自密實微膨脹鋼管混凝土的應用

宋德強（中山市東峻混凝土有限公司）

自密實微膨脹鋼管混凝土的應用

宋德強
（中山市東峻混凝土有限公司）

隨著建筑技術的發展和社會的進步，高層超高層建筑和大跨徑結構越來越多，鋼管混凝土結構由于其具有承載力高、塑性好、韌性高、抗震性能好等優點已在高層超高層建筑和大跨徑結構中得到了廣泛應用。本文主要介紹自密實微膨脹鋼管混凝土的原材料性能、混凝土技術要求、配合比設計、施工方法及工程應用情況。

自密實微膨脹混凝土；配合比設計；鋼管混凝土；施工方法；工程應用

1 引言

鋼管混凝土是指在鋼管中澆筑混凝土而形成的混凝土構件，鋼管內部填充的混凝土增強了鋼管的穩定性，外部鋼管的約束作用使混凝土處于三向應力狀態，可以大大提高混凝土的抗壓強度和抵抗變形能力。鋼管混凝土構件具有鋼材和混凝土的組合性能，結構具有承載力高、塑性好、韌性高、抗震性能好等優點。目前鋼管混凝土已在高層超高層建筑和大跨徑結構中得到了廣泛應用。但鋼管混凝土也存在混凝土振搗困難、難以密實、混凝土收縮等問題，極易導致混凝土強度不達標、內部缺陷、鋼管混凝土脫空，從而影響鋼管混凝土結構整體性能的發揮[1,2]。

自密實微膨脹混凝土不僅具有自密實混凝土所具有的高流動性、高抗離析性、無需振搗即可自密實等特點，同時通過摻加優質膨脹劑產生的微膨脹作用可以補償混凝土產生的收縮。自密實微膨脹混凝土為解決鋼管混凝土施工困難、混凝土脫空等質量問題提供了技術保證。

2 自密實微膨脹混凝土的性能要求

自密實微膨脹混凝土的性能應符合《自密實混凝土應用技術規程》（GB50936-2014）、《鋼管混凝土結構技術規范》（GB50204-2015）、《補償收縮混凝土應用技術規程》（JGJ/T 178-2009）、《高拋免振搗混凝土應用技術規范》（JGJT 296-2013）、《混凝土結構工程施工質量驗收規范等標準規范》（GB 50204-2015）等標準規范的要求以及工程設計文件等的要求。主要性能指標包括原材料的性能要求、混凝土拌合物的性能要求（坍落擴展度、倒坍時間、T500、離析率、U型箱實驗填充高度等）、硬化混凝土的力學性能、變形性能和耐久性及實體結構的性能等。

3 自密實微膨脹混凝土配合比設計中應注意的問題

自密實微膨脹混凝土配合比設計應按照《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011）、《自密實混凝土應用技術規程》（GB50936-2014）、《自密實混凝土應用技術規程》（CECS203:2006）、《鋼管混凝土結構技術規范》（GB50204-2015）、《補償收縮混凝土應用技術規程》（JGJ/T 178-2009）、《高拋免振搗混凝土應用技術規范》（JGJT 296-2013）等標準規范的要求、工程的設計要求等進行。在混凝土配合比設計中應注意以下問題：

⑴自密實混凝土配合比應根據結構物的結構條件、施工條件以及環境條件所要求的自密實性能進行設計，在綜合強度、耐久性和其他必要性能要求的基礎上，提出試驗配合比。

⑵在進行自密實混凝土配合比設計調整時應考慮水膠比對自密實混凝土設計強度的影響和水膠比對自密實性能的影響。

⑶自密實微膨脹混凝土配合比設計宜采用絕對體積法。

⑷膨脹劑摻量（代替膠凝材料率）為10%～12%，對于低摻量的高性能膨脹劑為6%～8%，應符合《混凝土外加劑應用技術規范》（GBJ 119）的要求。補償收縮混凝土最重要的技術指標是限制膨脹率，以膨脹率預定值確定膨脹劑的摻量。實際膨脹劑摻量必須通過試驗來確定。

