泵送顶升自密实钢管混凝土应用研究.pdf

2 0 1 4年 第 2期 ( 总 第 2 9 2 期 ) Nu mb e r 2 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 2 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 P RACTI CAL TE CHN0L OGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 0 2 0 4 3 泵送顶升自密实钢管混凝土应用研究 刘权 。石建军 。周杨，栗建新 ( 南华大学 城市建设学院 ，湖南 衡阳 4 2 1 0 0 1 ) 摘要： 对 1 2 个应用泵送顶升法浇筑的自密实钢管混凝土结构进行了总结， 并从顶升高度、 配合比、 自密实混凝土工作性能、 力学性 能等几个方面进行了分析。 从自密实混凝土配合比优化人手实现混凝土泵送性能的提升， 对解决实际工程问题具有一定的参考意义。 关键词： 钢管混凝土；自密实混凝土；泵送顶升 中图分类号： T U 5 2 8 5 3 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 1 5 6 0 5 Ap pl i c a t i on o f pu m p i n g u p s e lf - c o m p a c t i n g c o n c r e t e i n c on c r e t e - fi l l e d s t e e l t u b e L 见r Q u a l 1 ， S H I J i a n j u n ， Z H OUY a n g ， L I J i a n x i n ( S c h o o l o f U r b a n C o n s t r u c t i o n ， U n i v e r s i t y o f S o u t hC h in a ， H e n g y a n g 4 2 1 0 0 1 ， C h i n a ) Ab s t r a ct： T we l v e c o n c r e fi l l e d s t e e l t u b e s t r u c t u r e s wh i c h a r e a p p l i e d t o p u mp i n g - u p s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e are s u mma r i z e d I t s a n a l y z i ngf r o m s e v e r a l a s p e c t s， s uc h a sl i fti n gh e i g h t ， mi xp r o po r t i o n， s e l f - c o mp a c t i ngwo r k i ngpe rfo r ma n c e， me c ha ni c a lp r o pe r t yan d S O o n Al s o， t h e mi x p r o po r t i o n o f s e l f - c omp a c t i n g c on c r e t e i n o r d e r t o pr o mo t e t h e p um p i ng p e rfo r man c e of s e l f - c o mp a c t i n g wa s o p t i mi z e d， wh i c h h as the c e rt a i n r e f e r e n c e s i g n i fi c a n c e i n s o l v i n g p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g p r o b l e ms K e y w o r d s ： c o n c r e t e fi l l e d s t e e l tub e ； s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e ； p u mp in g - u p 0 引言 钢管混凝土结构 ( C o n c r e t e F i l l e d S t e e l T u b e C F S T ) 于 2 O 世纪 6 0 年代引入我国， 它在我国发展共经历了两个阶段 ： 从 2 0 世纪 6 0 8 0 年代中期为推广阶段； 从 2 0 世纪 8 0年代 至今为发展阶段田 。 C F S T具有承载力高， 抗震、 耐火性能好等 优点。 能充分发挥钢材的抗拉和混凝土的抗压能力 ， 且两者 组合工作性能优异 ， 具有统一性回 。 因此 ， C F S T被广泛应用于 高层建 筑和桥梁 结构 中。 自密 实混凝 土( S e l f - C o m p a c t i n g C o n c r e t e s c c ) 是一种高性能混凝i( H i g h P e r f o r ma n c e C o n c r e t e - H P C) ， 它无需振捣 ， 仅依靠 自身重力作用能够流动密 实， 完全填充模板， 同时具有很好的黏聚性 ， 不产生离析分 层的现象3 - 5 。 