C60自密实钢管柱顶升混凝土配合比设计及施工研究

刘国华，王海波

（1.北京市朝阳田华和众商品混凝土搅拌站，北京 100022；2. 北京市高强混凝土责任有限公司，北京 110000）

C60自密实钢管柱顶升混凝土配合比设计及施工研究

刘国华1,2，王海波2

（1.北京市朝阳田华和众商品混凝土搅拌站，北京 100022；2. 北京市高强混凝土责任有限公司，北京 110000）

本文结合西门子总部办公楼工程项目实际，采用北京市场现有优质的原材料，依照自密实混凝土设计规程，设计并优化配合比，制备出满足输送和顶升施工要求的钢管柱混凝土，为钢管混凝土顺利施工和工程质量提供了保证；采用 YS 和HCSA 等膨胀剂对比技术方案降低混凝土收缩，使混凝土与钢管柱紧密结合，达到了发挥钢管柱混凝土的最佳效用。

钢管柱；自密实；HCSA；顶升

0　前言

钢管柱混凝土是由混凝土填入钢管内而形成的一种新型的组合结构，钢管内不再绑扎钢筋，承载力高，耐火耐腐蚀性能好。它利用钢管和混凝土两种材料在受力过程相互之间的组合，发挥彼此的优点，弥补彼此的缺点，因而具有良好的力学性能和经济性。

钢管混凝土一般采用从上至下的高抛浇筑施工方法，很少采用泵送顶升，主要是因为对顶升设备和混凝土的性能要求比较高。但是顶升混凝土不需要振捣，可节省大量的混凝土用工和机械，由于混凝土逆向浇筑，从下方进入的混凝土要克服已经浇筑的混凝土的阻力，会使混凝土更加密实，比传统施工工艺浇筑的混凝土密实均匀，克服了高抛浇注混凝土出现混凝土匀质性差等问题。钢管柱应用中的顶升混凝土一般均采用自密实混凝土，本文就“如何设计高强度等级的性能优越的自密实混凝土配合比，提高施工质量”和“在解决钢管混凝土的剪切研究中如何让钢管壁与混凝土结构紧密结合，提高整体性能，克服环境等外部因素的变化以及干扰”这两个问题通过试验予以探讨分析。

北京望京的西门子（中国）总部大楼是北四环外一座新的地标性的建筑，总建筑面积 6 万平方米，地上 30 层，地下2 层，属于钢管混凝土结构与剪力墙混合结构，从主楼地面一层开始结构外围框架结构竖向受力构件为 20 根钢管混凝土柱，直径从 1000mm、900mm、800mm、700mm 逐渐减小，内部填充素混凝土，混凝土强度等级 20 层以下为 C60，20 层以上为 C50。钢管混凝土柱根据结构楼层每二至三层制作成一节，运至现场进行吊装安装。为了在保证施工质量和进度的同时确保钢管混凝土的浇筑质量，保证混凝土与钢管壁接触紧密，施工前期对钢管混凝土的浇筑工艺进行了多种研究和分析，最终决定采用泵送顶升的混凝土施工工艺。本文将结合此工程实例来探讨以上两个问题的解决方法。

1　混凝土试验

1.1原材料

（1）水泥：选用北京拉法基·顺发 P·O 42.5 水泥，试验结果如表 1 所示。

表1　水泥的物理力学性能

（2）粉煤灰：选用山东德州华能电厂Ⅰ级灰，试验结果见表 2。

表2　粉煤灰的性能

（3）矿渣粉：选用首钢嘉华 S95 级粒化高炉矿渣粉，试验结果列于表 3。

表3　矿渣粉的试验结果

（4）膨胀剂：选用天津岩帅膨胀剂有限公司的 YS 和天津豹鸣股份有限公司的 HCSA 两种膨胀剂，对比试验结果如表 4。

表4　膨胀剂的试验结果

（5）外加剂：减水剂亦选用两个对比品种及品牌，一种选用北京琼浆外加剂有限公司的 QJB 泵送剂，另一种选用天津雍阳减水剂股份有限公司的 UNF-5AST，其试验结果对比如表 5 所示。

表5　减水剂的试验结果

（6）砂、石：砂采用河砂，碎石采用密云首云5～20mm 尾矿石，试验数据见表 6。

表6　砂石骨料的性能

1.2C60自密实混凝土配合比设计

1.2.1配合比试验参数的确定

自密实混凝土的工作性能是研究的重点，需要从流动性、抗分离性、间隙通过性、填充性 4 个方面统一考虑，解决流动性和抗分离性的矛盾，从而提高间隙通过能力和填充性。此外，还要解决混凝土的高工作性与硬化混凝土力学和耐久性能的矛盾。

