C70高抛自密实微膨胀钢管混凝土施工应用

关素敏，桂根生，吴鑫

（四川华西绿舍建材有限公司，四川　成都　610081）

C70高抛自密实微膨胀钢管混凝土施工应用

关素敏，桂根生，吴鑫

（四川华西绿舍建材有限公司，四川成都610081）

本文以原材料控制、胶凝材料的确定、水胶比和砂率的控制为基础，配制 C70高抛自密实微膨胀钢管混凝土，总结相关控制手段；该 C70高抛自密实微膨胀钢管混凝土成功应用于成都市某超五星写字楼钢管混凝土施工中，混凝土浇筑过程拌合物工作性能良好，混凝土成型效果良好，积累了一定施工经验。

C70高强混凝土；高抛自密实混凝土；微膨胀混凝土；配合比；施工应用

1　工程概况

成都市某超五星写字楼为钢管混凝土框架—核心筒结构，建筑高度160m，钢管直径900～1050mm，壁厚18～22mm，钢管内混凝土等级 C40～C70，核心筒为钢筋混凝土剪力墙结构，混凝土等级 C30～C60，标准层层高4m。项目建设周期为22个月，业主为加快工期，要求钢管制作安装三层为一节，钢管柱12m 一次性吊装施工，钢管内混凝土也同样一次性浇筑12m，为满足设计要求，钢管内混凝土必须采用高抛自密实微膨胀混凝土进行浇筑。图1为圆柱钢管内部结构示意图。

图1　圆柱钢管内部结构示意图

2　施工难点与技术要求

为加快工期，混凝土浇筑时就必须一次性浇筑12m 高的钢管混凝土，若有离析泌水现象的混凝土进入钢管后，易造成粗集料下沉，砂浆上浮现象，导致钢管中混凝土严重分层，形成局部的薄弱层，而且硬化混凝土与钢管壁的结合由于泌水形成的水膜的存在也不紧密，会对混凝土质量造成严重破坏。如何解决高抛混凝土离析问题就成了钢管混凝土施工成败的关键因素。其次，本工程框架圆钢管柱内梁柱节点位置设有环板，高抛法施工时要特别注意混凝土在梁柱节点位置的密实度，混凝土浇筑完毕后应能充分填满整个钢管内部，不得出现局部空洞、混凝土与钢管内壁脱离等现象。另外，由于钢管混凝土的全封闭特性，一旦混凝土浇筑完成，对混凝土的无损检测手段少，不容易检测混凝土内部质量，如发生混凝土质量问题，很难进行补救，所以钢管混凝土必须要求一次成活，确保100% 的成功率。

鉴于上述施工难点，本工程在钢管内部高抛法浇筑的混凝土应具备高工作性、抗离析性、微膨胀性能，为同时满足高强度等级 C70要求的自密实混凝土。

C70高抛自密实微膨胀钢管混凝土拌合物性能指标要求见表1。

表1　高抛自密实钢管混凝土拌合物性能指标要求

3　原材料

3.1水泥

试验中水泥采用峨胜 P·O42.5R 普通硅酸盐水泥，28d 抗压强度52MPa，安定性合格。

3.2掺合料

粉煤灰：成都搏磊Ⅰ级粉煤灰，需水量比为92%，0.045mm 筛筛余10.3%；硅灰：成都产二氧化硅94%、活性指数114% 的硅灰。

3.3减水剂

试验优选高抛自密实混凝土专用泵送剂，固含量15.10%，减水率31%，抗压强度比199%。该减水剂使得混凝土具有合适的流动性、泌水性能良好，抗离析性良好，并且硬化混凝土抗压强度满足要求。

3.4膨胀材料

采用三膨胀源膨胀剂，比表面积为255m2/kg，限制膨胀率水中7d 为0.025%。

3.5砂子

试验所采用的人工砂选用成都产的级配Ⅱ区中砂，细度模数2.7，石粉含量低于6%。

3.6碎石

采用成都产的碎石，5～20mm 连续级配，表观密度2.67g/cm3，压碎指标7%。

4　结果与讨论

高抛自密实微膨胀钢管混凝土作为一种高性能混凝土，除满足结构设计所需要求的强度和耐久性能外，更要满足良好的施工性，即高流动性、高粘聚性、坍落度损失小，免振达到自密实[2]。除对混凝土拌合物上述性能进行测试外，由于自密实混凝土的大流动性、水灰比高，容易在浇筑后造成泌水和离析现象，因此还需对表征混凝土抗离析性的拌合物离析率和表征拌合物间隙通过性的 U 型箱高差进行测试。

