針式澆筑鋼管柱中C80自密實(shí)混凝土的研制和應(yīng)用

陳天月，曾子卓，龔方佩，鄧錦智

（廣州市建筑集團(tuán)混凝土有限公司 廣州 510700）

1 工程概況

某項(xiàng)目位于廣州市天河區(qū)珠江新城，東隔珠江西路與花城廣場相鄰，西臨華夏路，北臨黃埔大道，是珠江新城核心地區(qū)集商業(yè)、休閑、餐飲、辦公于一體的金融中心。項(xiàng)目總建筑面積約31.22 萬m2，地下室5 層，塔樓A共58層，高284 m，塔樓B共38層，高167 m。

2 針式澆筑施工總思路及對(duì)混凝土的性能要求

塔樓首層及頂層鋼管柱混凝土利用塔吊澆筑，其他樓層鋼管柱采用針式澆筑工藝，利用外框鋼筋桁架模板作為澆筑施工平臺(tái)，通過泵管進(jìn)行混凝土澆筑。視澆筑高度采取“兩層一澆”或“一層一澆”，在鋼管柱的中間開始澆筑，實(shí)現(xiàn)混凝土澆筑與上部鋼柱安裝同步進(jìn)行，改變以往鋼管柱吊裝需待柱內(nèi)混凝土澆筑完成才能進(jìn)行上節(jié)柱吊裝的施工方法，在澆筑鋼管柱混凝土的同時(shí)，同步安裝上部鋼管柱加快工程整體的施工進(jìn)度，鋼管柱內(nèi)C80 自密實(shí)混凝土采用高拋?zhàn)杂上侣涞姆绞?，澆筑期間無任何振搗措施，澆筑后料分布均勻，混凝土較密實(shí)且無離析現(xiàn)象。

3 C80自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)思路

自密實(shí)高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)參照《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程：JGJ∕T 283—2012》［2］中的設(shè)計(jì)方法，高強(qiáng)高性能混凝土配合比參數(shù)變化范圍相對(duì)比較小，更適合于根據(jù)經(jīng)驗(yàn)直接選擇參數(shù)然后通過試驗(yàn)確定［3］。原材料選擇原則應(yīng)有利于自密實(shí)混凝土的自流動(dòng)性、抗離析性、高強(qiáng)等技術(shù)要求：水泥選擇需水量小強(qiáng)度高的硅酸鹽水泥，活性摻合料的選擇要求滾珠效應(yīng)好，助于強(qiáng)度增長，使用高效減水劑，粗骨料選擇標(biāo)準(zhǔn)：粒型圓滑且最大粒徑不超過20 mm，細(xì)骨料選用含泥量少的干凈河沙。

4 原材料的選擇和相關(guān)參數(shù)

合理選用原材料是滿足高強(qiáng)、高性能混凝土設(shè)計(jì)要求的必要條件［3］。在本工程C80自密實(shí)混凝土的研制過程中對(duì)水泥、活性摻和料、外加劑、砂、石等原材料進(jìn)行大量的市場考察和對(duì)比試驗(yàn)，通過優(yōu)選驗(yàn)證后，確定的原材料品質(zhì)和性能如下：

4.1 水泥

考慮C80 自密實(shí)混凝土較高的高強(qiáng)度特征，本工程選擇在市場上口碑好，質(zhì)量穩(wěn)定的廣州某公司生產(chǎn)的P.Ⅱ52.5R水泥，主要技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 水泥主要技術(shù)性能指標(biāo)Tab.1 Main Technical Performance Indicators of Cement

4.2 摻合料

摻合料使用活性礦物摻合料，以發(fā)揮其在混凝土中減水效應(yīng)、活性火山灰效應(yīng)以及微集料填充效應(yīng)，使混凝土的施工性能、強(qiáng)度、耐久性得到有效提升［4］。通過采用多種摻合料組合的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)C80 高強(qiáng)高性能混凝土的最佳配合比進(jìn)行大量的對(duì)比試驗(yàn)，最終確定復(fù)合摻合料主要由礦渣粉和硅粉組成。礦粉選用鞍山鋼鐵集團(tuán)公司生產(chǎn)的S95 級(jí)礦渣粉，硅灰選用EM920D 等級(jí)，礦渣粉和硅粉主要技術(shù)性能指標(biāo)如表2、表3所示。

