高性能混凝土在框架結構中的應用研究

胡聰 孫國慶

【摘要】隨著建筑行業的工業化轉型，現階段增強了對高性能混凝土產品的研發設計與實驗研究，擴大了高性能混凝土使用范圍，提升了建筑工程質量。本文以此為出發點，結合某框架筒體結構建筑工程，討論了高性能混凝土應用中的工作度、配合比設計、施工應用等內容。

【關鍵詞】高性能混凝土;框架結構;應用

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.28.085

以某建筑工程為例，建筑總面積為2.95萬m2，設計方案采用框架筒體結構。在混凝土工程中采用高性能混凝土，強度等級分別為C50、C60。由于該項目屬于框架結構中的高性能混凝土施工，所以，對于原材料質量控制、配合比設計、混合料運輸、攪拌泵送澆筑，以及澆筑后的保養等要求相對較高。通過細化指標、合理設計、精細化管理，積累了一些應用經驗。具體分析如下：

1、高性能混凝土工作度的選擇

首先，對施工場地與攪拌站之間的距離進行了信息分析，確定總距離為11.3km。采用常規運輸方案，需要經過40min才能將高性能混凝土送到施工現場。其次，根據對該路段的交通狀況分析，并計算現場施工操作時間，預計要60min才能完成。同時，混凝土澆筑采用泵送方式，要求在入模時，將塌落度控制在140mm以上。通過綜合分析后，確定制作混凝土的配比設計相關參數范圍：（1）以C60作為設計中的強度等級;（2）出廠（攪拌站）時的高性能混凝土坍落度應該控制在200mm以上;（3）進場混凝土坍落度應該控制在160mm到180mm范圍以內。

2、高性能混凝土配合比設計

2.1嚴格篩選原材料

首先，在選擇水泥時，以普通硅酸鹽水泥為準（PO42.5標準;生產企業：內蒙烏蘭水泥廠）。相關參數如下：（1）細度為0.08mm，篩余量（方孔篩）為3.7%;（2）標準稠度為24.5%;（3）初凝與終凝分別為1：44、3：19;（4）以3d為標準，其抗壓、抗折性能分別為22.8、4.5。以28d為標準，對應數據為47.2、7.9。

其次，粗骨料以反擊破葉麻巖為準（生產企業：包頭市西水泉石料廠），相關參數如下：（1）粒徑最大值25mm;（2）含泥量為1.2%;（3）壓碎值為9.7%;（4）堆積密度為1517kg/m3。細骨料為中砂，細度模數與含泥量分別為3.0和1.9%。

第三，選用S75級礦渣微粉作為礦渣粉。粉煤灰為電廠生產的II級料，相關參數如下：（1）細度45mm;（2）篩余量為18%;（3）相對密度為2.2g/cm3。按照要求需水量為105，選用深井飲用水。

第四，選用含固量為14%的聚羧酸作為外加劑，其中，引氣量為2%到3%，減少率范圍在20%到25%。

2.2配制高性能混凝土

第一，考慮到單位體積內的骨料在水泥高用量條件下會相應減少，并增加裂縫風險。所以，將其用量范圍控制在450kg到500kg以內。

第二，為了控制高性能混凝土強度，本次配合比設計中結合泵送需求，增加了高效減少劑，從而將水膠比控制在與進場坍落度范圍相一致的范圍之內，設計值小于0.3。

第三，通過實驗分析，不同的骨料參數下，混凝土強度會發生相應的變化。同時，砂率也會受到影響。所以，在實驗室試驗后，最后選用了中粗骨料，以5mm到25mm為范圍選用連續級配石子。砂率范圍控制在39%到41%范圍以內。15%到20%的水泥用量由礦渣粉與粉煤灰進行代替。正交試驗中以3組配合比為準進行實驗，并進行復驗，最后確定選用以下配合比方案：（1）水膠比：0.32;（2）膠：1;（3）砂：1.03;（4）石：1.85;（5）外加劑：3.4%;（6）膠料總量：540;（7）7d強度：47.6;（8）28d強度：69.4。

第四，混凝土性能檢驗結果表明，在大氣溫度為12℃時，在0、30min、60min、90min的坍落度分別為210mm、205mm、195mm、185mm。符合高性能混凝土應用時，等級強度大于C50后，坍落度大于180mm的要求。平均密度為2510kg/m3。對干縮試件（規格：100mm×100×515mm）進行3d標準養護后，轉移到20℃左右的常溫環境下，對其1d、3d、7d、14d、28d的齡期進行測定，結果表明其收縮值分別為每米-0.425mm、-1.064mm、-0.851mm、-0.431mm、-0.001mm。其中，3d時的處于微膨脹最高值，28d時處于最低值。通過這種微膨脹狀態，有利于提高混凝土產品的密度，并改善其抗滲性。同時，對其碳化深度進行檢驗，結果表明，在28d時，其碳化深度為0.5mm，說明不容易碳化。

3、高性能混凝土施工應用

在施工準備階段，先對地下一層墻體柱板進行檢查，確定鋼筋綁扎、模板施工等符合工藝標準后，采用一次性澆筑方案進行施工。本項目的組織設計中，以項目經理領導，成立了高性能混凝土質量控制小組。并開展了動員大會，對澆筑施工技術專題相關的內容進行了講解。進入高強砼澆筑施工作業現場后，先進行了清理工作，復核了澆筑要領。確定柱墻澆筑用量為450m3。

