武漢中心C70鋼管自密實混凝土試驗與工程應用

龐二波，王艷，張恒春，夏大回，葛文強，岳建男

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

鋼管混凝土是利用鋼管和混凝土在受力過程中的組合作用，通過鋼管對核心混凝土的約束，使核心混凝土處于三向應力狀態下，從而增強混凝土的強度和塑性變形能力；同時由于核心混凝土的存在可以延緩或避免外部鋼管過早發生局部屈曲，從而保證各部分材料性能的發揮[1]。因此，鋼管混凝土被認為是高層建筑和橋梁工程中比較理想的建筑材料。

武漢中心項目位于漢口王家墩 CBD 區，主樓建筑高度408m，結構為巨型框架—鋼筋混凝土核心筒—外伸臂支撐結構形式，共 16 根鋼管柱，直徑為 1500～3000mm，鋼管柱內設有橫向加勁板，導致澆筑時鋼管內混凝土不易振搗，施工難度大。為保證鋼管混凝土的施工質量，采用 C70 自密實混凝土，澆筑方式采用高拋法。對混凝土性能的具體要求為：設計強度 C70，28d 抗壓強度達 84MPa；混凝土和易性良好，具有高流動性，不離析泌水；初始坍落度 ≥250mm，擴展度（650±50）mm，倒筒時間＜10s，2h 坍落度保留值≥240mm，擴展度保留值≥600mm，II 型 U 型箱試驗填充高度 330～340mm；鋼管內混凝土密實，無空洞缺陷，混凝土與鋼管粘結良好，無可見縫隙。

1 試驗原材料

結合該工程混凝土的攪拌站生產特點，可供選擇的原材料品種為：

水泥：A 廠家 P·O42.5 和 B 廠家 P·O42.5，性能指標見表1；

粉煤灰：麻城 I 級，細度 7%，燒失量 3.5%，需水量比94%；

礦粉：亞東 S95，比表面積 410m2/kg，密度 2.78×103kg/m3，28d 活性指數 98%；

砂：細度模數為 2.6～2.8 的岳陽中粗河砂；石：陽新5～20mm 連續級配石灰巖碎石，性能指標見表 2；

外加劑：中建商品混凝土有限公司新型建材廠生產的聚羧酸高效外加劑，固含量 20%，減水率 32%；

水：自來水。

表1 水泥性能指標

表2 粗骨料性能指標

2 確定水泥品種

2.1 水泥水化溫升

武漢中心 C70 鋼管柱直徑在 1500mm 以上，屬于高強大體積混凝土，需要考慮混凝土自身因膠凝材料水化引起的溫升特點，盡可能降低大體積混凝土的絕熱溫升[2]。不同品牌水泥的水化放熱量和水化放熱速率存在差異，水灰比為 0.23 和0.35 的水泥凈漿，將凈漿體系放入近似直接法測水化熱的儀器中采集溫度，測得 A 廠家 P·O42.5 水泥和 B 廠家 P·O42.5水泥的水化溫升曲線。圖 1 為水灰比 0.23 的水化溫升曲線；圖2 為水灰比 0.35 的水化溫升曲線（圖 2 中 0.35-1 表示水灰比為 0.35，同時，摻入了 1.0% 的外加劑）。

圖1 水灰比 0.23 的水化溫升曲線

圖2 水灰比 0.35 的水化溫升曲線

2.2 水泥與外加劑適應性

考察兩種水泥水化放熱差異之外，尚需結合預拌混凝土生產特點，檢驗水泥與外加劑的適應性，確保適應性良好，確保拌合的混凝土工作性經時損失小，以利于工程施工。

采用原材料選擇中的聚羧酸外加劑，分別與兩種水泥進行凈漿流動度試驗。圖 3 為凈漿流動度試驗，圖 4 為凈漿流動度經時損失。

圖3 水泥凈漿流動度

圖4 凈漿流動度經時損失

從圖 3 中可見，兩種廠家水泥的凈漿流動度存在差異，在相同外加劑摻量下，A 廠家水泥的凈漿流動度小于 B 廠家的凈漿流動度，但是差異不大；圖 4 表明，在外加劑摻量為 1.2% 時，兩種水泥的初始凈漿流動度分別為 A 廠家水泥為 300mm，B 廠家水泥為 280mm，1h 凈漿流動度表現為 A廠家減小至 235mm，減小率為初始流動度的 17%，B 廠家水泥凈漿流動度無損失，2h 凈漿流動度分別為 A 廠家水泥減小至 200mm，減小率為初始流動度的 29%，B 廠家水泥減小至290mm，減小率為初始流動度的 3%。因此，可確定 B 廠家水泥與外加劑適應性比 A 廠家水泥適應性優。

