普通骨料優(yōu)選化在超高層泵送混凝土中的應(yīng)用研究

路飛，張磊，令建，彌楊志，張凱峰，吳超

（中建西部建設(shè)北方有限公司，陜西 西安 710010）

0 引言

在混凝土的組成材料中，骨料體積約占總體積的70% 左右，在拌合物硬化后骨料主要起到骨架支撐與應(yīng)力傳遞作用，用于保證混凝土后期具有優(yōu)良的穩(wěn)定性和耐久性[1]。在超高層泵送混凝土施工中，往往要求預(yù)拌混凝土具備良好的工作性能，其中混凝土配合比中的骨料級(jí)配是影響混凝土工作性能的重要原因[2-4]。合理的骨料級(jí)配要求孔隙率小，以此達(dá)到較低的總表面積，從而減少水泥用量與濕潤(rùn)骨料表面的需水量[5-6]。采用孔隙率與總表面積較小的骨料體系配制混凝土具有以下優(yōu)勢(shì)：降低水泥水化熱，減少干縮；改善混凝土工作性能，使其在澆筑成型后具有很高的密實(shí)度與強(qiáng)度；降低生產(chǎn)成本提高經(jīng)濟(jì)效益[7-9]。

目前在我國(guó)超高層泵送混凝土施工中，一般需要添加硅灰等超細(xì)礦物外加劑或利用精品骨料來(lái)改善混凝土的可泵性，而選用普通骨料并未摻超細(xì)礦物配制得到的混凝土很難實(shí)現(xiàn)超高層的泵送要求，特別是當(dāng)施工高度達(dá)到 300m 時(shí)，泵送難度更是不易突破。本文則以西安國(guó)瑞金融中心超高層項(xiàng)目為依托，通過(guò)普通骨料優(yōu)選工藝，在未摻加超細(xì)礦物外加劑的情況下將混凝土成功泵送至 350m 的施工高度，攻克了普通骨料在超高層泵送混凝土中應(yīng)用難點(diǎn)，為今后普通骨料在超高層泵送混凝土中的實(shí)踐應(yīng)用具有重要的借鑒意義。

1 工程背景

國(guó)瑞西安金融中心項(xiàng)目位于西安市高新區(qū)創(chuàng)業(yè)新大陸北側(cè)，緊鄰城市主干道錦業(yè)路，東西側(cè)緊鄰規(guī)劃路，南側(cè)臨市政規(guī)劃創(chuàng)業(yè)新大陸綠化廣場(chǎng)；總建筑面積 289978.21m2；占地面積 19162m2，地下建筑面積約 64344.96m2，地上建筑面積約 225633.25m2；本工程地上 75 層、地下 4 層，其中地下 4～2 層 4m，地下一層 6.1m；地上首層 15.3m，標(biāo)準(zhǔn)層 4.3m，設(shè)備層4.3/6m，總建筑高度達(dá) 350m，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式為筏板樁基礎(chǔ)，主體結(jié)構(gòu)為勁鋼框筒結(jié)構(gòu)，屋蓋結(jié)構(gòu)形式為桁架樓承板結(jié)構(gòu)。該工程混凝土的泵送施工難度大，對(duì)混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)具有非常高的要求。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原材料

水泥選用冀東水泥股份有限公司生產(chǎn)的 P·O42.5 水泥，各項(xiàng)性能指標(biāo)良好。

粉煤灰選用陜西正源股份有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度為 14.6%。

礦物選用陜西立之林建材有限公司生產(chǎn)的 S95 級(jí)礦粉，比表面積為 430m2/kg，7d 活性指標(biāo)為 74%，28d活性為 99%。

砂選用渭河產(chǎn)的中砂，含泥量為 2.4%，泥塊含量為 0.3%，顆粒級(jí)配屬于Ⅱ區(qū)砂，松散堆積空隙率46%，緊密堆積空隙率 41%。

石子選用瑞德寶爾生產(chǎn)的 5～31.5mm 級(jí)配的碎石，最大公稱粒徑為 26.5mm，針片狀含量為 3%，含泥量為 0.5%，松散堆積空隙率 47%，緊密堆積空隙率42%。

外加劑選用中建西部建設(shè)北方有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，含固量為 20%，減水率為 26%。