混凝土的浆骨比和砂率值对工作性能有很大的影响，浆骨比越大流动性越好，但是过大对于混凝土硬化后的体积稳定性不利，混凝土收缩值增大，硬化后的体积稳定性变差，所占体积比率最佳范围是 35%～45%，可使混凝土具有良好的工作性能、力学性能和耐久性能；砂率适宜，粗骨料周围包裹足够的砂浆，不宜在间隙处聚集而影响填充和密实效果，为提高拌合料通过间隙的能力，砂率值宜为45%～52%，此处取低值，如果砂含石配合比应经过调整。

由于泵程较高，强度等级高，流动性指标按照 SF2 设计，采用绝对体积法进行计算。为控制混凝土收缩值，应首先采用控制胶凝材料总量不超过 550kg/m3，因此单方的自密实混凝土胶凝材料总量直接取上限不超过 550kg。避免因粗骨料体积过小造成混凝土弹性模量及力学性能降低，增大收缩开裂的风险，粗骨料密实体积亦取上限。已知该骨料的密度，可以计算出粗骨料的重量，剩余为空气（一般以10L 计）体积和砂浆密实体积。C60 自密实高性能混凝土水胶比宜选用 0.28～0.32。由于按照公式计算水胶比掺合料种类较多，结合以往普通混凝土试验数据，选取单一水胶比为0.30。

1.2.2配合比的确定

主要围绕工作性能和强度来初步选定配合比思路，采用单一水胶比的“掺粉煤灰+内掺膨胀剂”，“粉煤灰+矿渣粉+膨胀剂”，普通膨胀剂掺量定为 12%，HCSA 掺量定为 8%来判定与外加剂及水泥适应性，只考虑不同掺合料比例的混凝土工作性能，而不考虑不掺加膨胀剂的方案。QJB 外加剂中复配氨基磺酸盐和保塑组分，UNF-5AST 复配保坍组分，复配配方按照实际情况进行不断微调。设计配合比如表 7。

表7　混凝土配合比

本项目的混凝土涉及到高层泵送以及考虑到属于素混凝土范围，测试项目拟定为 V 漏斗通过时间、填充性、坍落度、扩展度、强度、泌水。因为钢管柱为三向模板限制状态下养护的补偿收缩混凝土[1]，所有抗压强度试验试体制作按照GB/T 50081－2012《普通混凝土力学性能试验方法标准》第三章、第五章进行，用钢模装入，为减小尺寸效应全部采用150mm×150mm×150mm 试模成型，装入混凝土之前确认模型挡块不松动，装入混凝土后无需振捣和插捣。试体带模在湿润状态下养护至规定龄期。为保持润湿状态，将试体表面覆盖湿布等。试验结果见表 8。

表8　混凝土试验结果

表 8 数据显示，流动性最好的是 1 号和 4 号配合比，强度最好的是 3、4、7 号配合比；掺加 HCSA 配合比流动度等较掺加 YS 的差，但是强度要高；掺加矿渣粉的配合比混凝土强度和状态一般。7 号配合比强度高可能与成型有关。

为了测定混凝土干缩率，在掺“粉煤灰+膨胀剂”的方案基础之上调整混凝土配合比：以“粉煤灰+膨胀剂”配合比作为主要配合比，对比混凝土干缩率。①调整 HCSA 的掺量分别为 8%，10%，12%；②YS 掺量不变 12%；③对比一组矿渣粉干缩试验数据；④对比萘系减水剂与聚羧酸减水剂的干缩率。混凝土配合比见表 9，对应的混凝土 7d、14d、28d 空气中干缩率试验及 14d 水中限制膨胀率结果见表 10。

1.2.3试验结果分析与讨论

掺加普通 UEA 的混凝土在水胶比较低时难以达到补偿收缩的作用，高强度等级混凝土早期强度较高、水化热高、密实度好、早期强度过高，也导致 UEA 有效潜能发挥不出来。掺加 HCSA 的混凝土当掺量达到 8% 以上时效果比较突出。掺加矿粉的补偿收缩混凝土在水胶比较低时会降低混凝土收缩率，在这里未做更多的试验。掺加 QJB 外加剂的收缩率较掺加 UNF-5AST 的混凝土收缩率大，与相关的研究结果观点基本一致，常粉玲[2]等认为按照 GB/T 50082－2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中平板刀口约束法试验，水泥砂浆自收缩萘系大于聚羧酸聚羧酸减水剂，而推荐掺量范围内聚羧酸减水剂的掺量对水泥砂浆自收缩和干燥收缩影响不大[2]。可以看出在补偿收缩方面起主要作用的还是膨胀剂，其他材料对高强度的混凝土干缩率未有明显的改变。由表 11 可以看出混凝土掺加膨胀剂的水中限制膨胀率也比较大。因此采用 48-4 配合比作为钢管柱混凝土的配合比。

