普通骨料優選化在超高層泵送混凝土中的應用研究

路飛，張磊，令建，彌楊志，張凱峰，吳超

（中建西部建設北方有限公司，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力傳遞作用，用于保證混凝土后期具有優良的穩定性和耐久性[1]。在超高層泵送混凝土施工中，往往要求預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配是影響混凝土工作性能的重要原因[2-4]。合理的骨料級配要求孔隙率小，以此達到較低的總表面積，從而減少水泥用量與濕潤骨料表面的需水量[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勢：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度與強度；降低生產成本提高經濟效益[7-9]。

目前在我國超高層泵送混凝土施工中，一般需要添加硅灰等超細礦物外加劑或利用精品骨料來改善混凝土的可泵性，而選用普通骨料并未摻超細礦物配制得到的混凝土很難實現超高層的泵送要求，特別是當施工高度達到 300m 時，泵送難度更是不易突破。本文則以西安國瑞金融中心超高層項目為依托，通過普通骨料優選工藝，在未摻加超細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用難點，為今后普通骨料在超高層泵送混凝土中的實踐應用具有重要的借鑒意義。

1 工程背景

國瑞西安金融中心項目位于西安市高新區創業新大陸北側，緊鄰城市主干道錦業路，東西側緊鄰規劃路，南側臨市政規劃創業新大陸綠化廣場；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，標準層 4.3m，設備層4.3/6m，總建筑高度達 350m，基礎結構形式為筏板樁基礎，主體結構為勁鋼框筒結構，屋蓋結構形式為桁架樓承板結構。該工程混凝土的泵送施工難度大，對混凝土的各項性能指標具有非常高的要求。

2 試驗

2.1 試驗原材料

水泥選用冀東水泥股份有限公司生產的 P·O42.5 水泥，各項性能指標良好。

粉煤灰選用陜西正源股份有限公司生產的Ⅱ級粉煤灰，細度為 14.6%。

礦物選用陜西立之林建材有限公司生產的 S95 級礦粉，比表面積為 430m2/kg，7d 活性指標為 74%，28d活性為 99%。

砂選用渭河產的中砂，含泥量為 2.4%，泥塊含量為 0.3%，顆粒級配屬于Ⅱ區砂，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的 5～31.5mm 級配的碎石，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北方有限公司生產的聚羧酸高性能減水劑，含固量為 20%，減水率為 26%。

2.2 試驗方法

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

表1 普通碎石級配設計

表2 普通砂級配設計

選取碎石粒級搭配、砂粒級搭配與砂率為因素制備混凝土進行正交優化設計試驗，以骨料體系緊密堆積空隙率為判定標準確定碎石與砂的最佳搭配比例，并確定了實際生產中普通骨料優選化的級配范圍。參照 GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》與 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》以混凝土坍落度、擴展度、倒坍時間、抗壓強度與經濟要素為指標，在相同條件下將采用優選化的普通骨料最佳配比制備的混凝土分別與未經普通骨料優選、加入超細礦物外加劑制備的混凝土進行對比分析。

在4—6月整層水汽輸送通量及其散度場差值場上(圖6c、d),西太平洋地區上空有一個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,常越等(2007)也指出前汛期期間南方降水的水汽來源主要為西太平洋地區。在圖6d中,菲律賓群島以東洋面為顯著的異常水汽輻散區,而江南地區以及黃海和東海海域為水汽異常輻合區。這種水汽通量及其散度場的異常分布型有利于江南地區水汽的聚集,表明冷水年對應著JRS降水異常偏多。

圖1 設計碎石級配曲線

圖2 設計Ⅱ區砂級配曲線

3 結果與分析

3.1 普通碎石搭配比例研究

設計 5～31.5mm 普通碎石連續粒級搭配比例，采用表 1 中的碎石搭配比例，研究不同碎石級配對粗骨料空隙率的影響，試驗結果如表 3 所示。

表3 普通碎石級配設計試驗結果

如圖 3 可知，所設計 G1～G5 普通碎石連續粒徑級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。其中級配設計 G3 組松散堆空隙率與緊密堆積空隙率均達到最小，分別為 41% 和36%。粗骨料空隙率的大小與碎石各級粒徑的搭配關系密切，結果表明當 2.36mm 號篩與 26.5mm 號篩分計篩余在合理區間內相同，9.50mm 號篩的累計篩余≥70%時，普通粗骨料級配空隙率最佳。

3.2 普通砂搭配比例研究

根據Ⅱ區砂對各粒級累計篩余的要求范圍，按照表2 設計的普通砂級配，研究不同砂級配對細骨料空隙率的影響，試驗結果如表 4 所示。

如圖 4 所示，所設計 S1～S5 普通砂連續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，其中級配設計 S2 與 S4 組松散堆空隙率與緊密堆積空隙率均達到最小，分別為 40% 和36%。由試驗結果可知，當適當提高 2.36mm 號篩累計篩余與降低 0.30mm 號篩累計篩余時，有利于減小普通砂的級配空隙率。

