C60自密实补偿收缩顶升钢管混凝土的研究与应用

张 越 孙晓明 陈 兵 王 智 王 浩

北京建工一建工程建设有限公司 北京 100054

近年来，随着建筑施工技术的飞速发展，钢结构在建筑中的应用越来越广泛，钢结构在超高层、大跨度、大空间、异形结构等方面，有着传统混凝土结构无法比拟的优势[1]。钢管混凝土柱因具有承载力高、抗震性能好、节约钢材等突出的优点，能有效改善结构抗震性能、减小构件尺寸、提高建筑的综合经济指标，在高层建筑和其他结构体系中得到广泛的应用。泵送顶升钢管自密实混凝土是利用混凝土输送泵的泵送压力使自密实混凝土从柱根向上顶升逆向浇筑，直至注满整根钢管柱，这种方法利用泵送压力和混凝土的重力使柱芯混凝土自密实，从而免去了繁重的振捣工作[2]。这种方法近些年才开始在建筑工程中应用，是目前比较先进的施工工艺。本文结合北京市某工程实践取得的较好效果，从高强自密实钢管柱混凝土原材料选型、配合比设计、生产质量控制、施工等方面阐述了其生产施工技术要点，为同类工程混凝土生产质量控制提供借鉴。

北京铁路枢纽丰台站位于北京市西南部丰台区，具体位置为丰管路以南，丰台东大街以东，丰台东路以北，西四环与西三环之间的地块内。丰台站站房地上4层，地下1层。站房建筑总规模为39.88万 m2，混凝土设计用量约80万 m3，该工程主体结构为劲钢结构，承重柱大部分为钢管高强混凝土柱，钢管混凝土设计浇筑总量逾2万 m3。钢管柱多为方形截面形式，钢管柱最小截面尺寸2 000 mm×2 000 mm，最大截面尺寸2 200 mm×2 200 mm，柱壁厚70 mm，内部分腔形式为四宫格或是九宫格，柱高7.0 m，钢管柱内有多层横向隔板或兼有纵向隔板，横向隔板上开直径400 mm进料孔4个，每孔四角设置直径40 mm透气孔。该工程钢管混凝土无论在混凝土强度方面，还是在柱的断面尺寸方面，是目前国内外少见的钢管混凝土工程，采用顶升免振捣混凝土施工技术。该工程项目效果图见图1。

图1 北京铁路枢纽丰台站改建工程（站房）效果图

2.1 水泥选取

水泥选取主要考虑标准稠度用水量、28 d抗压强度和水泥7 d水化热指标，通过试验比对，选定北京金隅水泥厂生产的琉璃河P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其比表面积为338 m2/kg，标准稠度用水量为27.0%，28 d强度为57.8 MPa，3 d水化热为248 kJ/m3，7 d水化热为290 kJ/m3。

2.2 粉煤灰选取

根据本工程应用，选取粉煤灰主要比较细度、需水量比、烧失量，通过多家试验结果比较，选定唐山陡河Ⅰ级粉煤灰作为配比原材料，其细度为8.2%，需水量比为93%，烧失量为1.62%。

2.3 粒化高炉矿渣粉选取

分别对比了唐山银水S95级矿粉和三河天龙S95级矿粉，其中，唐山银水矿粉28 d活性指数96%，三河天龙矿粉102%。因此我们采用三河天龙矿粉。其比表面积为441 m2/kg，流动度比为97%。

2.4 骨料选取

细骨料选用级配良好、质地洁净的张家口天然二区中砂，其细度模数为2.6，含泥量为1.5%，泥块含量为0.1%，堆积密度为1.53 g/cm3，表观密度为2.64 g/cm3；
良好的级配可以使骨料具有尽可能小的孔隙率，从而降低混凝土胶凝材料用量。因此，本工程采用北京威克生产的5～10 mm与10～20 mm碎石二级配配制技术。2种粒级石子含泥量为0%，泥块含量为0%，压碎指标为4.0%～4.6%，针片状含量为3%～4%。