2.2 試驗(yàn)方法

分別采用不同比例搭配單粒級(jí)普通碎石與砂，兩者各自搭配比例如表 1 和表 2 所示，粒級(jí)—累計(jì)篩余曲線分別如圖 1 和圖 2 所示。按照 GB/T 14685—2011《建設(shè)用碎石卵石》、GB／T14684—2011 《建設(shè)用砂》GB/T 50080—2002《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》針對(duì)不同搭配比例的碎石與砂進(jìn)行表觀密度、堆積密度與空隙率檢測(cè)，分別優(yōu)選出碎石與砂的最佳搭配比例范圍。

表1 普通碎石級(jí)配設(shè)計(jì)

表2 普通砂級(jí)配設(shè)計(jì)

選取碎石粒級(jí)搭配、砂粒級(jí)搭配與砂率為因素制備混凝土進(jìn)行正交優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)，以骨料體系緊密堆積空隙率為判定標(biāo)準(zhǔn)確定碎石與砂的最佳搭配比例，并確定了實(shí)際生產(chǎn)中普通骨料優(yōu)選化的級(jí)配范圍。參照 GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》與 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》以混凝土坍落度、擴(kuò)展度、倒坍時(shí)間、抗壓強(qiáng)度與經(jīng)濟(jì)要素為指標(biāo)，在相同條件下將采用優(yōu)選化的普通骨料最佳配比制備的混凝土分別與未經(jīng)普通骨料優(yōu)選、加入超細(xì)礦物外加劑制備的混凝土進(jìn)行對(duì)比分析。

在4—6月整層水汽輸送通量及其散度場(chǎng)差值場(chǎng)上(圖6c、d),西太平洋地區(qū)上空有一個(gè)顯著的反氣旋式水汽通量距平矢量分布(圖6c),將南海和菲律賓附近的暖濕氣流源源不斷地輸送到江南地區(qū),常越等(2007)也指出前汛期期間南方降水的水汽來(lái)源主要為西太平洋地區(qū)。在圖6d中,菲律賓群島以東洋面為顯著的異常水汽輻散區(qū),而江南地區(qū)以及黃海和東海海域?yàn)樗惓］椇蠀^(qū)。這種水汽通量及其散度場(chǎng)的異常分布型有利于江南地區(qū)水汽的聚集,表明冷水年對(duì)應(yīng)著JRS降水異常偏多。

圖1 設(shè)計(jì)碎石級(jí)配曲線

圖2 設(shè)計(jì)Ⅱ區(qū)砂級(jí)配曲線

3 結(jié)果與分析

3.1 普通碎石搭配比例研究

設(shè)計(jì) 5～31.5mm 普通碎石連續(xù)粒級(jí)搭配比例，采用表 1 中的碎石搭配比例，研究不同碎石級(jí)配對(duì)粗骨料空隙率的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表 3 所示。

表3 普通碎石級(jí)配設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

如圖 3 可知，所設(shè)計(jì) G1～G5 普通碎石連續(xù)粒徑級(jí)配的松散堆積空隙率在 41%～44%之間，緊密堆積空隙率在 36%～39% 之間。其中級(jí)配設(shè)計(jì) G3 組松散堆空隙率與緊密堆積空隙率均達(dá)到最小，分別為 41% 和36%。粗骨料空隙率的大小與碎石各級(jí)粒徑的搭配關(guān)系密切，結(jié)果表明當(dāng) 2.36mm 號(hào)篩與 26.5mm 號(hào)篩分計(jì)篩余在合理區(qū)間內(nèi)相同，9.50mm 號(hào)篩的累計(jì)篩余≥70%時(shí)，普通粗骨料級(jí)配空隙率最佳。

3.2 普通砂搭配比例研究

根據(jù)Ⅱ區(qū)砂對(duì)各粒級(jí)累計(jì)篩余的要求范圍，按照表2 設(shè)計(jì)的普通砂級(jí)配，研究不同砂級(jí)配對(duì)細(xì)骨料空隙率的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表 4 所示。

如圖 4 所示，所設(shè)計(jì) S1～S5 普通砂連續(xù)粒徑的松散堆積空隙率在 40%～43% 之間，緊密堆積空隙率在 36%～38% 之間，其中級(jí)配設(shè)計(jì) S2 與 S4 組松散堆空隙率與緊密堆積空隙率均達(dá)到最小，分別為 40% 和36%。由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)適當(dāng)提高 2.36mm 號(hào)篩累計(jì)篩余與降低 0.30mm 號(hào)篩累計(jì)篩余時(shí)，有利于減小普通砂的級(jí)配空隙率。