表9　用于测定干缩的混凝土配合比

表10　混凝土干缩试验结果

表11　实际生产 C60 自密实配合比

1.2.4配合比复验

实际生产选用的 C60 自密实混凝土性能见表 12。

表12　混凝土实测性能

表 12 数据显示，C60 自密实混凝土坍落度 260mm 左右，扩展度 660mm。一小时坍落度损失为 0mm；3d、7d、28d 强度分别达到设计强度的 63%、98% 和 127%，强度性能满足设计要求。

2　顶升混凝土浇筑

2.1顶升浇筑法

顶升浇筑法主要利用液体的原理。第一步是配制类似于液体的流动性混凝土，然后将混凝土泵管直接与钢管柱根部相连，通过泵压把混凝土泵入钢管内部。实现钢管内混凝土的顶升灌筑，必须满足以下条件：①尽量增加混凝土的流动性。②合理地在空腔的隔板设置流浆孔。③留置一些排气孔，使钢管柱每个空腔内压力相同，并保证空气排出。④ 泵压能够满足顶升要求；⑤对钢管的承压能力进行验算，必要时采取加固措施。

2.2顶升混凝土施工工艺

在钢管柱、梁安装校正完毕，梁柱节点连接牢固，作业面压型钢板安装完毕后可开始进行泵送施工。施工时要注意工作的连续性，同一根钢管混凝土柱管内的混凝土要持续到顶端溢出混凝土为止。泵送时除有特殊要求，不需振捣混凝土以防堵管。进料短管管口以下部分的混凝土靠自由下落填满，可在钢管柱外部振捣以保证混凝土自然密实，时间控制在一分钟以上。顶升过程中，专门人员对泵送压力及和实际顶入的混凝土量进行记录，并和理论混凝土量进行比较。为减少顶升摩擦力，在顶升混凝土的同时，可以采用从钢管柱顶部溢流孔或排气孔向钢管柱内注入适量的相同配合比的水泥砂浆润滑管壁，直至顶升结束。

2.3混凝土生产和养护

2.3.1混凝土生产注意事项

①原料控制应严格按照试配原料质量和来源进货，不能更改原材料。

②搅拌时间：不能少于 1.5min，搅拌时间比普通混凝土延长。

③搅拌时投料顺序采用水泥裹砂、石的二次投料[3]。

④浇筑时间：不宜在大气温度最高时浇筑，最好在傍晚或者夜间浇筑。

2.3.2混凝土养护等注意事项

①不宜用水冲淋钢管柱壁。

②现场严禁加水，二次添加外加剂需经过批准。

③浇筑速度：控制混凝土浇筑的连贯性，接管换管等时间要缩短，最好在 20min 以内，使混凝土匀质性好，不能离析。和易性要好，要易于浇筑。

④成型后立即将柱子包裹，以便降低表里温差。

2.4检测

检测依据《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CECS 28）和《建筑工程施工质量检标准》（GB 50300）进行。钢管混凝土混凝土浇筑质量可以采用铁件敲击钢管的方法进行初步检测，若有异常非沉闷的声音，应采用超声波检测手段，对于不密实的部位，应采用钻孔补浆的方法进行补强，然后将钻孔补焊封闭。

2.5应用效果

工程应用中，我们加强生产管理和跟踪，混凝土到现场扩展度 660mm，28d 实际抗压强度按照带模养护法抗压强度均值为 70MPa，经业主和施工方的检测，混凝土和钢管壁紧密结合，效果良好。

4　结论

（1）通过对配合比的优化，采用双掺“粉煤灰+膨胀剂”和复配外加剂生产的混凝土，很好地提高了自密实混凝土的施工性能，工程实践证明该混凝土具有良好的施工性能。

（2）掺加“粉煤灰+HCSA 膨胀剂”及聚羧酸外加剂的混凝土配合比可以有效地克服混凝土收缩，使混凝土和钢管柱紧密结合。

[1] 赵顺增，刘立．HCSA 高性能膨胀剂及其混凝土性能的研究[M]．中国建筑材料科学研究总院，2007.5 附录 A.

[2] 常粉玲，管宗甫．高效减水剂对水泥基材料收缩开裂的影响研究[J]．混凝土技术，2012,6：8．

[3] 韩素芳，王安岭．混凝土质量控制手册[M]．化学工业出版社．

［通讯地址］北京市朝阳区大郊亭桥东石门村（100022）

刘国华（1974—），工程师，北京市朝阳田华和众商品混凝土搅拌站总工程师。