C60自密實鋼管柱頂升混凝土配合比設計及施工研究

劉國華，王海波

（1.北京市朝陽田華和眾商品混凝土攪拌站，北京 100022；2. 北京市高強混凝土責任有限公司，北京 110000）

C60自密實鋼管柱頂升混凝土配合比設計及施工研究

劉國華1,2，王海波2

（1.北京市朝陽田華和眾商品混凝土攪拌站，北京 100022；2. 北京市高強混凝土責任有限公司，北京 110000）

本文結合西門子總部辦公樓工程項目實際，采用北京市場現有優質的原材料，依照自密實混凝土設計規程，設計并優化配合比，制備出滿足輸送和頂升施工要求的鋼管柱混凝土，為鋼管混凝土順利施工和工程質量提供了保證；采用 YS 和HCSA 等膨脹劑對比技術方案降低混凝土收縮，使混凝土與鋼管柱緊密結合，達到了發揮鋼管柱混凝土的最佳效用。

鋼管柱；自密實；HCSA；頂升

0　前言

鋼管柱混凝土是由混凝土填入鋼管內而形成的一種新型的組合結構，鋼管內不再綁扎鋼筋，承載力高，耐火耐腐蝕性能好。它利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過程相互之間的組合，發揮彼此的優點，彌補彼此的缺點，因而具有良好的力學性能和經濟性。

鋼管混凝土一般采用從上至下的高拋澆筑施工方法，很少采用泵送頂升，主要是因為對頂升設備和混凝土的性能要求比較高。但是頂升混凝土不需要振搗，可節省大量的混凝土用工和機械，由于混凝土逆向澆筑，從下方進入的混凝土要克服已經澆筑的混凝土的阻力，會使混凝土更加密實，比傳統施工工藝澆筑的混凝土密實均勻，克服了高拋澆注混凝土出現混凝土勻質性差等問題。鋼管柱應用中的頂升混凝土一般均采用自密實混凝土，本文就“如何設計高強度等級的性能優越的自密實混凝土配合比，提高施工質量”和“在解決鋼管混凝土的剪切研究中如何讓鋼管壁與混凝土結構緊密結合，提高整體性能，克服環境等外部因素的變化以及干擾”這兩個問題通過試驗予以探討分析。

北京望京的西門子（中國）總部大樓是北四環外一座新的地標性的建筑，總建筑面積 6 萬平方米，地上 30 層，地下2 層，屬于鋼管混凝土結構與剪力墻混合結構，從主樓地面一層開始結構外圍框架結構豎向受力構件為 20 根鋼管混凝土柱，直徑從 1000mm、900mm、800mm、700mm 逐漸減小，內部填充素混凝土，混凝土強度等級 20 層以下為 C60，20 層以上為 C50。鋼管混凝土柱根據結構樓層每二至三層制作成一節，運至現場進行吊裝安裝。為了在保證施工質量和進度的同時確保鋼管混凝土的澆筑質量，保證混凝土與鋼管壁接觸緊密，施工前期對鋼管混凝土的澆筑工藝進行了多種研究和分析，最終決定采用泵送頂升的混凝土施工工藝。本文將結合此工程實例來探討以上兩個問題的解決方法。

1　混凝土試驗

1.1原材料

（1）水泥：選用北京拉法基·順發 P·O 42.5 水泥，試驗結果如表 1 所示。

表1　水泥的物理力學性能

（2）粉煤灰：選用山東德州華能電廠Ⅰ級灰，試驗結果見表 2。

表2　粉煤灰的性能

（3）礦渣粉：選用首鋼嘉華 S95 級粒化高爐礦渣粉，試驗結果列于表 3。

表3　礦渣粉的試驗結果

（4）膨脹劑：選用天津巖帥膨脹劑有限公司的 YS 和天津豹鳴股份有限公司的 HCSA 兩種膨脹劑，對比試驗結果如表 4。

表4　膨脹劑的試驗結果

（5）外加劑：減水劑亦選用兩個對比品種及品牌，一種選用北京瓊漿外加劑有限公司的 QJB 泵送劑，另一種選用天津雍陽減水劑股份有限公司的 UNF-5AST，其試驗結果對比如表 5 所示。

表5　減水劑的試驗結果

（6）砂、石：砂采用河砂，碎石采用密云首云5～20mm 尾礦石，試驗數據見表 6。

表6　砂石骨料的性能

1.2C60自密實混凝土配合比設計

1.2.1配合比試驗參數的確定

自密實混凝土的工作性能是研究的重點，需要從流動性、抗分離性、間隙通過性、填充性 4 個方面統一考慮，解決流動性和抗分離性的矛盾，從而提高間隙通過能力和填充性。此外，還要解決混凝土的高工作性與硬化混凝土力學和耐久性能的矛盾。