表2 礦渣粉主要性能指標(biāo)Tab.2 Main Performance Indexes of Slag Powder

表3 埃肯微硅粉主要性能指標(biāo)Tab.3 Main Performance Indicators of Eken Microsilicon Powder

4.3 粗、細(xì)骨料

粗骨料選用清遠(yuǎn)貴田石場顆粒級(jí)配為10～20 mm連續(xù)級(jí)配的優(yōu)質(zhì)花崗巖反擊破碎石，其粒形圓整、強(qiáng)度較好、壓碎指標(biāo)3.7%，含泥量0.2%，泥塊含量0%，針片狀含量0.2%。細(xì)骨料主要采用清遠(yuǎn)北江優(yōu)質(zhì)天然河砂，含泥量0.5%，泥塊含量0.1%，細(xì)度模數(shù)2.7。粗細(xì)骨料的主要技術(shù)性能指標(biāo)如表4、表5所示。

表4 粗骨料主要性能指標(biāo)Tab.4 Main Performance Indicators of Coarse Aggregate

表5 細(xì)骨料主要性能指標(biāo)Tab.5 Main Performance Indexes of Fine Aggregates

4.4 外加劑

外加劑采用高效減水，坍落度經(jīng)時(shí)損失小且能提高混凝土耐久性、質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品。本工程使用佛山某公司生產(chǎn)的FST-6 聚羧酸高性能緩凝減水劑，該型號(hào)產(chǎn)品與水泥相容性好，外加劑的主要技術(shù)性能指標(biāo)如表6所示。

表6 外加劑主要性能指標(biāo)Tab.6 Main Performance Indexes of Admixtures

4.5 水

混凝土拌合用水采用自來水。

5 配合比的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)

5.1 配制強(qiáng)度的確定［2］

高強(qiáng)混凝土配制強(qiáng)度按《高強(qiáng)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程：JGJ∕T 281—2012》要求確定：當(dāng)混凝土強(qiáng)度大于C60 時(shí)，配制強(qiáng)度應(yīng)不低于混凝土強(qiáng)度等級(jí)的1.15倍。

fcu，0≥1.15fcu，k=1.15×80=92.0 MPa

式中：fcu，0為混凝土配制強(qiáng)度（MPa）；fcu，k為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）。

5.2 配合比參數(shù)確定

5.2.1 膠凝材料的選擇確定

混凝土強(qiáng)度與膠凝材料用量呈在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)性，但膠凝材料過高會(huì)導(dǎo)致混凝土收縮過大，影響混凝土體積穩(wěn)定性和耐久性。根據(jù)《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)指南》中高強(qiáng)高性能混凝土的膠凝材料用量表查詢，配制C80 高強(qiáng)混凝土總膠凝材料用量控制在520～600 kg∕m3之間。本次選用標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量小強(qiáng)度高的P.Ⅱ52.5 水泥和需水量比小、強(qiáng)度活性高的硅粉和礦渣微粉。經(jīng)大量的對(duì)比試配驗(yàn)證，本工程總膠凝材料為570 kg∕m3，活性礦物的總參量為30%。

5.2.2 水膠比的確定

水膠比是混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的關(guān)鍵參數(shù)。在滿足工作性能的前提下，高強(qiáng)混凝土用水量盡可能少，選用需水量小的水泥，優(yōu)質(zhì)高效減水劑，多用摻合料經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)確定水膠比控制在0.25～0.26范圍內(nèi)。

5.2.3 砂率的確定

為了保證自密實(shí)混凝土工作性能，確保免振搗澆筑后料分布均勻自流動(dòng)充實(shí)，較高的砂率有利于骨料間相互運(yùn)動(dòng)，較多的漿體有利于混凝土拌合物的流動(dòng)，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)確定砂率為44%。