從水泥水化溫升和水泥與外加劑適應性試驗，可以確定選擇 B 廠家水泥比 A 廠家水泥進行混凝土配合比設計具有更佳的經濟性和適用性。

3 試驗

3.1 試驗內容與試驗方法

在進行了一系列配合比設計后，確定了性能穩定、經濟合理的配合比，其中膠凝材料的用量為 580～610kg/m3，水泥用量為 350～420kg/m3，砂率為 44%，水膠比為 0.22～0.23，外加劑摻量為膠凝材料質量的 2.0%～2.8%。

從備選配合比中選擇一組配合比開展配合比工作性、強度驗證和自收縮測試。

結合 C70 鋼管混凝土特點，制定試驗內容，測試項目包括：混凝土工作性及經時損失、II 型 U 型箱通過能力、抗壓強度（采用 100mm×100mm×100mm 試塊）和自收縮規律。

混凝土工作性及經時損失測試；II 型 U 型箱通過能力測試；抗壓強度測試依據 GB/T 50081-2002 《普通混凝土力學性能試驗方法標準》執行；自收縮測試依據 GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》執行。

其中自收縮測試，分別采用占膠凝材料總量 6% 的HCSA 取代基準配合比的粉煤灰、礦粉，同時取代粉煤灰和礦粉，對比試驗各方案的自收縮差異。

3.2 結果及分析

表3 為混凝土工作性測試結果；圖 5 為 14d 強度均勻性驗證圖；圖 6 為 28d 強度均勻性驗證圖；圖 7 為 14d 和 28d平均強度圖；圖 8 為 28d 自收縮曲線。

表3 混凝土工作性測試 mm

從表 3 中可見，試驗驗證的 C70 鋼管自密實混凝土初始坍落度為 260mm、擴展度 700mm、倒筒時間 8.6s、通過 II 型U 型箱滿足工程要求；2h 坍落度無損失，擴展度為 690mm，工作性幾乎無損失。滿足工地現場實現自密實及泵送效果。準立方體試塊強度可達到 92.7MPa，強度富余比普通等級混凝土高，可保障生產混凝土供應質量。

圖5 14d 強度均勻性驗證

圖6 28d 強度均勻性驗證

圖7 14d 和28d 平均強度

圖8 28d 自收縮曲線

混凝土自收縮試驗結果見圖 8，從圖 8 中可見，基準配合比 28d 自收縮為 400×10-6。在室內小試件試驗中，C70 混凝土內摻 6% 的 HCSA 膨脹劑可有效減小混凝土的自收縮。然而，克萊洛夫曾用高溫 X 射線法研究了鈣礬石在干熱條件下的變化，指出在 50℃ 時出現無水石膏，證明鈣礬石已分解[4]。由于 C70 高強混凝土水膠比小，強度高，澆筑于工程結構后，自身水化導致內部相對濕度下降，同時，在夏季澆筑可使混凝土內部溫度高達 70℃ 以上，可能導致生成的鈣礬石分解，而失去抑制自收縮的性能。廈門怡山商業中心項目工程[5]未摻入膨脹劑，采用預埋測管經超聲波檢測表明，鋼管柱內部的混凝土結構密實，無裂縫、缺陷。因此，在本工程中未摻入 HCSA 膨脹劑。

4 工程應用

2012 年 4 月，陸續供應 C70 鋼管自密實混凝土方量約700m3。澆筑過程中，相關技術人員嚴格執行試驗過程中的技術措施，取得了良好的施工效果，現場檢測混凝土拌合物工作性能均符合要求，28d 抗壓強度達到設計指標，鋼管柱內部的混凝土結構密實，無裂縫、缺陷。

5 結論

（1）通過對水泥水化溫升及與外加劑適應性試驗，確定了水化溫升低、與備用外加劑適應性好的水泥品種。

（2）通過對備選配合比的工作性、力學性能和自收縮特性試驗，確定了滿足工程需要的混凝土配合比。試驗配合比的工作性良好，能通過II型U型箱，100mm×100mm×100mm試塊 28d 平均強度達 103.1MPa，28d 自收縮率為 400×10-6。

（3）實施效果表明，通過水泥品種篩選、原材料準備、配合比設計和相關性能研究，可保障 C70 鋼管自密實混凝土滿足設計和施工要求。

[1]尚作慶. 鋼管自應力自密實混凝土柱力學性能研究[D]. 大連理工大學，2007.

[2]胡永. 柳州三門江大橋大體積混凝土溫度控制技術[J]. 鐵道工程學報，2009(7):62-66.

[3]高志揚等. 高強混凝土抗壓強度尺寸效應綜述[J]. 混凝土，2011(5):33-35.

[4]趙順增，游寶坤. 補償收縮混凝土裂滲控制技術及其應用[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2010.

[5]楊善順. C60 高拋鋼管自密實混凝土的研究及應用[J]. 混凝土與水泥制品，2010(3):16-19.