混凝土的漿骨比和砂率值對工作性能有很大的影響，漿骨比越大流動性越好，但是過大對于混凝土硬化后的體積穩定性不利，混凝土收縮值增大，硬化后的體積穩定性變差，所占體積比率最佳范圍是 35%～45%，可使混凝土具有良好的工作性能、力學性能和耐久性能；砂率適宜，粗骨料周圍包裹足夠的砂漿，不宜在間隙處聚集而影響填充和密實效果，為提高拌合料通過間隙的能力，砂率值宜為45%～52%，此處取低值，如果砂含石配合比應經過調整。

由于泵程較高，強度等級高，流動性指標按照 SF2 設計，采用絕對體積法進行計算。為控制混凝土收縮值，應首先采用控制膠凝材料總量不超過 550kg/m3，因此單方的自密實混凝土膠凝材料總量直接取上限不超過 550kg。避免因粗骨料體積過小造成混凝土彈性模量及力學性能降低，增大收縮開裂的風險，粗骨料密實體積亦取上限。已知該骨料的密度，可以計算出粗骨料的重量，剩余為空氣（一般以10L 計）體積和砂漿密實體積。C60 自密實高性能混凝土水膠比宜選用 0.28～0.32。由于按照公式計算水膠比摻合料種類較多，結合以往普通混凝土試驗數據，選取單一水膠比為0.30。

1.2.2配合比的確定

主要圍繞工作性能和強度來初步選定配合比思路，采用單一水膠比的“摻粉煤灰+內摻膨脹劑”，“粉煤灰+礦渣粉+膨脹劑”，普通膨脹劑摻量定為 12%，HCSA 摻量定為 8%來判定與外加劑及水泥適應性，只考慮不同摻合料比例的混凝土工作性能，而不考慮不摻加膨脹劑的方案。QJB 外加劑中復配氨基磺酸鹽和保塑組分，UNF-5AST 復配保坍組分，復配配方按照實際情況進行不斷微調。設計配合比如表 7。

表7　混凝土配合比

本項目的混凝土涉及到高層泵送以及考慮到屬于素混凝土范圍，測試項目擬定為 V 漏斗通過時間、填充性、坍落度、擴展度、強度、泌水。因為鋼管柱為三向模板限制狀態下養護的補償收縮混凝土[1]，所有抗壓強度試驗試體制作按照GB/T 50081－2012《普通混凝土力學性能試驗方法標準》第三章、第五章進行，用鋼模裝入，為減小尺寸效應全部采用150mm×150mm×150mm 試模成型，裝入混凝土之前確認模型擋塊不松動，裝入混凝土后無需振搗和插搗。試體帶模在濕潤狀態下養護至規定齡期。為保持潤濕狀態，將試體表面覆蓋濕布等。試驗結果見表 8。

表8　混凝土試驗結果

表 8 數據顯示，流動性最好的是 1 號和 4 號配合比，強度最好的是 3、4、7 號配合比；摻加 HCSA 配合比流動度等較摻加 YS 的差，但是強度要高；摻加礦渣粉的配合比混凝土強度和狀態一般。7 號配合比強度高可能與成型有關。

為了測定混凝土干縮率，在摻“粉煤灰+膨脹劑”的方案基礎之上調整混凝土配合比：以“粉煤灰+膨脹劑”配合比作為主要配合比，對比混凝土干縮率。①調整 HCSA 的摻量分別為 8%，10%，12%；②YS 摻量不變 12%；③對比一組礦渣粉干縮試驗數據；④對比萘系減水劑與聚羧酸減水劑的干縮率。混凝土配合比見表 9，對應的混凝土 7d、14d、28d 空氣中干縮率試驗及 14d 水中限制膨脹率結果見表 10。

1.2.3試驗結果分析與討論

摻加普通 UEA 的混凝土在水膠比較低時難以達到補償收縮的作用，高強度等級混凝土早期強度較高、水化熱高、密實度好、早期強度過高，也導致 UEA 有效潛能發揮不出來。摻加 HCSA 的混凝土當摻量達到 8% 以上時效果比較突出。摻加礦粉的補償收縮混凝土在水膠比較低時會降低混凝土收縮率，在這里未做更多的試驗。摻加 QJB 外加劑的收縮率較摻加 UNF-5AST 的混凝土收縮率大，與相關的研究結果觀點基本一致，常粉玲[2]等認為按照 GB/T 50082－2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》中平板刀口約束法試驗，水泥砂漿自收縮萘系大于聚羧酸聚羧酸減水劑，而推薦摻量范圍內聚羧酸減水劑的摻量對水泥砂漿自收縮和干燥收縮影響不大[2]。可以看出在補償收縮方面起主要作用的還是膨脹劑，其他材料對高強度的混凝土干縮率未有明顯的改變。由表 11 可以看出混凝土摻加膨脹劑的水中限制膨脹率也比較大。因此采用 48-4 配合比作為鋼管柱混凝土的配合比。

