劉國華,王海波
(1.北京市朝陽田華和眾商品混凝土攪拌站,北京 100022;2. 北京市高強混凝土責任有限公司,北京 110000)
C60自密實鋼管柱頂升混凝土配合比設(shè)計及施工研究
劉國華1,2,王海波2
(1.北京市朝陽田華和眾商品混凝土攪拌站,北京 100022;2. 北京市高強混凝土責任有限公司,北京 110000)
本文結(jié)合西門子總部辦公樓工程項目實際,采用北京市場現(xiàn)有優(yōu)質(zhì)的原材料,依照自密實混凝土設(shè)計規(guī)程,設(shè)計并優(yōu)化配合比,制備出滿足輸送和頂升施工要求的鋼管柱混凝土,為鋼管混凝土順利施工和工程質(zhì)量提供了保證;采用 YS 和HCSA 等膨脹劑對比技術(shù)方案降低混凝土收縮,使混凝土與鋼管柱緊密結(jié)合,達到了發(fā)揮鋼管柱混凝土的最佳效用。
鋼管柱;自密實;HCSA;頂升
鋼管柱混凝土是由混凝土填入鋼管內(nèi)而形成的一種新型的組合結(jié)構(gòu),鋼管內(nèi)不再綁扎鋼筋,承載力高,耐火耐腐蝕性能好。它利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過程相互之間的組合,發(fā)揮彼此的優(yōu)點,彌補彼此的缺點,因而具有良好的力學性能和經(jīng)濟性。
鋼管混凝土一般采用從上至下的高拋澆筑施工方法,很少采用泵送頂升,主要是因為對頂升設(shè)備和混凝土的性能要求比較高。但是頂升混凝土不需要振搗,可節(jié)省大量的混凝土用工和機械,由于混凝土逆向澆筑,從下方進入的混凝土要克服已經(jīng)澆筑的混凝土的阻力,會使混凝土更加密實,比傳統(tǒng)施工工藝澆筑的混凝土密實均勻,克服了高拋澆注混凝土出現(xiàn)混凝土勻質(zhì)性差等問題。鋼管柱應用中的頂升混凝土一般均采用自密實混凝土,本文就“如何設(shè)計高強度等級的性能優(yōu)越的自密實混凝土配合比,提高施工質(zhì)量”和“在解決鋼管混凝土的剪切研究中如何讓鋼管壁與混凝土結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合,提高整體性能,克服環(huán)境等外部因素的變化以及干擾”這兩個問題通過試驗予以探討分析。
北京望京的西門子(中國)總部大樓是北四環(huán)外一座新的地標性的建筑,總建筑面積 6 萬平方米,地上 30 層,地下2 層,屬于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)與剪力墻混合結(jié)構(gòu),從主樓地面一層開始結(jié)構(gòu)外圍框架結(jié)構(gòu)豎向受力構(gòu)件為 20 根鋼管混凝土柱,直徑從 1000mm、900mm、800mm、700mm 逐漸減小,內(nèi)部填充素混凝土,混凝土強度等級 20 層以下為 C60,20 層以上為 C50。鋼管混凝土柱根據(jù)結(jié)構(gòu)樓層每二至三層制作成一節(jié),運至現(xiàn)場進行吊裝安裝。為了在保證施工質(zhì)量和進度的同時確保鋼管混凝土的澆筑質(zhì)量,保證混凝土與鋼管壁接觸緊密,施工前期對鋼管混凝土的澆筑工藝進行了多種研究和分析,最終決定采用泵送頂升的混凝土施工工藝。本文將結(jié)合此工程實例來探討以上兩個問題的解決方法。