2.5 外加剂选取

对北京建筑工程研究院（简称北京建研院）、河北合众、北京方兴化学生产的三种外加剂在减水率、缓凝性、保坍性、包裹性以及流动性方面进行综合比较。混凝土的已有研究结果表明：混凝土的含气量对钢管内混凝土的膨胀性能有较大影响，含气量过大会削减混凝土限制膨胀率[3]。因此，还应关注掺加高性能减水剂后混凝土的含气量，控制值不宜超过3.0%。试验发现北京建研院生产的聚羧酸外加剂的减水率较高，混凝土坍落度经时损失小，与水泥适应性好，北京建研院还根据钢管柱混凝土施工及设计需求，优化了保坍效果，延长了凝结时间，改善了拌和物黏度及和易性，延缓水化热的产生，有利于C60自密实钢管混凝土施工及质量控制，具体试验结果如表1所示。

表1 聚羧酸高性能减水剂对比试验

2.6 膨胀剂选取

选用天津豹鸣股份有限公司生产的硫铝酸钙-氧化钙Ⅱ型膨胀剂，比表面积为380 m2/kg，初凝时间165 min，终凝时间225 min，水中7 d限制膨胀率为0.054%，转空气中21 d限制膨胀率为－0.003%。

3.1 自密实补偿收缩钢管混凝土的性能指标

根据工程应用与设计要求，确定C60自密实补偿收缩钢管混凝土性能指标。其中，自密实填充性能：坍落扩展度为660～755 mm（SF2）；
间隙通过性：坍落扩展度与J环扩展度差值不大于25 mm（PA2）；
抗离析性：离析率不大于15%（SR2）；
混凝土限制膨胀率：水中14 d不低于0.020%，水中14 d转空气中28 d不低于－0.020%；
混凝土60 d强度达到115%以上。

3.2 混凝土配合比的设计

对于高强自密实混凝土，由于水胶比比较低，混凝土中的水泥浆通常是富裕的，黏度也较大。太大的黏度影响混凝土流动性，而太大的水泥浆体积含量将会影响硬化混凝土的体积稳定性。因此，应采取一些技术措施，适当减小水泥浆的黏度，同时通过减少混凝土的用水量来降低混凝土中的水泥浆体积含量。如采用减水率较大的高性能减水剂，以及减水作用较强的优质粉煤灰。较大掺量的优质粉煤灰不仅可以较大幅度地减少混凝土的用水量，还有一定的提高混凝土体积稳定的作用。同时，采用较好级配的集料也可降低混凝土用水量和增加混凝土流动性。自密实混凝土配合比设计总的指导思想是以水泥浆的黏稠性来保证混凝土的稳定性，以水泥浆的体积含量来保证混凝土的流动性[4]。根据这一指导思想，依据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》、JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》，采用绝对体积方法确定混凝土配比中各参数，配合比参数见表2。

表2 C60自密实配合比设计参数

依据已确定的配比参数，通过调整矿物掺合料中粉煤和矿粉比例及减水剂掺量来优化配合比，配合比中二级配石子比例确定方法为：把2种石子按5～20 mm连续级配要求中规定的累计筛余上下限范围，以不同比例混合后检测其孔隙率，最终确定（5～10 mm）∶（10～20 mm）为3∶7比例配制时，孔隙率最小，为39%，因此确定此比例为配合比中二级配石子用量比例。具体混凝土配合比如表3所示，配合比配制的混凝土性能检测结果如表4所示。

表3 试验用混凝土配合比

表4 混凝土各项性能指标

由表4可知，矿物掺合料中粉煤灰对强度的贡献主要在中后期，而矿粉对强度的贡献主要在中前期；
矿粉用量大时容易出现泌浆、泌水现象，随着粉煤灰掺量升高，混凝土压力泌水率明显降低，有利于泵送；
粉煤灰由于其形态效应、火山灰效应、微集料效应，对于大体积高强自密实混凝土降低早期水化热和提升混凝土体积稳定性更有利，因此在满足强度和自密实性能达标的前提下，应选用大掺量粉煤灰配合比；
粉煤灰和矿粉比例变化对混凝土膨胀剂效果影响不大，采用膨胀剂内掺胶凝材料用量10%时可以达到预期膨胀效果。综合以上信息，确定编号为A6的配合比作为施工配合比。