4.1确定胶凝材料体系

试验中，胶凝材料主要由水泥和矿物掺合料组成。矿物掺合料主要选择粉煤灰、硅灰及膨胀材料。其中对硅灰和粉煤灰的最佳掺量确定进行如下试验。

4.1.1确定粉煤灰掺量

粉煤灰由大量表面光滑的球状玻璃体组成，起到一种“滚珠润滑”作用，能够打破水泥浆的絮凝结构，可达到改善新拌混凝土工作性能的作用[3]。另外，由于可弥补混凝土中的细粉不足，阻塞泌水通道，有利于泌水率的降低，改善混凝土的黏聚性。此外，粉煤灰颗粒的形态和亲水特性，其球形玻璃体可吸附一层水膜，可使混凝土具有良好的保水性。除此之外，粉煤灰还能降低水化热，适宜于大体积混凝土及高温季节混凝土施工。而粉煤灰的填充物理作用和火山灰作用使得其对混凝土的后期强度起到一定的作用，但对混凝土的早期强度存在一定的影响，因此有必要对粉煤灰的掺量进行控制。为达到节约水泥的效果，又能保证混凝土的强度，增加密实性，改善混凝土综合性能指标，应用超量取代法进行取代，掺量为10%。

4.1.2确定硅灰掺量

硅灰掺量的确定通过混凝土试配进行验证，对比基准混凝土配合比用量分别为：胶凝材料基准580kg/m3，粉煤灰10%，水155kg/m3，砂800kg/m3，碎石900kg/m3。

试验配合比分别用3%、6%、9%、12%、15% 硅灰超量取代水泥进行试验，试验结果见图1。

图1反映了硅灰掺量与28天抗压强度的关系，随着硅灰含量的增加、水泥的降低，混凝土28天抗压强度先增加后降低。分析可能的原因是：硅灰颗粒细小，具有高度分散性，硅灰主要成分为活性 SiO2，硅灰通过填充效应、火山灰效应能有效地提高混凝土的强度；硅灰还可起到一种独特的微集料效应，即改善胶凝材料系统的颗粒粒径分布，使系统的颗粒堆积更为紧密和合理。但是当硅灰掺量过多时，过多的未参与反应的硅灰对水泥的粘结强度并无贡献，反而影响强度发展。因此根据试验结果采取9% 硅灰取代水泥。

图1　硅灰掺量对混凝土强度的影响

4.1.3膨胀剂

为实现与混凝土强度发展和收缩变形的协调发展，获得良好的膨胀性能，选择三膨胀源复合型膨胀剂。采用 NELNES 型非接触式混凝土收缩变形测定仪对混凝土收缩率进行测试。表3是掺入膨胀剂前后的对比试验结果，试验结果表明该膨胀剂能够限制混凝土收缩变形，并且保证混凝土满足高强度的要求，具备可观的应用价值。

表3　掺入膨胀剂前后混凝土性能对比试验数据

4.2确定水胶比

混凝土的扩展度、坍落度和强度与水胶比有很大的关联，因此合理的控制水胶比是强度和工作性能的保证。在胶凝材料一定的基础上，水胶比越小，混凝土的流动度越小，无法达到自流平，同时不能保证自密实混凝土的密实性；如果水胶比过大，又会使混凝土的粘聚性和保水性降低，从而降低混凝土的强度。因此，水胶比的确定是设计高强自密实混凝土的一个关键要点。试验按照以上确定的胶凝材料用量的基础上固定砂率，分别用0.250、0.275、0.300、0.325共4个水胶比进行试配，试验结果如表4和图2所示。

表4　水胶比对混凝土拌合物工作性影响

由表4和图2可以看出，随着水胶比的增加，混凝土的强度先增加后降低，当水胶比为0.300时，混凝土的工作性能和强度均为最佳。

图2　水胶比对混凝土28d 抗压强度的影响

4.3确定砂率

砂率对混凝土的强度和工作性能影响比较大，在一定范围内随着砂率增加能够提高混凝土的流动度，改善混凝土拌合物和易性；另一方面随着砂率的增加，包裹浆料变薄，润滑作用降低，使得混凝土强度降低，因此应当将砂率控制在一个合理的范围。试验验证不同砂率（40%、43%、46%、49%）对混凝土工作性能和强度的影响。试验结果见表5和图3。

表5　砂率对混凝土拌合物工作性影响

图3　砂率对混凝土28d 抗压强度的影响

从表5和图3中可以看出，当砂率由40% 增加到49%时，扩展度先增加后降低，扩展时间先降低后增加，强度随着砂率的增加而降低。因此综合混凝土工作性能和强度的考评，确定46% 的砂率为最佳值，此时混凝土具有高流动性能且强度发展良好。