1.1原材料
(1)水泥:選用北京拉法基·順發(fā) P·O 42.5 水泥,試驗結(jié)果如表 1 所示。
表1 水泥的物理力學性能
(2)粉煤灰:選用山東德州華能電廠Ⅰ級灰,試驗結(jié)果見表 2。
表2 粉煤灰的性能
(3)礦渣粉:選用首鋼嘉華 S95 級?;郀t礦渣粉,試驗結(jié)果列于表 3。
表3 礦渣粉的試驗結(jié)果
(4)膨脹劑:選用天津巖帥膨脹劑有限公司的 YS 和天津豹鳴股份有限公司的 HCSA 兩種膨脹劑,對比試驗結(jié)果如表 4。
表4 膨脹劑的試驗結(jié)果
(5)外加劑:減水劑亦選用兩個對比品種及品牌,一種選用北京瓊漿外加劑有限公司的 QJB 泵送劑,另一種選用天津雍陽減水劑股份有限公司的 UNF-5AST,其試驗結(jié)果對比如表 5 所示。
表5 減水劑的試驗結(jié)果
(6)砂、石:砂采用河砂,碎石采用密云首云5~20mm 尾礦石,試驗數(shù)據(jù)見表 6。
表6 砂石骨料的性能
1.2C60自密實混凝土配合比設(shè)計
1.2.1配合比試驗參數(shù)的確定
自密實混凝土的工作性能是研究的重點,需要從流動性、抗分離性、間隙通過性、填充性 4 個方面統(tǒng)一考慮,解決流動性和抗分離性的矛盾,從而提高間隙通過能力和填充性。此外,還要解決混凝土的高工作性與硬化混凝土力學和耐久性能的矛盾。
混凝土的漿骨比和砂率值對工作性能有很大的影響,漿骨比越大流動性越好,但是過大對于混凝土硬化后的體積穩(wěn)定性不利,混凝土收縮值增大,硬化后的體積穩(wěn)定性變差,所占體積比率最佳范圍是 35%~45%,可使混凝土具有良好的工作性能、力學性能和耐久性能;砂率適宜,粗骨料周圍包裹足夠的砂漿,不宜在間隙處聚集而影響填充和密實效果,為提高拌合料通過間隙的能力,砂率值宜為45%~52%,此處取低值,如果砂含石配合比應經(jīng)過調(diào)整。
由于泵程較高,強度等級高,流動性指標按照 SF2 設(shè)計,采用絕對體積法進行計算。為控制混凝土收縮值,應首先采用控制膠凝材料總量不超過 550kg/m3,因此單方的自密實混凝土膠凝材料總量直接取上限不超過 550kg。避免因粗骨料體積過小造成混凝土彈性模量及力學性能降低,增大收縮開裂的風險,粗骨料密實體積亦取上限。已知該骨料的密度,可以計算出粗骨料的重量,剩余為空氣(一般以10L 計)體積和砂漿密實體積。C60 自密實高性能混凝土水膠比宜選用 0.28~0.32。由于按照公式計算水膠比摻合料種類較多,結(jié)合以往普通混凝土試驗數(shù)據(jù),選取單一水膠比為0.30。
1.2.2配合比的確定
主要圍繞工作性能和強度來初步選定配合比思路,采用單一水膠比的“摻粉煤灰+內(nèi)摻膨脹劑”,“粉煤灰+礦渣粉+膨脹劑”,普通膨脹劑摻量定為 12%,HCSA 摻量定為 8%來判定與外加劑及水泥適應性,只考慮不同摻合料比例的混凝土工作性能,而不考慮不摻加膨脹劑的方案。QJB 外加劑中復配氨基磺酸鹽和保塑組分,UNF-5AST 復配保坍組分,復配配方按照實際情況進行不斷微調(diào)。設(shè)計配合比如表 7。
表7 混凝土配合比