圖3 普通碎石級(jí)配空隙率

表4 普通砂級(jí)配設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

圖4 普通砂級(jí)配空隙率

3.3 正交優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)

為進(jìn)一步優(yōu)化砂石骨料組合配比，采用正交優(yōu)化設(shè)計(jì)使砂石組合整體的緊密堆積空隙率降至最低。選取碎石級(jí)配設(shè)計(jì)、砂級(jí)配設(shè)計(jì)以及砂率為變化因素，分析各因素對(duì)砂石空隙率的影響大小，確定最佳砂石搭配比例。本試驗(yàn)選用 L9(34) 的三因素三水平正交試驗(yàn)，因素水平如表 5 所示，正交試驗(yàn)結(jié)果如表 6 所示。（為精確計(jì)算骨料級(jí)配空隙率正交優(yōu)化結(jié)果，在本次正交試驗(yàn)中孔隙率結(jié)果保留 1 位小數(shù)。）

綜合分析均值和極差得出，在正交試驗(yàn)研究的 3 個(gè)獨(dú)立因素中，骨料的最佳級(jí)配組合為 A2B2C3 ，即碎石級(jí)配設(shè)計(jì)采取 G2 組，砂級(jí)配設(shè)計(jì)采取 S2 組，砂率為47%。

表5 正交試驗(yàn)因素水平表

表6 正交優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果與直觀分析

表7 正交優(yōu)化設(shè)計(jì)方差分析

方差分析各因素對(duì)骨料級(jí)配體系空隙率的顯著性影響，得出 F 比數(shù)據(jù)：碎石級(jí)配設(shè)計(jì)（1.087），砂級(jí)配設(shè)計(jì)（1.786），砂率（1.000）。因此，可以得出各因素顯著性影響強(qiáng)弱的先后次序?yàn)椋荷凹?jí)配設(shè)計(jì)＞碎石級(jí)配設(shè)計(jì)＞砂率，砂率的均方值最小，故作為誤差列。

3.4 生產(chǎn)用普通骨料優(yōu)選化級(jí)配范圍

在正交試驗(yàn)確定最佳骨料級(jí)配基礎(chǔ)上，為方便在實(shí)際生產(chǎn)中把控骨料進(jìn)場(chǎng)質(zhì)量，研究選取出合理的生產(chǎn)用普通骨料級(jí)配區(qū)間，每號(hào)篩的累計(jì)篩余上下浮動(dòng)1%～3%，試驗(yàn)結(jié)果如表 8 所示。（為精確對(duì)比普通骨料級(jí)配空隙率，在本次試驗(yàn)中孔隙率結(jié)果保留 1 位小數(shù)。）

表8 生產(chǎn)用普通骨料級(jí)配范圍

由表 8 可知，P1 組合為正交試驗(yàn)選取出的最佳骨料級(jí)配，在此基礎(chǔ)上當(dāng)各號(hào)篩累計(jì)篩余上下浮動(dòng) 1%～2% 范圍內(nèi)，普通骨料級(jí)配體系的緊密堆積空隙率變化較小，屬于合理范圍。而當(dāng)各號(hào)篩累計(jì)篩余上下浮動(dòng)達(dá)到 3% 時(shí)，普通骨料級(jí)配體系的緊密堆積空隙率出現(xiàn)較大浮動(dòng)，分別提高了 1.2% 與 1.0%。故生產(chǎn)用普通骨料級(jí)配范圍在 P1 組各號(hào)篩累計(jì)篩余基礎(chǔ)上，可上下浮動(dòng)至 2%。

3.5 對(duì)比分析

固定水膠比為 0.29，單位用水量為 160kg/m3，砂率為 37%，其中粉煤灰與礦粉摻量均為 15%，分別采用未經(jīng)優(yōu)選骨料、優(yōu)選骨料與摻入 5% 硅灰三種方式制備C60 混凝土，對(duì)比分析混凝土各項(xiàng)性能，試驗(yàn)結(jié)果如表9 所示。