⑸自密實混凝土宜采用增加粉體材料用量和優選優質高性能減水劑，摻加硅灰、超細粉煤灰等礦物摻合料來改善漿體的粘性和流動性。

4 自密實微膨脹鋼管混凝土的施工技術方法

目前，國內外常見的鋼管混凝土施工方法主要有泵送頂升澆筑法、高位拋落免振搗法及人工振搗密實法等。泵送頂升澆筑法的原理為在鋼管柱根部開設澆筑孔，使用混凝土泵送設備進行泵送頂升，通過鋼管內混凝土的自重和泵送向上的沖力，使混凝土充分密實。該施工方法能將自密實混凝土一次性泵送到所需高度，減少了工序環節，可大幅降低勞動強度，加快施工進度。高位拋落免振搗法的原理為將混凝土從一定高度拋落，充分利用混凝土下落時的動能及混凝土自身的性能達到充分密實的效果。其主要缺點是施工時間長，管內混凝土不連續，整體性差。人工振搗密實法的原理為在混凝土澆筑過程中利用振搗設備或者人工對混凝土實施振搗，以達到密實的效果。該方法是鋼管混凝土剛產生常采用的施工方法，施工速度慢，混凝土施工質量相對較差[3～5]。

本節主要介紹泵送頂升澆筑法和高位拋落免振搗法的施工工藝。泵送頂升澆筑法的施工工藝如下：

⑴在鋼管柱根部開設一個澆筑孔，插入一根端口朝外的90°彎泵管，并將其焊接在鋼管柱上，斜口向上，并在泵管連接處焊接一個止流閥（泵管型號應與連接泵送設備的泵管型號相同，便于泵管連接及布管）；

⑵在鋼管柱頂端設置直徑100mm的排氣孔；

⑶布置及連接泵管；

⑷澆筑混凝土直至排氣孔出現冒漿為止，間隔10min再泵送一次，以盡可能地排出鋼管柱內的氣體；

⑸澆筑過程中及時監測混凝土澆筑密實情況；

⑹混凝土澆筑完成后關閉止流閥，防止混凝土回流[4]。

高位拋落免振搗法的施工工藝如下：

⑴根據工程的澆筑區域、構件類型、配筋情況、高拋高度等選擇機具與澆筑方法，澆筑布料間距不宜大于4m；

⑵混凝土澆筑前應先澆筑一層厚度為100～200mm的同標號砂漿，防止自由下落的混凝土粗骨料產生彈跳，影響混凝土強度；

⑶出料口應伸入鋼柱，利用混凝土下落產生的動能達到混凝土自密實的效果；

⑷各布料點均勻布料，加強節點處的人工振搗；

⑸澆筑過程中應注意拋落高度、澆筑高度、時間間隔等關鍵參數，嚴格檢驗混凝土拌合物性能，及時監測混凝土澆筑密實情況。

5 自密實微膨脹鋼管混凝土的工程應用

5.1天津高銀117大廈[6,7]

天津高銀117大廈是一幢集辦公、酒店、精品商業等于一體的特大型超高層建筑，是中國北方第一高樓。117大廈總建筑面積37萬m2，地下3層，地上117層，結構高度596.2m，為中國結構第一高樓。

117大廈主體結構采用鋼筋混凝土核心筒-巨型框架支撐結構體系。核心筒為混凝土內包鋼板和勁性鋼骨的剪力墻結構，外筒由四角4根巨型柱與巨型桁架、巨型斜撐共同組成。其中，外筒四角4根巨型柱為多腔體異形鋼管混凝土巨型柱，最大橫截面尺寸為24m× 22.8m，由29個腔體組成，各腔體間不連通，腔體內有大量肋板及大50mm大直徑豎向鋼筋，這在超高層建筑中十分罕見，混凝土無振條件，施工難度極大。巨型柱從基礎筏板以0.88°向內傾斜貫穿至117層(583.65m)，其中35層(182.96m)以下為C70高強混凝土，單次最大澆筑方量達3400m3。另外，地上主塔樓巨型柱與環帶桁架、巨型支撐交接處的加強層節點，其腔體構造復雜，豎向、水平隔板各5道，混凝土施工時不具備無振搗條件?；炷翝仓r具有一定的拋落高度，最大拋落高度超過30m。經試驗研究并結合工程實際情況確定采用C70高拋免振搗自密實混凝土進行施工，117大廈巨型柱C70高拋免振搗混凝土配合比如表1所示。混凝土拌合物坍落擴展度650mm，T50=3.9，倒坍時間為4.2s；7d抗壓強度為71.1MPa，28d抗壓強度達到89.7MPa，滿足設計要求。

高拋免振搗自密實混凝土澆筑施工過程中應嚴格控制混凝土工作性能（進場混凝土擴展度≥650mm，3h擴展度損失不超過50mm，且不能離析泌水），澆筑過程實時監測巨型柱內混凝土密實度，施工過程中注意混凝土拋落高度及澆筑厚度（每次下料高度控制在2m，間隙10～15min后再繼續下料，拋落高度應≥4m，對于拋落高度<4m的部分，需應用內部振搗器振實），澆筑結構隔板處混凝土，應間隔15min，以便有足夠時間排出腔內空氣，確?；炷翝仓軐?。巨型鋼管柱橫隔板下界面及異形角部部位對混凝土的自密實性能要求最高，最容易出現不密實情況，施工過程中應特別注意。