本項目的混凝土涉及到高層泵送以及考慮到屬于素混凝土范圍,測試項目擬定為 V 漏斗通過時間、填充性、坍落度、擴展度、強度、泌水。因為鋼管柱為三向模板限制狀態(tài)下養(yǎng)護的補償收縮混凝土[1],所有抗壓強度試驗試體制作按照GB/T 50081-2012《普通混凝土力學性能試驗方法標準》第三章、第五章進行,用鋼模裝入,為減小尺寸效應全部采用150mm×150mm×150mm 試模成型,裝入混凝土之前確認模型擋塊不松動,裝入混凝土后無需振搗和插搗。試體帶模在濕潤狀態(tài)下養(yǎng)護至規(guī)定齡期。為保持潤濕狀態(tài),將試體表面覆蓋濕布等。試驗結(jié)果見表 8。
表8 混凝土試驗結(jié)果
表 8 數(shù)據(jù)顯示,流動性最好的是 1 號和 4 號配合比,強度最好的是 3、4、7 號配合比;摻加 HCSA 配合比流動度等較摻加 YS 的差,但是強度要高;摻加礦渣粉的配合比混凝土強度和狀態(tài)一般。7 號配合比強度高可能與成型有關(guān)。
為了測定混凝土干縮率,在摻“粉煤灰+膨脹劑”的方案基礎(chǔ)之上調(diào)整混凝土配合比:以“粉煤灰+膨脹劑”配合比作為主要配合比,對比混凝土干縮率。①調(diào)整 HCSA 的摻量分別為 8%,10%,12%;②YS 摻量不變 12%;③對比一組礦渣粉干縮試驗數(shù)據(jù);④對比萘系減水劑與聚羧酸減水劑的干縮率?;炷僚浜媳纫姳?9,對應的混凝土 7d、14d、28d 空氣中干縮率試驗及 14d 水中限制膨脹率結(jié)果見表 10。
1.2.3試驗結(jié)果分析與討論
摻加普通 UEA 的混凝土在水膠比較低時難以達到補償收縮的作用,高強度等級混凝土早期強度較高、水化熱高、密實度好、早期強度過高,也導致 UEA 有效潛能發(fā)揮不出來。摻加 HCSA 的混凝土當摻量達到 8% 以上時效果比較突出。摻加礦粉的補償收縮混凝土在水膠比較低時會降低混凝土收縮率,在這里未做更多的試驗。摻加 QJB 外加劑的收縮率較摻加 UNF-5AST 的混凝土收縮率大,與相關(guān)的研究結(jié)果觀點基本一致,常粉玲[2]等認為按照 GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》中平板刀口約束法試驗,水泥砂漿自收縮萘系大于聚羧酸聚羧酸減水劑,而推薦摻量范圍內(nèi)聚羧酸減水劑的摻量對水泥砂漿自收縮和干燥收縮影響不大[2]??梢钥闯鲈谘a償收縮方面起主要作用的還是膨脹劑,其他材料對高強度的混凝土干縮率未有明顯的改變。由表 11 可以看出混凝土摻加膨脹劑的水中限制膨脹率也比較大。因此采用 48-4 配合比作為鋼管柱混凝土的配合比。
表9 用于測定干縮的混凝土配合比
表10 混凝土干縮試驗結(jié)果
表11 實際生產(chǎn) C60 自密實配合比
1.2.4配合比復驗
實際生產(chǎn)選用的 C60 自密實混凝土性能見表 12。
表12 混凝土實測性能
表 12 數(shù)據(jù)顯示,C60 自密實混凝土坍落度 260mm 左右,擴展度 660mm。一小時坍落度損失為 0mm;3d、7d、28d 強度分別達到設(shè)計強度的 63%、98% 和 127%,強度性能滿足設(shè)計要求。
2.1頂升澆筑法
頂升澆筑法主要利用液體的原理。第一步是配制類似于液體的流動性混凝土,然后將混凝土泵管直接與鋼管柱根部相連,通過泵壓把混凝土泵入鋼管內(nèi)部。實現(xiàn)鋼管內(nèi)混凝土的頂升灌筑,必須滿足以下條件:①盡量增加混凝土的流動性。②合理地在空腔的隔板設(shè)置流漿孔。③留置一些排氣孔,使鋼管柱每個空腔內(nèi)壓力相同,并保證空氣排出。④ 泵壓能夠滿足頂升要求;⑤對鋼管的承壓能力進行驗算,必要時采取加固措施。