圖3 普通碎石級配空隙率

表4 普通砂級配設計試驗結果

圖4 普通砂級配空隙率

3.3 正交優化設計試驗

為進一步優化砂石骨料組合配比，采用正交優化設計使砂石組合整體的緊密堆積空隙率降至最低。選取碎石級配設計、砂級配設計以及砂率為變化因素，分析各因素對砂石空隙率的影響大小，確定最佳砂石搭配比例。本試驗選用 L9(34) 的三因素三水平正交試驗，因素水平如表 5 所示，正交試驗結果如表 6 所示。（為精確計算骨料級配空隙率正交優化結果，在本次正交試驗中孔隙率結果保留 1 位小數。）

綜合分析均值和極差得出，在正交試驗研究的 3 個獨立因素中，骨料的最佳級配組合為 A2B2C3 ，即碎石級配設計采取 G2 組，砂級配設計采取 S2 組，砂率為47%。

表5 正交試驗因素水平表

表6 正交優化設計試驗結果與直觀分析

表7 正交優化設計方差分析

方差分析各因素對骨料級配體系空隙率的顯著性影響，得出 F 比數據：碎石級配設計（1.087），砂級配設計（1.786），砂率（1.000）。因此，可以得出各因素顯著性影響強弱的先后次序為：砂級配設計＞碎石級配設計＞砂率，砂率的均方值最小，故作為誤差列。

3.4 生產用普通骨料優選化級配范圍

在正交試驗確定最佳骨料級配基礎上，為方便在實際生產中把控骨料進場質量，研究選取出合理的生產用普通骨料級配區間，每號篩的累計篩余上下浮動1%～3%，試驗結果如表 8 所示。（為精確對比普通骨料級配空隙率，在本次試驗中孔隙率結果保留 1 位小數。）

表8 生產用普通骨料級配范圍

由表 8 可知，P1 組合為正交試驗選取出的最佳骨料級配，在此基礎上當各號篩累計篩余上下浮動 1%～2% 范圍內，普通骨料級配體系的緊密堆積空隙率變化較小，屬于合理范圍。而當各號篩累計篩余上下浮動達到 3% 時，普通骨料級配體系的緊密堆積空隙率出現較大浮動，分別提高了 1.2% 與 1.0%。故生產用普通骨料級配范圍在 P1 組各號篩累計篩余基礎上，可上下浮動至 2%。

3.5 對比分析

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%，分別采用未經優選骨料、優選骨料與摻入 5% 硅灰三種方式制備C60 混凝土，對比分析混凝土各項性能，試驗結果如表9 所示。

表9 對比分析

由圖 5 與圖 6 可知，利用優選化普通骨料制備的混凝土其工作性能和力學性能明顯高于采用未經優選普通骨料配制的混凝土，這是因為經優選后的骨料級配應孔隙率小，粗細骨料的合理搭配在提高混凝土自身密實度的基礎上，降低了水泥漿體對骨料的包裹，從而改善混凝土的離析與泌水問題，進一步增強新拌混凝土的和易性以及成型后的力學強度。另外由表 9 中倒坍時間數據可以看出，在高強度等級新拌混凝土中采用經優選的普通骨料可降低其自身黏度，提升高強度等級混凝土的可泵性能。

目前國內的超高層建筑中，特別是建筑高度超過250m 的工程項目，往往采用摻入硅灰來實現混凝土的可泵性。將采用優選化普通骨料與采用未經骨料優選但加入硅灰制備的混凝土各項性能進行對比，結果顯示二者的工作性能基本一致，在力學性能上經優選化骨料混凝土的強度略低于經硅灰改性的混凝土，但均充分滿足C60 混凝土強度指標，達到工程實際應用標準。

圖5 工作性能對比

圖6 力學性能對比

在經濟指標方面，當前西安地區硅灰的價格大約在 1.2元/kg 左右，以西安國瑞經融中心超高層項目所用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到 5%，當膠凝材料用量選為 545kg/m3時，每方混凝土硅灰的成本價為 32.7 元，可見若采用普通骨料優選化制備混凝土，在同樣滿足施工要求的情況下，將大幅度節約生產成本，實現資源的高效利用。

本試驗最終依托國瑞西安金融中心超高層施工項目，在未添加超細礦粉基礎上，采用優選化普通骨料制備 C60 混凝土，并將其最大高度泵送至 350m，實現了普通骨料混凝土在 300m 以上超高層施工高度的連續泵送，具有顯著的經濟效益。

4 結論

（1）普通碎石優選化最佳級配設計為 G3 組，其松散堆積空隙率為 41%，緊密堆積空隙率為 36%。普通Ⅱ區砂優選化最佳級配設計為 S2 與 S4，其松散堆積空隙率為 40%，緊密堆積空隙率為 36%。

（2）確定普通骨料優化的最佳級配比例為碎石級配設計 G3，砂級配設計 S4，砂率 47%，此時骨料體系空隙率為 23.2%。砂級配設計對骨料級配體系空隙率的顯著性影響最強，其次是碎石級配設計，砂率最弱。

（3）在實際生產中，普通骨料優選化級配范圍在各號篩最佳累計篩余的基礎上，可上下浮動至 2%。

（4）利用優選化普通骨料制備的混凝土其工作性能和力學性能明顯高于采用未經優選普通骨料配制的混凝土。采用優選化普通骨料制備混凝土與采用未經骨料優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，將大幅度節約生產成本。本試驗最終依托國瑞西安金融中心超高層施工項目，采用優選化普通骨料制備 C60 泵送混凝土，并將其最大高度成功泵送至350m，實現了普通骨料優選化在超高層泵送混凝土中的有效應用。