5.2.4 硅粉摻量的確定

硅粉是在冶煉硅鐵合金或工業(yè)硅時(shí)，通過煙道排出的粉塵，是以二氧化硅為主要成分的粉體材料，硅粉用于高性能混凝土中能夠顯著提高混凝土強(qiáng)度，提高抗?jié)B性能和耐腐蝕性能以及耐磨性能，但是摻加硅粉會(huì)增加混凝土開裂的危險(xiǎn)［5］，《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑：GB∕T 18736—2017》規(guī)定硅灰摻量一般控制在膠凝材料的10%之內(nèi)；本次使用經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)確定硅粉的摻量為8%。

5.2.5 外加劑的摻量的確定

外加劑選用佛山市某公司生產(chǎn)的FST-6 聚羧酸高性能緩凝減水劑，該型號(hào)產(chǎn)品減水率大于25%，與水泥相容性好，拌制的混凝土和易性好，無泌水和板結(jié)等現(xiàn)象，經(jīng)多次試配確定外加劑的摻量為2.0%。

6 配合比的試驗(yàn)與結(jié)果分析

6.1 配合比的試驗(yàn)

按照高強(qiáng)高性能混凝土的有關(guān)規(guī)范，結(jié)合平時(shí)積累的經(jīng)驗(yàn)［6］，比較準(zhǔn)確地算出膠凝材料用量，用水量、水膠比，砂率和粗細(xì)骨料的用量，考慮到混凝土在實(shí)際施工中的復(fù)雜性，為確?；炷临|(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性，在基礎(chǔ)配合比的基礎(chǔ)上反復(fù)進(jìn)行平行試驗(yàn)，具體方案如下［7］：①總膠凝材料不變，減少（增加）20 kg水泥；②降低（提高）2%砂率；③調(diào)整外加劑摻量，減少2%摻量，增加5 kg水；④調(diào)整外加劑摻量，增加2%摻量，減少5 kg水；⑤水膠比不變，總膠凝材料增加30 kg。

試驗(yàn)配合比如表7所示。

表7 混凝土試驗(yàn)配合比Tab.7 Concrete Test Mix Ratio

6.2 混凝土的性能指標(biāo)對(duì)比如表8所示。

表8 混凝土的性能指標(biāo)對(duì)比Tab.8 Comparison of the Performance Indexes of the Concrete

經(jīng)過驗(yàn)證試驗(yàn)，通過對(duì)各項(xiàng)性能指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)性能的分析，最終確定混凝土生產(chǎn)配合比，如表9所示。

7 混凝土的生產(chǎn)、運(yùn)輸、泵送施工管理要求

7.1 攪拌工藝技術(shù)參數(shù)調(diào)整

采用攪拌性能良好的MAO4500 雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)，生產(chǎn)C80對(duì)攪拌參數(shù)做了相應(yīng)的調(diào)整，原材料的投料順序［8］為先投砂，再投粉料（水泥、礦渣粉、硅粉等），干拌30 s，再投外加劑和水濕拌20 s，最后投碎石，從開始投料到開倉門卸料，總時(shí)間120 s。為確保每盤混凝土攪拌性能良好，嚴(yán)格限制最大單盤生產(chǎn)量不得高于原設(shè)計(jì)攪拌方量的80%。普通混凝土和C80 混凝土攪拌工藝技術(shù)參數(shù)對(duì)比如表10所示。

表10 攪拌工藝技術(shù)參數(shù)要求Tab.10 Requirements for the Technical Parameters of the Mixing Process

7.2 質(zhì)量監(jiān)控

提前安排材料員組織C80 專用材料入庫，并做好特殊材料的分倉工作，質(zhì)檢員專人檢查原材料質(zhì)量，核對(duì)C80 生產(chǎn)配方，檢查配方物料名稱對(duì)應(yīng)生產(chǎn)系統(tǒng)的倉號(hào)名稱，經(jīng)技術(shù)負(fù)責(zé)人復(fù)核簽名確認(rèn)后才可以生產(chǎn)。配料員檢查操作系統(tǒng)界面上的倉號(hào)和材料名稱相符。