2.2頂升混凝土施工工藝
在鋼管柱、梁安裝校正完畢,梁柱節(jié)點連接牢固,作業(yè)面壓型鋼板安裝完畢后可開始進行泵送施工。施工時要注意工作的連續(xù)性,同一根鋼管混凝土柱管內(nèi)的混凝土要持續(xù)到頂端溢出混凝土為止。泵送時除有特殊要求,不需振搗混凝土以防堵管。進料短管管口以下部分的混凝土靠自由下落填滿,可在鋼管柱外部振搗以保證混凝土自然密實,時間控制在一分鐘以上。頂升過程中,專門人員對泵送壓力及和實際頂入的混凝土量進行記錄,并和理論混凝土量進行比較。為減少頂升摩擦力,在頂升混凝土的同時,可以采用從鋼管柱頂部溢流孔或排氣孔向鋼管柱內(nèi)注入適量的相同配合比的水泥砂漿潤滑管壁,直至頂升結(jié)束。
2.3混凝土生產(chǎn)和養(yǎng)護
2.3.1混凝土生產(chǎn)注意事項
①原料控制應嚴格按照試配原料質(zhì)量和來源進貨,不能更改原材料。
②攪拌時間:不能少于 1.5min,攪拌時間比普通混凝土延長。
③攪拌時投料順序采用水泥裹砂、石的二次投料[3]。
④澆筑時間:不宜在大氣溫度最高時澆筑,最好在傍晚或者夜間澆筑。
2.3.2混凝土養(yǎng)護等注意事項
①不宜用水沖淋鋼管柱壁。
②現(xiàn)場嚴禁加水,二次添加外加劑需經(jīng)過批準。
③澆筑速度:控制混凝土澆筑的連貫性,接管換管等時間要縮短,最好在 20min 以內(nèi),使混凝土勻質(zhì)性好,不能離析。和易性要好,要易于澆筑。
④成型后立即將柱子包裹,以便降低表里溫差。
2.4檢測
檢測依據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》(CECS 28)和《建筑工程施工質(zhì)量檢標準》(GB 50300)進行。鋼管混凝土混凝土澆筑質(zhì)量可以采用鐵件敲擊鋼管的方法進行初步檢測,若有異常非沉悶的聲音,應采用超聲波檢測手段,對于不密實的部位,應采用鉆孔補漿的方法進行補強,然后將鉆孔補焊封閉。
2.5應用效果
工程應用中,我們加強生產(chǎn)管理和跟蹤,混凝土到現(xiàn)場擴展度 660mm,28d 實際抗壓強度按照帶模養(yǎng)護法抗壓強度均值為 70MPa,經(jīng)業(yè)主和施工方的檢測,混凝土和鋼管壁緊密結(jié)合,效果良好。
(1)通過對配合比的優(yōu)化,采用雙摻“粉煤灰+膨脹劑”和復配外加劑生產(chǎn)的混凝土,很好地提高了自密實混凝土的施工性能,工程實踐證明該混凝土具有良好的施工性能。
(2)摻加“粉煤灰+HCSA 膨脹劑”及聚羧酸外加劑的混凝土配合比可以有效地克服混凝土收縮,使混凝土和鋼管柱緊密結(jié)合。
[1] 趙順增,劉立.HCSA 高性能膨脹劑及其混凝土性能的研究[M].中國建筑材料科學研究總院,2007.5 附錄 A.
[2] 常粉玲,管宗甫.高效減水劑對水泥基材料收縮開裂的影響研究[J].混凝土技術(shù),2012,6:8.
[3] 韓素芳,王安嶺.混凝土質(zhì)量控制手冊[M].化學工業(yè)出版社.
[通訊地址]北京市朝陽區(qū)大郊亭橋東石門村(100022)
劉國華(1974—),工程師,北京市朝陽田華和眾商品混凝土攪拌站總工程師。