混合砂高拋?zhàn)悦軐?shí)鋼管混凝土試驗(yàn)研究與應(yīng)用

王義恒，魏義福，陳超，景曉光，李莎

（華新水泥股份有限公司，湖北 武漢 430070）

0 前言

在天然資源匱乏的時(shí)代，細(xì)砂、機(jī)制砂越來(lái)越多地被用于制備混凝土，湖北省西北地區(qū)天然細(xì)砂資源豐富，細(xì)度模數(shù)僅為 1.8～2.2，并不適合單獨(dú)使用制備自密實(shí)鋼管混凝土；對(duì)于機(jī)制砂來(lái)說(shuō)，本身的級(jí)配不良問(wèn)題將會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)制砂混凝土的性能[1]，機(jī)制砂多為小廠生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量往往達(dá)不到規(guī)范要求的級(jí)配范圍，且含泥量、石粉含量均較高，單獨(dú)使用機(jī)制砂的混凝土往往出現(xiàn)出機(jī)坍落度小、坍落度損失大的情況[3-5]；但卵石破碎原狀機(jī)制砂用于配制強(qiáng)度等級(jí) C30～C50 混凝土?xí)r石粉含量可突破現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 14684—2011《建筑用砂》的限制[2]。鄂西北當(dāng)?shù)貦C(jī)制砂具有含泥量小、成本低、外加劑使用量少等特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)?shù)靥烊簧芭c機(jī)制砂的特點(diǎn)，將兩種砂混合使用制備混凝土，可達(dá)到改善混凝土拌合物性能、提高力學(xué)性能、節(jié)約資源的目的，取得良好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

鋼管混凝土主要作用是把混凝土灌入鋼管中并搗實(shí)以加大鋼管的強(qiáng)度和剛度[6]。在鋼管混凝土施工過(guò)程中，由于鋼管內(nèi)操作空間小、作業(yè)高度等因素影響，普通振搗難以實(shí)現(xiàn)，且無(wú)法采取壓注、頂升施工工藝時(shí)，高位拋落法（簡(jiǎn)稱高拋法）成為一種選擇[7]。

在天然砂質(zhì)量較差或匱乏地區(qū)，將混合砂應(yīng)用于高拋?zhàn)悦軐?shí)鋼管混凝土是綠色環(huán)保施工的熱點(diǎn)話題。

1 試驗(yàn)原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

（1）水泥：湖北華新堡壘牌 P·O42.5 級(jí)水泥，主要性能指標(biāo)如表1 所示。

（2）粒化高爐礦渣粉：湖北中和礦粉廠 S95 級(jí)礦粉，7d 活性指數(shù) 76%，28d 活性指數(shù) 101%，流動(dòng)度比為 97%，比表面積 410m2/kg。

（3）粉煤灰：湖北華能電廠 Ⅱ 級(jí)粉煤灰，細(xì)度18.0%，需水量比 102%，燒失量 2.6%。

（4）細(xì)骨料：天然江砂與機(jī)制砂，物理性能指標(biāo)如表2 所示。

（5）粗骨料：5～16mm 連續(xù)級(jí)配石灰?guī)r碎石，物理性能指標(biāo)如表3 所示。

（6）外加劑：西卡 3301C 型高效減水劑，砂漿減水率為 25.7%，密度 1040kg/m3，固含量 17.2%。

（7）膨脹劑：武漢三源公司生產(chǎn)的 CAD 型密實(shí)劑，主要性能指標(biāo)如表4 所示。

（8）水：普通自來(lái)水。

表1 水泥主要性能指標(biāo)

表2 細(xì)骨料主要性能指標(biāo)

表3 粗骨料主要性能指標(biāo)

表4 膨脹劑主要性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

（1）工作性能：通過(guò)改變混凝土用水量，以保證混凝土拌合物具有相同的坍落度。按 JGJ/T 283—2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》測(cè)定坍落擴(kuò)展度及擴(kuò)展時(shí)間 T500表征混凝土的流動(dòng)性、填充性。

（2）力學(xué)性能：按 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，試樣尺寸為100mm×100mm×100mm 立方體，驗(yàn)證混凝土 7d、28d 強(qiáng)度。

（3）收縮性能：根據(jù)混凝土工作性能及力學(xué)性能確定最優(yōu)配合比，測(cè)定該配合比混凝土在封閉條件的自由膨脹率，按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。試件尺寸為 100mm×100mm×515mm，試件成型 24h 小時(shí)后脫模，立即使用潮濕的棉布包裹三層，再使用塑料薄膜密封好，只露出銅釘；然后放入相對(duì)濕度為 (95±5)% 養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，使用千分表測(cè)定各齡期試件的變形值[8]。

（4）高拋試驗(yàn)?zāi)M：選擇最優(yōu)配合比制備混凝土，模擬高拋試驗(yàn)。在地面鋪上雨布，然后將新拌混凝土拌合物從樓頂（距地面高度約 10m）進(jìn)行拋落，最后將拋落至雨布的混凝土進(jìn)行收集，觀察混凝土狀態(tài)。模擬試驗(yàn)如圖1 所示。