在澆筑施工階段，先用同成份的砂漿對泵管進行了濕潤處理，并配置了備用減水劑，預防不同澆筑階段坍落度不達標時，能夠通過添加減水劑進行及時處理。具體澆筑方法，以分層澆筑為準。每層澆筑厚度控制在50cm到60cm范圍之內。設備采用拖式泵、混凝土布料機，用泵管進行連接。以一個澆筑段為單元，擺放布料機。按照澆筑順序，從基礎一直澆筑到剪力墻、柱、梁，直到與梁板頂面通高時停止作業。振搗作業時，按照泵送形成的自然坡度，完成均勻振搗，要求以“快插慢拔”、“行列式”、“交錯式”進行操作。振搗插棒間距控制在40cm到50cm范圍，每點振搗時間控制在15s到30s之間。

在養護階段，首先根據水泥用量（475kg）、中柱尺寸（1200×1200mm），預測裂縫風險。再按照混凝土最高水化熱溫升計算公式Tmax=Mc×Q/（C×p）進行計算，其中，C=0.96，p=2400，Q=461，Mc=475kg，代入公式結果為95.04℃。再根據不同齡期的水化熱溫升值計算結果（3d、6d、9d時溫度分別為39.92℃、29.46℃、18.06℃），加上施工作業時的溫度25℃，可以得到3d、6d、9d時的混凝土內部中心溫度分別為64.92℃、54.46℃、43.06℃。此時，以模板施工方式為準，針對每一組合鋼模板進行保溫養護，主要通過加保溫層的辦法。測溫孔設置，以三根斷面最大柱為準。拆模后的養護主要以塑料薄膜覆蓋、包裹、噴灑養護液為主，養護時間共計14d。

4、高性能混凝土應用中的注意事項

從應用經驗看，雖然高性能混凝土在框架結構中的應用環節，已經證實了它的自密實性、工作性、高耐久性、體積穩定性，以及較長的使用壽命。但是，在實際應用環節，若要較好的發揮出高性能混凝土的此類特征中具備的功能及作用，使其在應用后產出綜合效益。仍然需要對其應用環節的諸項技術質量進行全要素分析，進而在完善技術質量控制指標的條件下，保障其比較優勢的有效發揮。具體注意事項如下：

首先，高性能混凝土的造價相對較高、管理要求較多，按照一般的市場價格與應用經驗看，比普通混凝土的造價高1/2左右。而且，對于原材料的質量要求也表明，應該將其中的水泥、集料粒徑、摻料、外加劑等進行嚴格控制。例如，在本項目中，就按照質量體系管理標準，嚴格對上述原材料的構成要素進行了嚴格篩選與實驗室試驗。這種細化原材料質量控制指標的辦法，可以較好的控制高性能混凝土成本投入，保障在高價格下的高性能優勢。

其次，在高性能混凝土使用過程中，施工早期不能排除因混凝土收縮導致開裂的問題。現階段，對于高性能混凝土的研究成果表明，在水膠比方面，高性能混凝土本身即低于常規混凝土。因而，在預防施工早期開裂問題時，應該在水膠比優勢的基礎上，進一步利用細摻料、超塑化劑之類的輔助性材料，增加高性能混凝土的性能優勢。另一方面，施工早期混凝土開裂主要由收縮引發，而收縮的原因來自蒸發與水化。此時，需要按照實驗室試驗方法，對試塊內的相對溫度進行檢測。待證實其干縮性滿足需求時，再進行配料應用。例如，水膠比為0.26的高性能混凝土中，添加硅灰（10%）、萘系超塑化劑（1.8%）后，在3個月、6個月、1年中的相對濕度百分比呈現為持續降低狀態，分別達到了75%、72%、69%。但是，在6個月時的總收縮率往往不大于常規混凝土。因而，應該按照施工后不同階段的水化情況及收縮率，加強對高性能混凝土的早期養護。尤其是自收縮方面，水膠比越小、自收縮越大。在這種條件下，加強“自養護”相對重要。建議在高性能混凝土的養護環節，從摻入料與外加劑方面，做好試驗檢測，確保在添加適量的粉煤灰與膨脹劑，以及保水外加劑的條件下，提高高性能混凝土的自養護能力。

除以上造價控制與開裂預防方面的注意事項外，當前在高性能混凝土配合比環節，已經從工程質量檢測的角度，配套設置了性能評價方案。因而，在針對原材料性能實施單一化評定的同時，應該借助軟件開發技術，開發一些能夠對其耐久性、其它性能進行全面檢測評定方案。

結語：

總之，通過使用配套性的綜合措施后，本項目中的高性能混凝土應用比較成功。也為后續的高性能混凝土在框架結構中的應用積累了一些有效經驗。建議在后續的高性能混凝土應用過程中，盡可能在配合比設計環節，加強對砂率的實驗研究，盡可能根據不同砂率下的粗骨料使用量、坍落度等進行細致分析，提高配合比設計時的精準度等。

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