普通骨料优选化在超高层泵送混凝土中的应用研究

路飞，张磊，令建，弥杨志，张凯峰，吴超

（中建西部建设北方有限公司，陕西 西安 710010）

0 引言

在混凝土的组成材料中，骨料体积约占总体积的70% 左右，在拌合物硬化后骨料主要起到骨架支撑与应力传递作用，用于保证混凝土后期具有优良的稳定性和耐久性[1]。在超高层泵送混凝土施工中，往往要求预拌混凝土具备良好的工作性能，其中混凝土配合比中的骨料级配是影响混凝土工作性能的重要原因[2-4]。合理的骨料级配要求孔隙率小，以此达到较低的总表面积，从而减少水泥用量与湿润骨料表面的需水量[5-6]。采用孔隙率与总表面积较小的骨料体系配制混凝土具有以下优势：降低水泥水化热，减少干缩；改善混凝土工作性能，使其在浇筑成型后具有很高的密实度与强度；降低生产成本提高经济效益[7-9]。

目前在我国超高层泵送混凝土施工中，一般需要添加硅灰等超细矿物外加剂或利用精品骨料来改善混凝土的可泵性，而选用普通骨料并未掺超细矿物配制得到的混凝土很难实现超高层的泵送要求，特别是当施工高度达到 300m 时，泵送难度更是不易突破。本文则以西安国瑞金融中心超高层项目为依托，通过普通骨料优选工艺，在未掺加超细矿物外加剂的情况下将混凝土成功泵送至 350m 的施工高度，攻克了普通骨料在超高层泵送混凝土中应用难点，为今后普通骨料在超高层泵送混凝土中的实践应用具有重要的借鉴意义。

1 工程背景

国瑞西安金融中心项目位于西安市高新区创业新大陆北侧，紧邻城市主干道锦业路，东西侧紧邻规划路，南侧临市政规划创业新大陆绿化广场；总建筑面积 289978.21m2；占地面积 19162m2，地下建筑面积约 64344.96m2，地上建筑面积约 225633.25m2；本工程地上 75 层、地下 4 层，其中地下 4～2 层 4m，地下一层 6.1m；地上首层 15.3m，标准层 4.3m，设备层4.3/6m，总建筑高度达 350m，基础结构形式为筏板桩基础，主体结构为劲钢框筒结构，屋盖结构形式为桁架楼承板结构。该工程混凝土的泵送施工难度大，对混凝土的各项性能指标具有非常高的要求。

2 试验

2.1 试验原材料

水泥选用冀东水泥股份有限公司生产的 P·O42.5 水泥，各项性能指标良好。

粉煤灰选用陕西正源股份有限公司生产的Ⅱ级粉煤灰，细度为 14.6%。

矿物选用陕西立之林建材有限公司生产的 S95 级矿粉，比表面积为 430m2/kg，7d 活性指标为 74%，28d活性为 99%。

砂选用渭河产的中砂，含泥量为 2.4%，泥块含量为 0.3%，颗粒级配属于Ⅱ区砂，松散堆积空隙率46%，紧密堆积空隙率 41%。

石子选用瑞德宝尔生产的 5～31.5mm 级配的碎石，最大公称粒径为 26.5mm，针片状含量为 3%，含泥量为 0.5%，松散堆积空隙率 47%，紧密堆积空隙率42%。

外加剂选用中建西部建设北方有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂，含固量为 20%，减水率为 26%。

2.2 试验方法

分别采用不同比例搭配单粒级普通碎石与砂，两者各自搭配比例如表 1 和表 2 所示，粒级—累计筛余曲线分别如图 1 和图 2 所示。按照 GB/T 14685—2011《建设用碎石卵石》、GB／T14684—2011 《建设用砂》GB/T 50080—2002《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》针对不同搭配比例的碎石与砂进行表观密度、堆积密度与空隙率检测，分别优选出碎石与砂的最佳搭配比例范围。

表1 普通碎石级配设计

表2 普通砂级配设计

选取碎石粒级搭配、砂粒级搭配与砂率为因素制备混凝土进行正交优化设计试验，以骨料体系紧密堆积空隙率为判定标准确定碎石与砂的最佳搭配比例，并确定了实际生产中普通骨料优选化的级配范围。参照 GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》与 GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》以混凝土坍落度、扩展度、倒坍时间、抗压强度与经济要素为指标，在相同条件下将采用优选化的普通骨料最佳配比制备的混凝土分别与未经普通骨料优选、加入超细矿物外加剂制备的混凝土进行对比分析。