圖1 高拋模擬試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 最優(yōu)配合比確定

設(shè)計(jì)不同天然砂與機(jī)制砂比例、不同水膠比及不同外加劑用量的強(qiáng)度等級(jí)為 C40 的混合砂高拋?zhàn)悦軐?shí)鋼管混凝土，配合比如表5 所示。混凝土性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6 和圖2、3。由表6 和圖2、3 可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)制砂用量比例越高，混凝土 T500所用時(shí)間越長(zhǎng)，最長(zhǎng)達(dá)到 15s，當(dāng)人工砂與天然砂的比例達(dá)到 2.3:1 時(shí)，混凝土的工作性能較好；擴(kuò)展度受到外加劑用量的影響，當(dāng)外加劑用量達(dá)到7.1kg/m3時(shí)，擴(kuò)展度達(dá)到 650mm；砂率也影響混凝土的擴(kuò)展度與 T500的檢測(cè)結(jié)果，最佳砂率為 0.46。水膠比與砂率均影響混合砂高拋?zhàn)悦軐?shí)鋼管混凝土的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)水膠比為 0.37 和砂率為 0.46 時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度最高。在滿足強(qiáng)度要求的條件下，以選擇最佳工作性能為原則，確定編號(hào)為 ZY-03 配合比的混凝土工作性能及力學(xué)性能表現(xiàn)最優(yōu)，為最佳配合比。

表5 混凝土配合比

表6 混凝土性能檢測(cè)結(jié)果

圖2 混凝土工作性能

圖3 混凝土力學(xué)性能

2.2 收縮性能

使用編號(hào)為 ZY-03 的配合比進(jìn)行封閉條件下的混凝土收縮試驗(yàn)，結(jié)果如表7 所示。

表7 混合砂高拋?zhàn)悦軐?shí)鋼管混凝土在封閉條件下的收縮率 (×10-4)

從表7 中的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，混凝土在 1d 至 7d發(fā)生了顯著的膨脹，而后膨脹的速度逐漸減慢，這種尺寸的變化一直到 60d 才有所停止。這說(shuō)明混凝土能夠緊密地與鋼管內(nèi)壁相結(jié)合，有利于提高鋼管混凝土整體結(jié)構(gòu)的承載力與穩(wěn)定性。

2.3 高拋試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果

高拋試驗(yàn)?zāi)M效果如圖4 所示，可以發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)歷了近 10m 高度的拋落后，混凝土并沒(méi)有出現(xiàn)離析或泌水的情況，僅有少量粗骨料從混凝土分離，效果良好。

圖4 高拋試驗(yàn)?zāi)M效果圖

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某地大型重點(diǎn)市政工程，部分主體的支撐柱為 28根鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，鋼管長(zhǎng)為 15m，內(nèi)徑為 1.2m，鋼管內(nèi)部高度差為 13m，由于汽車泵軟管可深入鋼管內(nèi)約3m，故混凝土實(shí)際拋落高度約為 10m，與高拋試驗(yàn)?zāi)M高度相同。鋼管混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為 C40。由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件限制，只能采用高位拋落法澆筑混凝土，且無(wú)法進(jìn)行振搗，故施工單位要求使用高拋?zhàn)悦軐?shí)鋼管混凝土。

3.2 應(yīng)用情況

使用編號(hào)為 ZY-03 的配合比生產(chǎn)混凝土，混凝土到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)后取樣進(jìn)行性能檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)坍落擴(kuò)展度為 670mm，T500試驗(yàn)時(shí)間為 5s，完全滿足施工要求的自密實(shí)工作性能。

混凝土澆筑前確認(rèn)鋼管內(nèi)無(wú)雜物及雨水，采用汽車泵由鋼管頂部預(yù)留注漿孔澆筑，利用混凝土自由落體產(chǎn)生的動(dòng)能來(lái)達(dá)到混凝土自密實(shí)的效果。首先在底層澆筑一定厚度同強(qiáng)度等級(jí)的砂漿，保證泵送同時(shí)避免了自由下落的混凝土粗骨料產(chǎn)生彈跳。每根鋼管分為兩次澆筑完成，第一次澆筑至鋼管長(zhǎng)度約 1/2 處停止，間隔約 30分鐘，待混凝土自由沉降穩(wěn)定后再次澆筑至略高于排水孔處為止。澆筑完成后，立即對(duì)注漿口進(jìn)行遮擋，防止降雨或雜物落入。澆筑完成 1 周后使用超聲波檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示內(nèi)部混凝土無(wú)缺陷，鋼管內(nèi)壁與混凝土之間無(wú)可見(jiàn)裂縫。

4 結(jié)論

（1）機(jī)制砂用量比例越高，混凝土 T500所用時(shí)間越長(zhǎng)，人工砂與天然砂的比例為 2.3:1 時(shí)為最佳；砂率影響混凝土的坍落擴(kuò)展度與 T500所用時(shí)間，最佳砂率為0.46。水膠比與砂率均影響混合砂高拋?zhàn)悦軐?shí)鋼管混凝土的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)水膠比為 0.37、砂率為 0.46 且人工砂與天然砂的比例為 2.3:1 時(shí)，混凝土的工作性能與力學(xué)性能最佳。

（2）配制的強(qiáng)度等級(jí)為 C40 的混合砂高拋?zhàn)悦軐?shí)鋼管混凝土具有良好的工作性能與力學(xué)性能，尺寸變形性能良好。經(jīng)模擬試驗(yàn)證明，混凝土從近 10m 的高空拋落后，仍然不離析不泌水。

（3）實(shí)際工程應(yīng)用表明，使用效果良好，完全滿足設(shè)計(jì)及施工要求。

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