4.4确定配合比

综上所述，得到 C70高抛自密实微膨胀钢管混凝土的配合比，该配合比不仅能满足强度的要求，还能满足施工性能的要求。试验室试配结果见表6。

表6　混凝土配合比及性能试验结果

5　工程应用

5.1高抛自密实微膨胀钢管混凝土试验柱浇筑试验

为测试高抛自密实微膨胀钢管混凝土施工性能，并总结施工工艺，2013年7月，成都某超五星写字楼项目进行圆形钢管—混凝土结构试验柱进行浇筑试验。在试验钢管柱的浇筑过程中总结出以下施工注意事项：（1）制作遮挡物，盖在钢管顶部，严禁雨水、杂物进入钢管内部；（2）浇筑完毕后，用容器将表面浮浆舀去，并在混凝土初凝后将混凝土表面拉毛，并注入200mm 高度清水进行养护；（3）采用高位抛落＋辅助振捣方式，钢管上部4m 高度采用振捣棒辅助振捣。C70高抛自密实微膨胀钢管混凝土试验柱实体及钢管剖开如图4所示。

图4　混凝土试验柱实体及钢管剖开图

5.2高抛自密实微膨胀钢管混凝土浇筑施工

2013年7月，成都某超五星写字楼项目圆形钢管—混凝土结构进行 C70高抛自密实微膨胀钢管混凝土浇筑，生产前对原材料进行严格检测，实行“专验专用”制度，检验结果均为合格；生产过程中，公司技术人员对混凝土生产过程进行全程监控，原材料的用量严格按照配合比设计要求，严格控制混凝土拌合物初始坍落度在250～270mm 之间，扩展度630～700mm，扩展时间 T500≤8s，混凝土流动性、粘聚性好；为保证大体积混凝土的施工质量，在保证混凝土高流动性的同时，严禁出现混凝土离析、泌水现象，并且在养护过程中严格控制混凝土内外温差，浇筑完毕后留清水养护，坚决杜绝混凝土裂缝产生；生产过程中我方与施工单位进行协商，在炎热环境下保证混凝土连续浇筑，尽量避免坍落度经时损失。混凝土现场施工图如图5所示。

在浇筑过程中对每辆罐车进行混凝土拌合物工作性能检测，并成型标准试件测试同条件混凝土抗压强度；浇筑后及时对混凝土进行清水养护，严格按照大体积混凝土养护工艺进行养护。经现场检测，混凝土拌合物工作性能和强度均达到规范要求。对成型混凝土进行超声波探伤检测混凝土密实度检测证实，钢管混凝土内部密实。钢管混凝土试验柱结构物实体图如图5所示。

图5　施工现场图

6　结论

（1）本施工项目要求混凝土同时兼具“高抛自密实混凝土”、“微膨胀混凝土”、“钢管混凝土”等要求，加大了混凝土研发及施工难度，因此在材料选择时，为避免材料质量对混凝土性能造成的影响，严格控制 C70高抛自密实微膨胀钢管混凝土原材料质量，实行“专验专用”制度。

（2）引入三膨胀源复合型膨胀剂，能够显著实现与混凝土强度发展和收缩变形的协调发展，获得良好的膨胀性能。

（3）为达到实际工程中自密实混凝土的工作性能和强度要求，分别对各种因素对混凝土工作性能及强度的影响规律进行考察，从而优化配比。配制 C70高抛自密实微膨胀钢管混凝土确定9% 硅灰掺量、10% 粉煤灰掺量，确定0.300的水胶比和46% 的砂率，能够保证混凝土良好的流动性和密实性，对降低成本、保证混凝土强度发展有利。

（4）该 C70高抛自密实微膨胀钢管混凝土在施工浇筑过程中，拌合物和易性良好、12m 高空抛落后无离析、泌水现象，具有良好的密实性，混凝土成型后无瑕疵，强度满足要求。大体积高强自密实混凝土得到成功应用。

[1] 刘数华，王晓燕．自密实混凝土综述[J]．建筑技术开发，2004(7):118-120．

[2] 卞振江，张强，孟凡雷，等．SCC C80高强自密实钢管混凝土的研究与应用[J]．商品混凝土，2012(10):48-50．

[3] 张巨松．混凝土学[M]．黑龙江：哈尔滨工业大学出版社，2011．

［通讯地址］四川省成都市解放北一路95号（610081）

关素敏，女，硕士，工程师，四川华西绿舍建材有限公司技术研发中心主管。