在4—6月整层水汽输送通量及其散度场差值场上(图6c、d),西太平洋地区上空有一个显著的反气旋式水汽通量距平矢量分布(图6c),将南海和菲律宾附近的暖湿气流源源不断地输送到江南地区,常越等(2007)也指出前汛期期间南方降水的水汽来源主要为西太平洋地区。在图6d中,菲律宾群岛以东洋面为显著的异常水汽辐散区,而江南地区以及黄海和东海海域为水汽异常辐合区。这种水汽通量及其散度场的异常分布型有利于江南地区水汽的聚集,表明冷水年对应着JRS降水异常偏多。

图1 设计碎石级配曲线

图2 设计Ⅱ区砂级配曲线

3 结果与分析

3.1 普通碎石搭配比例研究

设计 5～31.5mm 普通碎石连续粒级搭配比例，采用表 1 中的碎石搭配比例，研究不同碎石级配对粗骨料空隙率的影响，试验结果如表 3 所示。

表3 普通碎石级配设计试验结果

如图 3 可知，所设计 G1～G5 普通碎石连续粒径级配的松散堆积空隙率在 41%～44%之间，紧密堆积空隙率在 36%～39% 之间。其中级配设计 G3 组松散堆空隙率与紧密堆积空隙率均达到最小，分别为 41% 和36%。粗骨料空隙率的大小与碎石各级粒径的搭配关系密切，结果表明当 2.36mm 号筛与 26.5mm 号筛分计筛余在合理区间内相同，9.50mm 号筛的累计筛余≥70%时，普通粗骨料级配空隙率最佳。

3.2 普通砂搭配比例研究

根据Ⅱ区砂对各粒级累计筛余的要求范围，按照表2 设计的普通砂级配，研究不同砂级配对细骨料空隙率的影响，试验结果如表 4 所示。

如图 4 所示，所设计 S1～S5 普通砂连续粒径的松散堆积空隙率在 40%～43% 之间，紧密堆积空隙率在 36%～38% 之间，其中级配设计 S2 与 S4 组松散堆空隙率与紧密堆积空隙率均达到最小，分别为 40% 和36%。由试验结果可知，当适当提高 2.36mm 号筛累计筛余与降低 0.30mm 号筛累计筛余时，有利于减小普通砂的级配空隙率。

图3 普通碎石级配空隙率

表4 普通砂级配设计试验结果

图4 普通砂级配空隙率

3.3 正交优化设计试验

为进一步优化砂石骨料组合配比，采用正交优化设计使砂石组合整体的紧密堆积空隙率降至最低。选取碎石级配设计、砂级配设计以及砂率为变化因素，分析各因素对砂石空隙率的影响大小，确定最佳砂石搭配比例。本试验选用 L9(34) 的三因素三水平正交试验，因素水平如表 5 所示，正交试验结果如表 6 所示。（为精确计算骨料级配空隙率正交优化结果，在本次正交试验中孔隙率结果保留 1 位小数。）

综合分析均值和极差得出，在正交试验研究的 3 个独立因素中，骨料的最佳级配组合为 A2B2C3 ，即碎石级配设计采取 G2 组，砂级配设计采取 S2 组，砂率为47%。

表5 正交试验因素水平表

表6 正交优化设计试验结果与直观分析

表7 正交优化设计方差分析

方差分析各因素对骨料级配体系空隙率的显著性影响，得出 F 比数据：碎石级配设计（1.087），砂级配设计（1.786），砂率（1.000）。因此，可以得出各因素显著性影响强弱的先后次序为：砂级配设计＞碎石级配设计＞砂率，砂率的均方值最小，故作为误差列。

3.4 生产用普通骨料优选化级配范围

在正交试验确定最佳骨料级配基础上，为方便在实际生产中把控骨料进场质量，研究选取出合理的生产用普通骨料级配区间，每号筛的累计筛余上下浮动1%～3%，试验结果如表 8 所示。（为精确对比普通骨料级配空隙率，在本次试验中孔隙率结果保留 1 位小数。）

