很難進行補救，所以鋼管混凝土必須要求一次成活，確保100% 的成功率。

鑒于上述施工難點，本工程在鋼管內(nèi)部高拋法澆筑的混凝土應具備高工作性、抗離析性、微膨脹性能，為同時滿足高強度等級 C70要求的自密實混凝土。

C70高拋自密實微膨脹鋼管混凝土拌合物性能指標要求見表1。

表1　高拋自密實鋼管混凝土拌合物性能指標要求

3　原材料

3.1水泥

試驗中水泥采用峨勝 P·O42.5R 普通硅酸鹽水泥，28d 抗壓強度52MPa，安定性合格。

3.2摻合料

粉煤灰：成都搏磊Ⅰ級粉煤灰，需水量比為92%，0.045mm 篩篩余10.3%；硅灰：成都產(chǎn)二氧化硅94%、活性指數(shù)114% 的硅灰。

3.3減水劑

試驗優(yōu)選高拋自密實混凝土專用泵送劑，固含量15.10%，減水率31%，抗壓強度比199%。該減水劑使得混凝土具有合適的流動性、泌水性能良好，抗離析性良好，并且硬化混凝土抗壓強度滿足要求。

3.4膨脹材料

采用三膨脹源膨脹劑，比表面積為255m2/kg，限制膨脹率水中7d 為0.025%。

3.5砂子

試驗所采用的人工砂選用成都產(chǎn)的級配Ⅱ區(qū)中砂，細度模數(shù)2.7，石粉含量低于6%。

3.6碎石

采用成都產(chǎn)的碎石，5～20mm 連續(xù)級配，表觀密度2.67g/cm3，壓碎指標7%。

4　結(jié)果與討論

高拋自密實微膨脹鋼管混凝土作為一種高性能混凝土，除滿足結(jié)構設計所需要求的強度和耐久性能外，更要滿足良好的施工性，即高流動性、高粘聚性、坍落度損失小，免振達到自密實[2]。除對混凝土拌合物上述性能進行測試外，由于自密實混凝土的大流動性、水灰比高，容易在澆筑后造成泌水和離析現(xiàn)象，因此還需對表征混凝土抗離析性的拌合物離析率和表征拌合物間隙通過性的 U 型箱高差進行測試。

4.1確定膠凝材料體系

試驗中，膠凝材料主要由水泥和礦物摻合料組成。礦物摻合料主要選擇粉煤灰、硅灰及膨脹材料。其中對硅灰和粉煤灰的最佳摻量確定進行如下試驗。

4.1.1確定粉煤灰摻量

粉煤灰由大量表面光滑的球狀玻璃體組成，起到一種“滾珠潤滑”作用，能夠打破水泥漿的絮凝結(jié)構，可達到改善新拌混凝土工作性能的作用[3]。另外，由于可彌補混凝土中的細粉不足，阻塞泌水通道，有利于泌水率的降低，改善混凝土的黏聚性。此外，粉煤灰顆粒的形態(tài)和親水特性，其球形玻璃體可吸附一層水膜，可使混凝土具有良好的保水性。除此之外，粉煤灰還能降低水化熱，適宜于大體積混凝土及高溫季節(jié)混凝土施工。而粉煤灰的填充物理作用和火山灰作用使得其對混凝土的后期強度起到一定的作用，但對混凝土的早期強度存在一定的影響，因此有必要對粉煤灰的摻量進行控制。為達到節(jié)約水泥的效果，又能保證混凝土的強度，增加密實性，改善混凝土綜合性能指標，應用超量取代法進行取代，摻量為10%。

4.1.2確定硅灰摻量

硅灰摻量的確定通過混凝土試配進行驗證，對比基準混凝土配合比用量分別為：膠凝材料基準580kg/m3，粉煤灰10%，水155kg/m3，砂800kg/m3，碎石900kg/m3。