表1 117大廈巨型柱C70高拋免振搗混凝土配合比/kg·m-3

為確保施工質量采用模擬鋼管柱進行試驗，破壞性剖面試驗結果表明C70高拋免振搗自密實混凝土能夠完全填充巨型柱整個腔體，橫隔板下界面及角部混凝土界面黏結情況良好，硬化混凝土無缺陷，混凝土自密實性能良好。

5.2武漢綠地中心[8]

武漢綠地中心工程位于武漢市武昌濱江商務CBD區核心區，是武漢綠地國際金融城項目的核心工程，該項目由上海綠地集團投資建設，中國建筑第三工程局承建。武漢綠地中心是世界第三高樓，建筑最高636m，項目建成后將成為華中新地標。其中主樓建筑高度408m，結構型式為鋼筋混凝土核心筒-外伸臂支撐-巨型框架結構，設計有16根巨型鋼管柱，直徑為1.5～3.0m，鋼管混凝土設計強度為C70，28d抗壓強度要達到84MPa。

由于鋼管柱內設有橫向加勁板，混凝土難以振搗密實，施工難度大，為保證鋼管混凝土的施工質量，采用自密實混凝土，結合工程實際情況鋼管混凝土施工方法采用高空拋落免振搗法。自密實混凝土配合比關鍵參數為：水泥（P·O42.5）用量為350～420kg/m3，礦物摻合料為I級粉煤灰、S95礦渣微粉等，總膠凝材料的用量為580～610kg/m3，砂率（SP）為44%，水膠比（W/B）為0.22～0.23，聚羧酸減水劑摻量為膠凝材料質量的2.0%～2.8%。自密實鋼管混凝土澆筑過程中，相關技術人員嚴格按照混凝土質量控制方案的要求進行混凝土質量控制，取得了良好的施工效果。現場抽檢混凝土拌合物工作性能符合施工要求，混凝土和易性良好，具有高流動性，不離析泌水。混凝土的28d抗壓強度達到設計指標，且有較大的富裕系數。經實體檢測鋼管柱內部的混凝土結構密實，無裂縫、缺陷，施工質量優良。

5.3西安綠地中心[9]

西安綠地中心由上海綠地集團投資開發是西北地區在建第一高樓，建筑高度270m，地下3層，地上57層，建筑面積約17萬m2，由A、B座兩棟樓組成雙子塔，總投資達35億元，抗震設防烈度8度，主樓鋼管柱混凝土、鋼板剪力墻為C60自密實混凝土，其主樓鋼管柱混凝土最大高拋高度達到8m。鋼管混凝土原材料及配合比體系見表2和表3。

混凝土拌合物性能如下：初始坍落度均超過240mm、坍落擴展度均超過650mm，2h擴展度損失均不超過30mm，T500時間均不超過5.5s，倒坍時間均不超過7s，各組混凝土工作性良好?；炷?8d抗壓強度硅灰體系最高達到72.4MPa，I級粉煤灰體系為68.4MPa，II級粉煤灰體系為67.0MPa。

實際施工過程中，中建商品混凝土有限公司控制混凝土攪拌時間為120s/盤，混凝土拌合物擴展度控制在(650±50)mm，倒坍落度控制在10s以內，不離析泌水，混凝土工作性良好。施工單位在2013年7月至2013年11月，成功澆筑地下室至地上6層鋼管混凝土約3000m3，經檢測混凝土質量良好，達到設計要求。

6 結語

表2 西安綠地中心C60自密實鋼管混凝土原材料

表3 西安綠地中心C60自密實鋼管混凝土配合比/kg·m-3

鋼管混凝土結構可以充分發揮鋼材和混凝土的材料特性與優點，近幾年來在高層超高層建筑工程中得到廣泛應用，被認為是高層超高層建筑技術的一次重要突破[10,11]。但鋼管混凝土結構也同時存在混凝土施工難度大，易出現質量缺陷等問題，自密實微膨脹混凝土可以有效解決鋼管混凝土結構施工難度大、振搗密實困難、混凝土強度不足、混凝土脫空等質量問題。應深入研究自密實微膨脹混凝土的配合比設計方法、混凝土質量提升關鍵技術并進行施工關鍵技術的研究進一步提升鋼管混凝土結構的性能，促進超高層建筑和大跨徑結構的發展。

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