3.3 混凝土配合比性能的验证

1）因实际生产中不同批次原材料的性能指标会有波动，我们对确定配合比在不同时间段选取不同批次原材料进行反复试拌试验，以验证其在实际生产中的性能指标稳定性。由于各项原材料均采用唯一厂家生产，因此各项指标波动并不大，限于篇幅，各批次原材料性能试验结果不再赘述，通过试验证明此配合比在原材料指标有较小波动情况下，各项自密实性能指标及强度满足设计要求，混凝土2 h坍落度损失小，初凝时间长，有利于大体积钢管柱工程的实际顶升施工。不同批次原材料混凝土性能指标如表5所示。

表5 不同批次原材料混凝土性能指标

2）为验证混凝土质量能否满足施工工艺要求，同时验证施工控制参数，测算泵送压力数据，施工现场制作了足尺寸模型进行模拟浇筑试验。达到相应龄期后，用电锯切开钢管柱，进行外观检查和钻芯检测强度。结果显示：混凝土内部密实，与管壁结合紧密，在钢管柱薄弱部位混凝土未出现有害裂缝，未出现核心混凝土与管壁脱空现象，混凝土芯样强度为73.6～78.1 MPa，满足设计要求。这些数据充分表明：设计制备的C60自密实补偿收缩混凝土满足顶升施工工艺各项技术要求，通过严格控制混凝土生产及施工各质量关键环节，此配合比可用于实际施工生产且结构实体质量优质达标。

4.1 施工工艺

泵送顶升钢管自密实混凝土是利用混凝土输送泵的泵送压力使自密实混凝土从柱根向上顶升逆向浇筑，直至注满整根钢管柱。这种方法利用泵送压力和混凝土的重力使柱芯混凝土自密实，虽然顶升工艺对混凝土的性能要求较高，但施工速度快、综合成本低、浇筑质量好，非常适宜于钢管混凝土结构，尤其是具有复杂内部结构的钢管混凝土施工[5]。丰台站C60自密实补偿收缩混凝土设计用量逾2万 m3，采用顶升施工工艺进行混凝土浇筑，由于单柱截面尺寸大，每次顶升单节钢管柱高度约7 m，顶升最高为2节14 m，该工程顶升设备选用中联重科生产的HBT110.26.390RS型超高压混凝土泵，顶升施工过程严格按照顶升施工方案控制。

4.2 施工结果检测

通过质量跟踪及施工单位提供信息，所有浇筑C60自密实补偿收缩混凝土顶升过程顺利，混凝土见证试块60 d强度均达到115%以上。混凝土密实度检测采用超声检测法，对柱脚、柱1/4处、柱1/2处、柱3/4处、柱顶的超声波密实度检测结果均达标，钢管与核心混凝土黏结非常好。

1）通过掺加聚羧酸高性能减水剂和优质矿物掺合料，粗骨料采取二级配等优化配合比措施，可制备出自密实性能良好的C60级高性能混凝土。

2）对于高强大体积自密实混凝土，可利用高性能膨胀剂补偿混凝土自收缩，采用大掺量粉煤灰技术降低混凝土水化热，减小温差收缩及混凝土自收缩，最终确保了钢管柱内混凝土未出现有害裂缝和核心混凝土与钢管脱空现象，实现钢管柱整体密实达标。

3）工程应用效果证明，高强自密实混凝土可应用大体积钢管柱顶升施工工艺，通过有针对性的原材料选型和配合比设计优化，严格的生产质量控制和精心的施工组织策划，能够达到良好的施工效果及工程设计质量要求。

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