表9 對(duì)比分析

由圖 5 與圖 6 可知，利用優(yōu)選化普通骨料制備的混凝土其工作性能和力學(xué)性能明顯高于采用未經(jīng)優(yōu)選普通骨料配制的混凝土，這是因?yàn)榻?jīng)優(yōu)選后的骨料級(jí)配應(yīng)孔隙率小，粗細(xì)骨料的合理搭配在提高混凝土自身密實(shí)度的基礎(chǔ)上，降低了水泥漿體對(duì)骨料的包裹，從而改善混凝土的離析與泌水問(wèn)題，進(jìn)一步增強(qiáng)新拌混凝土的和易性以及成型后的力學(xué)強(qiáng)度。另外由表 9 中倒坍時(shí)間數(shù)據(jù)可以看出，在高強(qiáng)度等級(jí)新拌混凝土中采用經(jīng)優(yōu)選的普通骨料可降低其自身黏度，提升高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的可泵性能。

目前國(guó)內(nèi)的超高層建筑中，特別是建筑高度超過(guò)250m 的工程項(xiàng)目，往往采用摻入硅灰來(lái)實(shí)現(xiàn)混凝土的可泵性。將采用優(yōu)選化普通骨料與采用未經(jīng)骨料優(yōu)選但加入硅灰制備的混凝土各項(xiàng)性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示二者的工作性能基本一致，在力學(xué)性能上經(jīng)優(yōu)選化骨料混凝土的強(qiáng)度略低于經(jīng)硅灰改性的混凝土，但均充分滿足C60 混凝土強(qiáng)度指標(biāo)，達(dá)到工程實(shí)際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 工作性能對(duì)比

圖6 力學(xué)性能對(duì)比

在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面，當(dāng)前西安地區(qū)硅灰的價(jià)格大約在 1.2元/kg 左右，以西安國(guó)瑞經(jīng)融中心超高層項(xiàng)目所用C60 混凝土配比為例，若采用硅灰改性工藝其硅灰摻量最少需達(dá)到 5%，當(dāng)膠凝材料用量選為 545kg/m3時(shí)，每方混凝土硅灰的成本價(jià)為 32.7 元，可見若采用普通骨料優(yōu)選化制備混凝土，在同樣滿足施工要求的情況下，將大幅度節(jié)約生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)資源的高效利用。

本試驗(yàn)最終依托國(guó)瑞西安金融中心超高層施工項(xiàng)目，在未添加超細(xì)礦粉基礎(chǔ)上，采用優(yōu)選化普通骨料制備 C60 混凝土，并將其最大高度泵送至 350m，實(shí)現(xiàn)了普通骨料混凝土在 300m 以上超高層施工高度的連續(xù)泵送，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

（1）普通碎石優(yōu)選化最佳級(jí)配設(shè)計(jì)為 G3 組，其松散堆積空隙率為 41%，緊密堆積空隙率為 36%。普通Ⅱ區(qū)砂優(yōu)選化最佳級(jí)配設(shè)計(jì)為 S2 與 S4，其松散堆積空隙率為 40%，緊密堆積空隙率為 36%。

（2）確定普通骨料優(yōu)化的最佳級(jí)配比例為碎石級(jí)配設(shè)計(jì) G3，砂級(jí)配設(shè)計(jì) S4，砂率 47%，此時(shí)骨料體系空隙率為 23.2%。砂級(jí)配設(shè)計(jì)對(duì)骨料級(jí)配體系空隙率的顯著性影響最強(qiáng)，其次是碎石級(jí)配設(shè)計(jì)，砂率最弱。

（3）在實(shí)際生產(chǎn)中，普通骨料優(yōu)選化級(jí)配范圍在各號(hào)篩最佳累計(jì)篩余的基礎(chǔ)上，可上下浮動(dòng)至 2%。

（4）利用優(yōu)選化普通骨料制備的混凝土其工作性能和力學(xué)性能明顯高于采用未經(jīng)優(yōu)選普通骨料配制的混凝土。采用優(yōu)選化普通骨料制備混凝土與采用未經(jīng)骨料優(yōu)選但加入硅灰改性的混凝土相比，在滿足泵送施工要求的同時(shí)，將大幅度節(jié)約生產(chǎn)成本。本試驗(yàn)最終依托國(guó)瑞西安金融中心超高層施工項(xiàng)目，采用優(yōu)選化普通骨料制備 C60 泵送混凝土，并將其最大高度成功泵送至350m，實(shí)現(xiàn)了普通骨料優(yōu)選化在超高層泵送混凝土中的有效應(yīng)用。