C60自密實補償收縮頂升鋼管混凝土的研究與應用

張 越 孫曉明 陳 兵 王 智 王 浩

北京建工一建工程建設有限公司 北京 100054

近年來，隨著建筑施工技術的飛速發展，鋼結構在建筑中的應用越來越廣泛，鋼結構在超高層、大跨度、大空間、異形結構等方面，有著傳統混凝土結構無法比擬的優勢[1]。鋼管混凝土柱因具有承載力高、抗震性能好、節約鋼材等突出的優點，能有效改善結構抗震性能、減小構件尺寸、提高建筑的綜合經濟指標，在高層建筑和其他結構體系中得到廣泛的應用。泵送頂升鋼管自密實混凝土是利用混凝土輸送泵的泵送壓力使自密實混凝土從柱根向上頂升逆向澆筑，直至注滿整根鋼管柱，這種方法利用泵送壓力和混凝土的重力使柱芯混凝土自密實，從而免去了繁重的振搗工作[2]。這種方法近些年才開始在建筑工程中應用，是目前比較先進的施工工藝。本文結合北京市某工程實踐取得的較好效果，從高強自密實鋼管柱混凝土原材料選型、配合比設計、生產質量控制、施工等方面闡述了其生產施工技術要點，為同類工程混凝土生產質量控制提供借鑒。

1 工程概況

北京鐵路樞紐豐臺站位于北京市西南部豐臺區，具體位置為豐管路以南，豐臺東大街以東，豐臺東路以北，西四環與西三環之間的地塊內。豐臺站站房地上4層，地下1層。站房建筑總規模為39.88萬 m2，混凝土設計用量約80萬 m3，該工程主體結構為勁鋼結構，承重柱大部分為鋼管高強混凝土柱，鋼管混凝土設計澆筑總量逾2萬 m3。鋼管柱多為方形截面形式，鋼管柱最小截面尺寸2 000 mm×2 000 mm，最大截面尺寸2 200 mm×2 200 mm，柱壁厚70 mm，內部分腔形式為四宮格或是九宮格，柱高7.0 m，鋼管柱內有多層橫向隔板或兼有縱向隔板，橫向隔板上開直徑400 mm進料孔4個，每孔四角設置直徑40 mm透氣孔。該工程鋼管混凝土無論在混凝土強度方面，還是在柱的斷面尺寸方面，是目前國內外少見的鋼管混凝土工程，采用頂升免振搗混凝土施工技術。該工程項目效果圖見圖1。

圖1 北京鐵路樞紐豐臺站改建工程（站房）效果圖

2 原材料選型

2.1 水泥選取

水泥選取主要考慮標準稠度用水量、28 d抗壓強度和水泥7 d水化熱指標，通過試驗比對，選定北京金隅水泥廠生產的琉璃河P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其比表面積為338 m2/kg，標準稠度用水量為27.0%，28 d強度為57.8 MPa，3 d水化熱為248 kJ/m3，7 d水化熱為290 kJ/m3。

2.2 粉煤灰選取

根據本工程應用，選取粉煤灰主要比較細度、需水量比、燒失量，通過多家試驗結果比較，選定唐山陡河Ⅰ級粉煤灰作為配比原材料，其細度為8.2%，需水量比為93%，燒失量為1.62%。

2.3 ?；郀t礦渣粉選取

分別對比了唐山銀水S95級礦粉和三河天龍S95級礦粉，其中，唐山銀水礦粉28 d活性指數96%，三河天龍礦粉102%。因此我們采用三河天龍礦粉。其比表面積為441 m2/kg，流動度比為97%。

2.4 骨料選取

細骨料選用級配良好、質地潔凈的張家口天然二區中砂，其細度模數為2.6，含泥量為1.5%，泥塊含量為0.1%，堆積密度為1.53 g/cm3，表觀密度為2.64 g/cm3；良好的級配可以使骨料具有盡可能小的孔隙率，從而降低混凝土膠凝材料用量。因此，本工程采用北京威克生產的5～10 mm與10～20 mm碎石二級配配制技術。2種粒級石子含泥量為0%，泥塊含量為0%，壓碎指標為4.0%～4.6%，針片狀含量為3%～4%。