表8 生产用普通骨料级配范围

由表 8 可知，P1 组合为正交试验选取出的最佳骨料级配，在此基础上当各号筛累计筛余上下浮动 1%～2% 范围内，普通骨料级配体系的紧密堆积空隙率变化较小，属于合理范围。而当各号筛累计筛余上下浮动达到 3% 时，普通骨料级配体系的紧密堆积空隙率出现较大浮动，分别提高了 1.2% 与 1.0%。故生产用普通骨料级配范围在 P1 组各号筛累计筛余基础上，可上下浮动至 2%。

3.5 对比分析

固定水胶比为 0.29，单位用水量为 160kg/m3，砂率为 37%，其中粉煤灰与矿粉掺量均为 15%，分别采用未经优选骨料、优选骨料与掺入 5% 硅灰三种方式制备C60 混凝土，对比分析混凝土各项性能，试验结果如表9 所示。

表9 对比分析

由图 5 与图 6 可知，利用优选化普通骨料制备的混凝土其工作性能和力学性能明显高于采用未经优选普通骨料配制的混凝土，这是因为经优选后的骨料级配应孔隙率小，粗细骨料的合理搭配在提高混凝土自身密实度的基础上，降低了水泥浆体对骨料的包裹，从而改善混凝土的离析与泌水问题，进一步增强新拌混凝土的和易性以及成型后的力学强度。另外由表 9 中倒坍时间数据可以看出，在高强度等级新拌混凝土中采用经优选的普通骨料可降低其自身黏度，提升高强度等级混凝土的可泵性能。

目前国内的超高层建筑中，特别是建筑高度超过250m 的工程项目，往往采用掺入硅灰来实现混凝土的可泵性。将采用优选化普通骨料与采用未经骨料优选但加入硅灰制备的混凝土各项性能进行对比，结果显示二者的工作性能基本一致，在力学性能上经优选化骨料混凝土的强度略低于经硅灰改性的混凝土，但均充分满足C60 混凝土强度指标，达到工程实际应用标准。

图5 工作性能对比

图6 力学性能对比

在经济指标方面，当前西安地区硅灰的价格大约在 1.2元/kg 左右，以西安国瑞经融中心超高层项目所用C60 混凝土配比为例，若采用硅灰改性工艺其硅灰掺量最少需达到 5%，当胶凝材料用量选为 545kg/m3时，每方混凝土硅灰的成本价为 32.7 元，可见若采用普通骨料优选化制备混凝土，在同样满足施工要求的情况下，将大幅度节约生产成本，实现资源的高效利用。

本试验最终依托国瑞西安金融中心超高层施工项目，在未添加超细矿粉基础上，采用优选化普通骨料制备 C60 混凝土，并将其最大高度泵送至 350m，实现了普通骨料混凝土在 300m 以上超高层施工高度的连续泵送，具有显著的经济效益。

4 结论

（1）普通碎石优选化最佳级配设计为 G3 组，其松散堆积空隙率为 41%，紧密堆积空隙率为 36%。普通Ⅱ区砂优选化最佳级配设计为 S2 与 S4，其松散堆积空隙率为 40%，紧密堆积空隙率为 36%。

（2）确定普通骨料优化的最佳级配比例为碎石级配设计 G3，砂级配设计 S4，砂率 47%，此时骨料体系空隙率为 23.2%。砂级配设计对骨料级配体系空隙率的显著性影响最强，其次是碎石级配设计，砂率最弱。

（3）在实际生产中，普通骨料优选化级配范围在各号筛最佳累计筛余的基础上，可上下浮动至 2%。

（4）利用优选化普通骨料制备的混凝土其工作性能和力学性能明显高于采用未经优选普通骨料配制的混凝土。采用优选化普通骨料制备混凝土与采用未经骨料优选但加入硅灰改性的混凝土相比，在满足泵送施工要求的同时，将大幅度节约生产成本。本试验最终依托国瑞西安金融中心超高层施工项目，采用优选化普通骨料制备 C60 泵送混凝土，并将其最大高度成功泵送至350m，实现了普通骨料优选化在超高层泵送混凝土中的有效应用。