武漢中心C70鋼管自密實(shí)混凝土試驗(yàn)與工程應(yīng)用

龐二波，王艷，張恒春，夏大回，葛文強(qiáng)，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(guò)程中的組合作用，通過(guò)鋼管對(duì)核心混凝土的約束，使核心混凝土處于三向應(yīng)力狀態(tài)下，從而增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度和塑性變形能力；同時(shí)由于核心混凝土的存在可以延緩或避免外部鋼管過(guò)早發(fā)生局部屈曲，從而保證各部分材料性能的發(fā)揮[1]。因此，鋼管混凝土被認(rèn)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(xiàng)目位于漢口王家墩 CBD 區(qū)，主樓建筑高度408m，結(jié)構(gòu)為巨型框架—鋼筋混凝土核心筒—外伸臂支撐結(jié)構(gòu)形式，共 16 根鋼管柱，直徑為 1500～3000mm，鋼管柱內(nèi)設(shè)有橫向加勁板，導(dǎo)致澆筑時(shí)鋼管內(nèi)混凝土不易振搗，施工難度大。為保證鋼管混凝土的施工質(zhì)量，采用 C70 自密實(shí)混凝土，澆筑方式采用高拋法。對(duì)混凝土性能的具體要求為：設(shè)計(jì)強(qiáng)度 C70，28d 抗壓強(qiáng)度達(dá) 84MPa；混凝土和易性良好，具有高流動(dòng)性，不離析泌水；初始坍落度 ≥250mm，擴(kuò)展度（650±50）mm，倒筒時(shí)間＜10s，2h 坍落度保留值≥240mm，擴(kuò)展度保留值≥600mm，II 型 U 型箱試驗(yàn)填充高度 330～340mm；鋼管內(nèi)混凝土密實(shí)，無(wú)空洞缺陷，混凝土與鋼管粘結(jié)良好，無(wú)可見(jiàn)縫隙。

1 試驗(yàn)原材料

結(jié)合該工程混凝土的攪拌站生產(chǎn)特點(diǎn)，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(biāo)見(jiàn)表1；

粉煤灰：麻城 I 級(jí)，細(xì)度 7%，燒失量 3.5%，需水量比94%；

礦粉：亞?wèn)| S95，比表面積 410m2/kg，密度 2.78×103kg/m3，28d 活性指數(shù) 98%；

砂：細(xì)度模數(shù)為 2.6～2.8 的岳陽(yáng)中粗河砂；石：陽(yáng)新5～20mm 連續(xù)級(jí)配石灰?guī)r碎石，性能指標(biāo)見(jiàn)表 2；

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

水：自來(lái)水。

表1 水泥性能指標(biāo)

表2 粗骨料性能指標(biāo)

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(qiáng)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(diǎn)，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(cè)水化熱的儀器中采集溫度，測(cè)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(shí)，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(yīng)性

考察兩種水泥水化放熱差異之外，尚需結(jié)合預(yù)拌混凝土生產(chǎn)特點(diǎn)，檢驗(yàn)水泥與外加劑的適應(yīng)性，確保適應(yīng)性良好，確保拌合的混凝土工作性經(jīng)時(shí)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(jìn)行凈漿流動(dòng)度試驗(yàn)。圖 3 為凈漿流動(dòng)度試驗(yàn)，圖 4 為凈漿流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失。

圖3 水泥凈漿流動(dòng)度

圖4 凈漿流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失

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

從水泥水化溫升和水泥與外加劑適應(yīng)性試驗(yàn)，可以確定選擇 B 廠家水泥比 A 廠家水泥進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)具有更佳的經(jīng)濟(jì)性和適用性。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容與試驗(yàn)方法

在進(jìn)行了一系列配合比設(shè)計(jì)后，確定了性能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)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(zhì)量的 2.0%～2.8%。

從備選配合比中選擇一組配合比開(kāi)展配合比工作性、強(qiáng)度驗(yàn)證和自收縮測(cè)試。

結(jié)合 C70 鋼管混凝土特點(diǎn)，制定試驗(yàn)內(nèi)容，測(cè)試項(xiàng)目包括：混凝土工作性及經(jīng)時(shí)損失、II 型 U 型箱通過(guò)能力、抗壓強(qiáng)度（采用 100mm×100mm×100mm 試塊）和自收縮規(guī)律。