2.5 外加劑選取

對北京建筑工程研究院（簡稱北京建研院）、河北合眾、北京方興化學生產的三種外加劑在減水率、緩凝性、保坍性、包裹性以及流動性方面進行綜合比較?；炷恋囊延醒芯拷Y果表明：混凝土的含氣量對鋼管內混凝土的膨脹性能有較大影響，含氣量過大會削減混凝土限制膨脹率[3]。因此，還應關注摻加高性能減水劑后混凝土的含氣量，控制值不宜超過3.0%。試驗發現北京建研院生產的聚羧酸外加劑的減水率較高，混凝土坍落度經時損失小，與水泥適應性好，北京建研院還根據鋼管柱混凝土施工及設計需求，優化了保坍效果，延長了凝結時間，改善了拌和物黏度及和易性，延緩水化熱的產生，有利于C60自密實鋼管混凝土施工及質量控制，具體試驗結果如表1所示。

表1 聚羧酸高性能減水劑對比試驗

2.6 膨脹劑選取

選用天津豹鳴股份有限公司生產的硫鋁酸鈣-氧化鈣Ⅱ型膨脹劑，比表面積為380 m2/kg，初凝時間165 min，終凝時間225 min，水中7 d限制膨脹率為0.054%，轉空氣中21 d限制膨脹率為－0.003%。

3 C60自密實補償收縮鋼管混凝土配合比優化設計與制備

3.1 自密實補償收縮鋼管混凝土的性能指標

根據工程應用與設計要求，確定C60自密實補償收縮鋼管混凝土性能指標。其中，自密實填充性能：坍落擴展度為660～755 mm（SF2）；間隙通過性：坍落擴展度與J環擴展度差值不大于25 mm（PA2）；抗離析性：離析率不大于15%（SR2）；混凝土限制膨脹率：水中14 d不低于0.020%，水中14 d轉空氣中28 d不低于－0.020%；混凝土60 d強度達到115%以上。

3.2 混凝土配合比的設計

對于高強自密實混凝土，由于水膠比比較低，混凝土中的水泥漿通常是富裕的，黏度也較大。太大的黏度影響混凝土流動性，而太大的水泥漿體積含量將會影響硬化混凝土的體積穩定性。因此，應采取一些技術措施，適當減小水泥漿的黏度，同時通過減少混凝土的用水量來降低混凝土中的水泥漿體積含量。如采用減水率較大的高性能減水劑，以及減水作用較強的優質粉煤灰。較大摻量的優質粉煤灰不僅可以較大幅度地減少混凝土的用水量，還有一定的提高混凝土體積穩定的作用。同時，采用較好級配的集料也可降低混凝土用水量和增加混凝土流動性。自密實混凝土配合比設計總的指導思想是以水泥漿的黏稠性來保證混凝土的穩定性，以水泥漿的體積含量來保證混凝土的流動性[4]。根據這一指導思想，依據JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》、JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規程》，采用絕對體積方法確定混凝土配比中各參數，配合比參數見表2。

表2 C60自密實配合比設計參數

依據已確定的配比參數，通過調整礦物摻合料中粉煤和礦粉比例及減水劑摻量來優化配合比，配合比中二級配石子比例確定方法為：把2種石子按5～20 mm連續級配要求中規定的累計篩余上下限范圍，以不同比例混合后檢測其孔隙率，最終確定（5～10 mm）∶（10～20 mm）為3∶7比例配制時，孔隙率最小，為39%，因此確定此比例為配合比中二級配石子用量比例。具體混凝土配合比如表3所示，配合比配制的混凝土性能檢測結果如表4所示。

表3 試驗用混凝土配合比

表4 混凝土各項性能指標

由表4可知，礦物摻合料中粉煤灰對強度的貢獻主要在中后期，而礦粉對強度的貢獻主要在中前期；礦粉用量大時容易出現泌漿、泌水現象，隨著粉煤灰摻量升高，混凝土壓力泌水率明顯降低，有利于泵送；粉煤灰由于其形態效應、火山灰效應、微集料效應，對于大體積高強自密實混凝土降低早期水化熱和提升混凝土體積穩定性更有利，因此在滿足強度和自密實性能達標的前提下，應選用大摻量粉煤灰配合比；粉煤灰和礦粉比例變化對混凝土膨脹劑效果影響不大，采用膨脹劑內摻膠凝材料用量10%時可以達到預期膨脹效果。綜合以上信息，確定編號為A6的配合比作為施工配合比。