試驗配合比分別用3%、6%、9%、12%、15% 硅灰超量取代水泥進行試驗，試驗結(jié)果見圖1。

圖1反映了硅灰摻量與28天抗壓強度的關系，隨著硅灰含量的增加、水泥的降低，混凝土28天抗壓強度先增加后降低。分析可能的原因是：硅灰顆粒細小，具有高度分散性，硅灰主要成分為活性 SiO2，硅灰通過填充效應、火山灰效應能有效地提高混凝土的強度；硅灰還可起到一種獨特的微集料效應，即改善膠凝材料系統(tǒng)的顆粒粒徑分布，使系統(tǒng)的顆粒堆積更為緊密和合理。但是當硅灰摻量過多時，過多的未參與反應的硅灰對水泥的粘結(jié)強度并無貢獻，反而影響強度發(fā)展。因此根據(jù)試驗結(jié)果采取9% 硅灰取代水泥。

圖1　硅灰摻量對混凝土強度的影響

4.1.3膨脹劑

為實現(xiàn)與混凝土強度發(fā)展和收縮變形的協(xié)調(diào)發(fā)展，獲得良好的膨脹性能，選擇三膨脹源復合型膨脹劑。采用 NELNES 型非接觸式混凝土收縮變形測定儀對混凝土收縮率進行測試。表3是摻入膨脹劑前后的對比試驗結(jié)果，試驗結(jié)果表明該膨脹劑能夠限制混凝土收縮變形，并且保證混凝土滿足高強度的要求，具備可觀的應用價值。

表3　摻入膨脹劑前后混凝土性能對比試驗數(shù)據(jù)

4.2確定水膠比

混凝土的擴展度、坍落度和強度與水膠比有很大的關聯(lián)，因此合理的控制水膠比是強度和工作性能的保證。在膠凝材料一定的基礎上，水膠比越小，混凝土的流動度越小，無法達到自流平，同時不能保證自密實混凝土的密實性；如果水膠比過大，又會使混凝土的粘聚性和保水性降低，從而降低混凝土的強度。因此，水膠比的確定是設計高強自密實混凝土的一個關鍵要點。試驗按照以上確定的膠凝材料用量的基礎上固定砂率，分別用0.250、0.275、0.300、0.325共4個水膠比進行試配，試驗結(jié)果如表4和圖2所示。

表4　水膠比對混凝土拌合物工作性影響

由表4和圖2可以看出，隨著水膠比的增加，混凝土的強度先增加后降低，當水膠比為0.300時，混凝土的工作性能和強度均為最佳。

圖2　水膠比對混凝土28d 抗壓強度的影響

4.3確定砂率

砂率對混凝土的強度和工作性能影響比較大，在一定范圍內(nèi)隨著砂率增加能夠提高混凝土的流動度，改善混凝土拌合物和易性；另一方面隨著砂率的增加，包裹漿料變薄，潤滑作用降低，使得混凝土強度降低，因此應當將砂率控制在一個合理的范圍。試驗驗證不同砂率（40%、43%、46%、49%）對混凝土工作性能和強度的影響。試驗結(jié)果見表5和圖3。

表5　砂率對混凝土拌合物工作性影響

圖3　砂率對混凝土28d 抗壓強度的影響

從表5和圖3中可以看出，當砂率由40% 增加到49%時，擴展度先增加后降低，擴展時間先降低后增加，強度隨著砂率的增加而降低。因此綜合混凝土工作性能和強度的考評，確定46% 的砂率為最佳值，此時混凝土具有高流動性能且強度發(fā)展良好。

4.4確定配合比

綜上所述，得到 C70高拋自密實微膨脹鋼管混凝土的配合比，該配合比不僅能滿足強度的要求，還能滿足施工性能的要求。試驗室試配結(jié)果見表6。

表6　混凝土配合比及性能試驗結(jié)果

5　工程應用

5.1高拋自密實微膨脹鋼管混凝土試驗柱澆筑試驗

為測試高拋自密實微膨脹鋼管混凝土施工性能，并總結(jié)施工工藝，2013年7月，成都某超五星寫字樓項目進行圓形鋼管—混凝土結(jié)構試驗柱進行澆筑試驗。在試驗鋼管柱的澆筑過程中總結(jié)出以下施工注意事項：（1）制作遮擋物，蓋在鋼管頂部，嚴禁雨水、雜物進入鋼管內(nèi)部；（2）澆筑完畢后，用容器將表面浮漿舀去，并在混凝土初凝后將混凝土表面拉毛，并注入200mm 高度清水進行養(yǎng)護；（3）采用高位拋落＋輔助振搗方式，鋼管上部4m 高度采用振搗棒輔助振搗。C70高拋自密實微膨脹鋼管混凝土試驗柱實體及鋼管剖開如圖4所示。