做好首盤開盤鑒定工作，跟據(jù)混凝土的情況做出首盤鑒定后才能連續(xù)生產(chǎn)混凝土。每車裝載完畢后，對(duì)該車取樣檢驗(yàn)工作性能，確保拌合物不泌水、不離析，具有很強(qiáng)的保塑性和較好的流動(dòng)度。出機(jī)坍落度應(yīng)控制在260±10 mm，擴(kuò)展度控制在600±30 mm，倒筒流速時(shí)間盡量控制在10 s 以內(nèi)，并保持2 h 內(nèi)的坍落度損失不應(yīng)大于20 mm。

質(zhì)檢員時(shí)時(shí)監(jiān)控砂、石含水變化情況，每連續(xù)生產(chǎn)4 h應(yīng)檢測一次砂、石含水，配料員與試驗(yàn)室質(zhì)檢班長緊密配合，根據(jù)混凝土狀態(tài)變化及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整砂、石含水率。

7.3 運(yùn)輸和泵送

攪拌車裝料前要求司機(jī)必須反轉(zhuǎn)倒清攪拌筒體內(nèi)的積水、積漿，運(yùn)輸過程中保證攪拌筒按照一定速度旋轉(zhuǎn)，混凝土入泵前應(yīng)高速旋轉(zhuǎn)30 s 以上再卸料。運(yùn)輸過程中和卸料時(shí)不能往攪拌車內(nèi)加水，運(yùn)輸結(jié)束后必須及時(shí)清洗攪拌車攪拌筒，避免殘留混凝土凝固積塊。

C80 混凝土從出機(jī)到工地卸料結(jié)束，應(yīng)嚴(yán)格控制在3 h之內(nèi)，最長不超過4 h。

8 工程應(yīng)用實(shí)例

珠江新城某項(xiàng)目自2017 年8 月開工以來，項(xiàng)目部克服了場地狹窄、新冠疫情、工期緊等難題，于2021年12 月實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全面封頂?？偣补?yīng)C80 自密實(shí)混凝土超過8 000 m3，施工過程混凝土泵送順利，所留試件混凝土的28 d 抗壓強(qiáng)度為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的116%～129%，滿足混凝土力學(xué)性能的要求，得到了建設(shè)方、監(jiān)理方、施工方的肯定和贊揚(yáng)。項(xiàng)目中施工方自主研發(fā)的鋼管混凝土柱“針式”澆筑施工技術(shù)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

9 結(jié)論

目前，自密實(shí)混凝土在混凝土的領(lǐng)域技術(shù)已經(jīng)比較成熟［9］，而針式澆筑鋼管柱自密實(shí)混凝土的研究應(yīng)用相對(duì)較少，這是一項(xiàng)復(fù)雜的施工工序，為了滿足高強(qiáng)高性能的要求，通過優(yōu)選原材料、優(yōu)化混凝土配合比［10］，確定的工藝參數(shù)如下：混凝土的總膠凝材料控制在600 kg∕m3以下；選用優(yōu)質(zhì)礦渣和硅粉，總摻量在30%，硅粉的摻量8%；砂率44%，高效減水劑摻量為2%，最后的確定的生產(chǎn)配合比為水泥∶礦渣∶硅粉∶砂∶石∶水∶加劑=400∶125∶45∶744∶950∶145∶11.4。生產(chǎn)過程中通過調(diào)整物料投入攪拌機(jī)的延時(shí)參數(shù)，先投入細(xì)骨料（砂），膠凝材料干拌30 s 后，再投入水和外加劑濕拌20 s，最后投入粗骨料（碎石）再攪拌60 s，確?；炷脸浞?jǐn)嚢杈鶆?，配制出的混凝土具有?yōu)良的工作性，坍落度達(dá)到260 mm 左右，擴(kuò)展度大于600 mm；2 h坍落度落度保留值為240 mm，保水性好，泌水率??；同時(shí)還具有良好的力學(xué)性能、微膨脹性能和耐久性能，滿足了針式澆筑鋼管柱的技術(shù)要求，并在珠江新城某項(xiàng)目中成功應(yīng)用。