表9　用于測定干縮的混凝土配合比

表10　混凝土干縮試驗結果

表11　實際生產 C60 自密實配合比

1.2.4配合比復驗

實際生產選用的 C60 自密實混凝土性能見表 12。

表12　混凝土實測性能

表 12 數據顯示，C60 自密實混凝土坍落度 260mm 左右，擴展度 660mm。一小時坍落度損失為 0mm；3d、7d、28d 強度分別達到設計強度的 63%、98% 和 127%，強度性能滿足設計要求。

2　頂升混凝土澆筑

2.1頂升澆筑法

頂升澆筑法主要利用液體的原理。第一步是配制類似于液體的流動性混凝土，然后將混凝土泵管直接與鋼管柱根部相連，通過泵壓把混凝土泵入鋼管內部。實現鋼管內混凝土的頂升灌筑，必須滿足以下條件：①盡量增加混凝土的流動性。②合理地在空腔的隔板設置流漿孔。③留置一些排氣孔，使鋼管柱每個空腔內壓力相同，并保證空氣排出。④ 泵壓能夠滿足頂升要求；⑤對鋼管的承壓能力進行驗算，必要時采取加固措施。

2.2頂升混凝土施工工藝

在鋼管柱、梁安裝校正完畢，梁柱節點連接牢固，作業面壓型鋼板安裝完畢后可開始進行泵送施工。施工時要注意工作的連續性，同一根鋼管混凝土柱管內的混凝土要持續到頂端溢出混凝土為止。泵送時除有特殊要求，不需振搗混凝土以防堵管。進料短管管口以下部分的混凝土靠自由下落填滿，可在鋼管柱外部振搗以保證混凝土自然密實，時間控制在一分鐘以上。頂升過程中，專門人員對泵送壓力及和實際頂入的混凝土量進行記錄，并和理論混凝土量進行比較。為減少頂升摩擦力，在頂升混凝土的同時，可以采用從鋼管柱頂部溢流孔或排氣孔向鋼管柱內注入適量的相同配合比的水泥砂漿潤滑管壁，直至頂升結束。

2.3混凝土生產和養護

2.3.1混凝土生產注意事項

①原料控制應嚴格按照試配原料質量和來源進貨，不能更改原材料。

②攪拌時間：不能少于 1.5min，攪拌時間比普通混凝土延長。

③攪拌時投料順序采用水泥裹砂、石的二次投料[3]。

④澆筑時間：不宜在大氣溫度最高時澆筑，最好在傍晚或者夜間澆筑。

2.3.2混凝土養護等注意事項

①不宜用水沖淋鋼管柱壁。

②現場嚴禁加水，二次添加外加劑需經過批準。

③澆筑速度：控制混凝土澆筑的連貫性，接管換管等時間要縮短，最好在 20min 以內，使混凝土勻質性好，不能離析。和易性要好，要易于澆筑。

④成型后立即將柱子包裹，以便降低表里溫差。

2.4檢測

檢測依據《鋼管混凝土結構設計與施工規程》（CECS 28）和《建筑工程施工質量檢標準》（GB 50300）進行。鋼管混凝土混凝土澆筑質量可以采用鐵件敲擊鋼管的方法進行初步檢測，若有異常非沉悶的聲音，應采用超聲波檢測手段，對于不密實的部位，應采用鉆孔補漿的方法進行補強，然后將鉆孔補焊封閉。

2.5應用效果

工程應用中，我們加強生產管理和跟蹤，混凝土到現場擴展度 660mm，28d 實際抗壓強度按照帶模養護法抗壓強度均值為 70MPa，經業主和施工方的檢測，混凝土和鋼管壁緊密結合，效果良好。

4　結論

（1）通過對配合比的優化，采用雙摻“粉煤灰+膨脹劑”和復配外加劑生產的混凝土，很好地提高了自密實混凝土的施工性能，工程實踐證明該混凝土具有良好的施工性能。

（2）摻加“粉煤灰+HCSA 膨脹劑”及聚羧酸外加劑的混凝土配合比可以有效地克服混凝土收縮，使混凝土和鋼管柱緊密結合。

[1] 趙順增，劉立．HCSA 高性能膨脹劑及其混凝土性能的研究[M]．中國建筑材料科學研究總院，2007.5 附錄 A.

[2] 常粉玲，管宗甫．高效減水劑對水泥基材料收縮開裂的影響研究[J]．混凝土技術，2012,6：8．

[3] 韓素芳，王安嶺．混凝土質量控制手冊[M]．化學工業出版社．

［通訊地址］北京市朝陽區大郊亭橋東石門村（100022）

劉國華（1974—），工程師，北京市朝陽田華和眾商品混凝土攪拌站總工程師。