圖4　混凝土試驗柱實體及鋼管剖開圖

5.2高拋自密實微膨脹鋼管混凝土澆筑施工

2013年7月，成都某超五星寫字樓項目圓形鋼管—混凝土結(jié)構進行 C70高拋自密實微膨脹鋼管混凝土澆筑，生產(chǎn)前對原材料進行嚴格檢測，實行“專驗專用”制度，檢驗結(jié)果均為合格；生產(chǎn)過程中，公司技術人員對混凝土生產(chǎn)過程進行全程監(jiān)控，原材料的用量嚴格按照配合比設計要求，嚴格控制混凝土拌合物初始坍落度在250～270mm 之間，擴展度630～700mm，擴展時間 T500≤8s，混凝土流動性、粘聚性好；為保證大體積混凝土的施工質(zhì)量，在保證混凝土高流動性的同時，嚴禁出現(xiàn)混凝土離析、泌水現(xiàn)象，并且在養(yǎng)護過程中嚴格控制混凝土內(nèi)外溫差，澆筑完畢后留清水養(yǎng)護，堅決杜絕混凝土裂縫產(chǎn)生；生產(chǎn)過程中我方與施工單位進行協(xié)商，在炎熱環(huán)境下保證混凝土連續(xù)澆筑，盡量避免坍落度經(jīng)時損失?；炷连F(xiàn)場施工圖如圖5所示。

在澆筑過程中對每輛罐車進行混凝土拌合物工作性能檢測，并成型標準試件測試同條件混凝土抗壓強度；澆筑后及時對混凝土進行清水養(yǎng)護，嚴格按照大體積混凝土養(yǎng)護工藝進行養(yǎng)護。經(jīng)現(xiàn)場檢測，混凝土拌合物工作性能和強度均達到規(guī)范要求。對成型混凝土進行超聲波探傷檢測混凝土密實度檢測證實，鋼管混凝土內(nèi)部密實。鋼管混凝土試驗柱結(jié)構物實體圖如圖5所示。

圖5　施工現(xiàn)場圖

6　結(jié)論

（1）本施工項目要求混凝土同時兼具“高拋自密實混凝土”、“微膨脹混凝土”、“鋼管混凝土”等要求，加大了混凝土研發(fā)及施工難度，因此在材料選擇時，為避免材料質(zhì)量對混凝土性能造成的影響，嚴格控制 C70高拋自密實微膨脹鋼管混凝土原材料質(zhì)量，實行“專驗專用”制度。

（2）引入三膨脹源復合型膨脹劑，能夠顯著實現(xiàn)與混凝土強度發(fā)展和收縮變形的協(xié)調(diào)發(fā)展，獲得良好的膨脹性能。

（3）為達到實際工程中自密實混凝土的工作性能和強度要求，分別對各種因素對混凝土工作性能及強度的影響規(guī)律進行考察，從而優(yōu)化配比。配制 C70高拋自密實微膨脹鋼管混凝土確定9% 硅灰摻量、10% 粉煤灰摻量，確定0.300的水膠比和46% 的砂率，能夠保證混凝土良好的流動性和密實性，對降低成本、保證混凝土強度發(fā)展有利。

（4）該 C70高拋自密實微膨脹鋼管混凝土在施工澆筑過程中，拌合物和易性良好、12m 高空拋落后無離析、泌水現(xiàn)象，具有良好的密實性，混凝土成型后無瑕疵，強度滿足要求。大體積高強自密實混凝土得到成功應用。

[1] 劉數(shù)華，王曉燕．自密實混凝土綜述[J]．建筑技術開發(fā)，2004(7):118-120．

[2] 卞振江，張強，孟凡雷，等．SCC C80高強自密實鋼管混凝土的研究與應用[J]．商品混凝土，2012(10):48-50．

[3] 張巨松．混凝土學[M]．黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2011．

［通訊地址］四川省成都市解放北一路95號（610081）

關素敏，女，碩士，工程師，四川華西綠舍建材有限公司技術研發(fā)中心主管。