混凝土工作性及經(jīng)時(shí)損失測(cè)試；II 型 U 型箱通過(guò)能力測(cè)試；抗壓強(qiáng)度測(cè)試依據(jù) GB/T 50081-2002 《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行；自收縮測(cè)試依據(jù) GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。

其中自收縮測(cè)試，分別采用占膠凝材料總量 6% 的HCSA 取代基準(zhǔn)配合比的粉煤灰、礦粉，同時(shí)取代粉煤灰和礦粉，對(duì)比試驗(yàn)各方案的自收縮差異。

3.2 結(jié)果及分析

表3 為混凝土工作性測(cè)試結(jié)果；圖 5 為 14d 強(qiáng)度均勻性驗(yàn)證圖；圖 6 為 28d 強(qiáng)度均勻性驗(yàn)證圖；圖 7 為 14d 和 28d平均強(qiáng)度圖；圖 8 為 28d 自收縮曲線。

表3 混凝土工作性測(cè)試 mm

從表 3 中可見(jiàn)，試驗(yàn)驗(yàn)證的 C70 鋼管自密實(shí)混凝土初始坍落度為 260mm、擴(kuò)展度 700mm、倒筒時(shí)間 8.6s、通過(guò) II 型U 型箱滿(mǎn)足工程要求；2h 坍落度無(wú)損失，擴(kuò)展度為 690mm，工作性幾乎無(wú)損失。滿(mǎn)足工地現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)自密實(shí)及泵送效果。準(zhǔn)立方體試塊強(qiáng)度可達(dá)到 92.7MPa，強(qiáng)度富余比普通等級(jí)混凝土高，可保障生產(chǎn)混凝土供應(yīng)質(zhì)量。

圖5 14d 強(qiáng)度均勻性驗(yàn)證

圖6 28d 強(qiáng)度均勻性驗(yàn)證

圖7 14d 和28d 平均強(qiáng)度

圖8 28d 自收縮曲線

混凝土自收縮試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖 8，從圖 8 中可見(jiàn)，基準(zhǔn)配合比 28d 自收縮為 400×10-6。在室內(nèi)小試件試驗(yàn)中，C70 混凝土內(nèi)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(shí)出現(xiàn)無(wú)水石膏，證明鈣礬石已分解[4]。由于 C70 高強(qiáng)混凝土水膠比小，強(qiáng)度高，澆筑于工程結(jié)構(gòu)后，自身水化導(dǎo)致內(nèi)部相對(duì)濕度下降，同時(shí)，在夏季澆筑可使混凝土內(nèi)部溫度高達(dá) 70℃ 以上，可能導(dǎo)致生成的鈣礬石分解，而失去抑制自收縮的性能。廈門(mén)怡山商業(yè)中心項(xiàng)目工程[5]未摻入膨脹劑，采用預(yù)埋測(cè)管經(jīng)超聲波檢測(cè)表明，鋼管柱內(nèi)部的混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)，無(wú)裂縫、缺陷。因此，在本工程中未摻入 HCSA 膨脹劑。

4 工程應(yīng)用

2012 年 4 月，陸續(xù)供應(yīng) C70 鋼管自密實(shí)混凝土方量約700m3。澆筑過(guò)程中，相關(guān)技術(shù)人員嚴(yán)格執(zhí)行試驗(yàn)過(guò)程中的技術(shù)措施，取得了良好的施工效果，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)混凝土拌合物工作性能均符合要求，28d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，鋼管柱內(nèi)部的混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)，無(wú)裂縫、缺陷。

5 結(jié)論

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

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

（3）實(shí)施效果表明，通過(guò)水泥品種篩選、原材料準(zhǔn)備、配合比設(shè)計(jì)和相關(guān)性能研究，可保障 C70 鋼管自密實(shí)混凝土滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和施工要求。

[1]尚作慶. 鋼管自應(yīng)力自密實(shí)混凝土柱力學(xué)性能研究[D]. 大連理工大學(xué)，2007.

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[4]趙順增，游寶坤. 補(bǔ)償收縮混凝土裂滲控制技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

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