3.3 混凝土配合比性能的驗證

1）因實際生產中不同批次原材料的性能指標會有波動，我們對確定配合比在不同時間段選取不同批次原材料進行反復試拌試驗，以驗證其在實際生產中的性能指標穩定性。由于各項原材料均采用唯一廠家生產，因此各項指標波動并不大，限于篇幅，各批次原材料性能試驗結果不再贅述，通過試驗證明此配合比在原材料指標有較小波動情況下，各項自密實性能指標及強度滿足設計要求，混凝土2 h坍落度損失小，初凝時間長，有利于大體積鋼管柱工程的實際頂升施工。不同批次原材料混凝土性能指標如表5所示。

表5 不同批次原材料混凝土性能指標

2）為驗證混凝土質量能否滿足施工工藝要求，同時驗證施工控制參數，測算泵送壓力數據，施工現場制作了足尺寸模型進行模擬澆筑試驗。達到相應齡期后，用電鋸切開鋼管柱，進行外觀檢查和鉆芯檢測強度。結果顯示：混凝土內部密實，與管壁結合緊密，在鋼管柱薄弱部位混凝土未出現有害裂縫，未出現核心混凝土與管壁脫空現象，混凝土芯樣強度為73.6～78.1 MPa，滿足設計要求。這些數據充分表明：設計制備的C60自密實補償收縮混凝土滿足頂升施工工藝各項技術要求，通過嚴格控制混凝土生產及施工各質量關鍵環節，此配合比可用于實際施工生產且結構實體質量優質達標。

4 工程應用

4.1 施工工藝

泵送頂升鋼管自密實混凝土是利用混凝土輸送泵的泵送壓力使自密實混凝土從柱根向上頂升逆向澆筑，直至注滿整根鋼管柱。這種方法利用泵送壓力和混凝土的重力使柱芯混凝土自密實，雖然頂升工藝對混凝土的性能要求較高，但施工速度快、綜合成本低、澆筑質量好，非常適宜于鋼管混凝土結構，尤其是具有復雜內部結構的鋼管混凝土施工[5]。豐臺站C60自密實補償收縮混凝土設計用量逾2萬 m3，采用頂升施工工藝進行混凝土澆筑，由于單柱截面尺寸大，每次頂升單節鋼管柱高度約7 m，頂升最高為2節14 m，該工程頂升設備選用中聯重科生產的HBT110.26.390RS型超高壓混凝土泵，頂升施工過程嚴格按照頂升施工方案控制。

4.2 施工結果檢測

通過質量跟蹤及施工單位提供信息，所有澆筑C60自密實補償收縮混凝土頂升過程順利，混凝土見證試塊60 d強度均達到115%以上?；炷撩軐嵍葯z測采用超聲檢測法，對柱腳、柱1/4處、柱1/2處、柱3/4處、柱頂的超聲波密實度檢測結果均達標，鋼管與核心混凝土黏結非常好。

5 結語

1）通過摻加聚羧酸高性能減水劑和優質礦物摻合料，粗骨料采取二級配等優化配合比措施，可制備出自密實性能良好的C60級高性能混凝土。

2）對于高強大體積自密實混凝土，可利用高性能膨脹劑補償混凝土自收縮，采用大摻量粉煤灰技術降低混凝土水化熱，減小溫差收縮及混凝土自收縮，最終確保了鋼管柱內混凝土未出現有害裂縫和核心混凝土與鋼管脫空現象，實現鋼管柱整體密實達標。

3）工程應用效果證明，高強自密實混凝土可應用大體積鋼管柱頂升施工工藝，通過有針對性的原材料選型和配合比設計優化，嚴格的生產質量控制和精心的施工組織策劃，能夠達到良好的施工效果及工程設計質量要求。