S C C具有很高的流动性和间隙通过能力， 而 且 能缩短工期 ， 降低施 工噪音 。 因此 ， S C C多用于大体积 、 钢筋密集、 体型复杂等不利于混凝土振捣的结构。 由于实 际工程中的钢管混凝 土结构复杂 ， 若采用传统混凝土浇筑 和振捣 ， 不但施工效率低下 ， 而且质量无法保证 。 因此在钢 管混凝土结构中， 自密实混凝土取代传统混凝土已成为一 种必然的趋势 。 在钢管混凝土结构中， 管 内自密实混凝土的浇灌主要 有以下两种方法： 高位抛落不振捣法和泵送顶升浇灌法2 】 。 高位抛落法是依靠混凝土自身重力， 从钢管顶部抛落浇筑。 该方法操作简便， 浇筑速度较快， 但此方法不仅抛落高度 受限制( 不宜 9 m) 51 ， 而且管内混凝土不连续、 整体性差、 收稿 E t 期：2 0 1 3 - 0 8 1 1 1 5 6 易离析。 同时， 该方法影响钢结构 的施工进度 ， 工人高 空作 业强度大。 泵送顶升法利用混凝土泵 自下 而上将混凝 土填 充钢管， 不易形成浇筑缺陷， 适合管内混凝土的连续浇筑。 目前 ， 顶升法 已广泛应用于钢管混凝土拱桥的施工之 中， 房 屋建筑领域也在逐年推广。 1 工程应 用 以下对近年来的 l 2 个运用泵送顶升法施工的 自密实 钢管混凝土结构进行 了统计 。 表 1 3 6 - 5 1 分别对采用顶升法 自密实钢管混凝土的工程应用情况、 自密实混凝土配合比、 自密实混凝土工作性 能和物理力学性能进行了归纳 总结。 2 工程基本情况分析 表 1 J7】 中的混凝土泵泵送压力与混凝土顶升高度 、 混 凝土输送速度 的关系如 图 1 、 2 所示 ， 其 中泵送速度取 中间 值。 可知 ， 7 0 的工程泵 压控制 在 1 5 3 0 MP a ， 5 0 的工程 单元最大顶升高度控制在 2 0 - 3 0 m， 顶升速度主要分布在 2 0 3 0 m 3 h和 4 0 5 0 m 3 h两个区间。 3 自密实混凝土的材料及配合比分析 3 1 S CC材料 ( 1 ) 水泥 ： 除工程 3 8 】 选用 P 0 5 2 5 级水泥外 ， 其他 工 程选 用的均为 P 0 4 2 5级水泥 。 8 3 的工程 水泥用量 在 3 8 0k g以上 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 工程应用情况 目 。 水泥 掺合料 l 碎石 砂用量 水 外加剂 。 砂率 l 曙 粉煤灰 矿粉 硅粉 粒径 mm 用量 以 曙 l 以 曙 减水剂 膨胀剂 防冻剂 一 ， I ； E 7 H t ( 2 ) 掺合料： 粉煤灰是应用最多的掺合料 ， 矿粉次之 ， 硅粉仅工程 1 2 - 应用。 5 8 的工程掺合料用量在 1 0 0 k g以 上。 J G J T 2 8 3 -2 0 1 2 自密实混凝土应用技术规程 圈 指出 胶凝材料用量宜控制在 4 0 0 ,- 5 5 0 k g ， 大部分工程控制较好。 掺合料的使用不仅节约了水泥， 而且对改善 S C C和易性和 限制混凝土干缩、 冷缩裂缝的形成起到了一定作用。 ( 3 ) 粗骨料： J G J T 2 8 3 -2 0 1 2 自密实混凝土应用技术 规程 3 提出粗骨料最大公称粒径不宜大于2 0 l I 1 1 。 由图 3 可知 ， 有 4 5 的工程最大粒径小于 2 0 l n n ， 有两个 工程最 大粒径为 3 1 5 1 1 1 1 。 ( 4 ) 外加剂： S C C通过添加高效减水剂来改善混凝土 的黏聚性和流动性。 表 1 6 - 1 5 中所列的工程除工程 1 1 14 都 添加了减水剂 ， 除工程 1 2 5 】 都添加了膨胀剂， 补偿混凝土 收缩。 1 5 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 泵送 压力 MPa 图 1 泵送压力一 顶升高度关系 泵 送压 力 MP a 图 2 泵送压力一 顶升速度关系 ZU U Z) U j L 5 最大粒径 ram 图 3 粗骨料最大粒径分布图 3 2配合 比 S C C配合比直接影响着混凝土的屈服应力和塑性黏 度， 对 自密实混凝土的工作性能和力学性能起到至关重要 的左右。 ( 1 ) 水胶 比 ： S C C水胶 比不 宜选择 过大 ， 一 般控制在 0 4 5以下。 表 1 16 - 所列工程水胶 比都在 0 4以下 ， 由图 4可 知 ， 4 1 6 的工程水胶比在 0 3 3 0 3 6 之间 ， 6 6 6 的水胶 比 都落在 0 3 0 3 6 之间。 ：_ l_ I 墨 豳 圉 0 27 0 3 0 0 3 3 0 3 6 0-3 9 水胶比 图 4水胶 比分布 图 ( 2 ) 砂率： J G J 5 5 2 0 l l 普通混凝土配合比设计规程 指出泵送混凝 土砂率宜控制在 3 5 , - 4 5 之间 ， 6 6 6 的工 程在此范围之内， 另外的工程所用砂率都大于4 5 。 砂率过 大， 则混凝土的强度和工作性都降低； 砂率过小， 则混凝土 收缩较大 ， 体积稳定性不 良， 混凝土质量无 法保证 。 因此 ， 1 58 选取一个合适的砂率对改善自密实混凝土的性能有着重 要意义。 3 3 S CC配合 比对泵送性能的影 响 由图 5 、 6 可知， 单元最大顶升高度随着水胶比的增大 而升高， 随着砂率的增大而减小。 可根据实际工程单元最大 顶升高度， 适当调整砂率和水胶比。 水胶 比 图 5 水胶 比一 顶升高度关系 砂翠 图 6 砂率一 顶升高度关系 4自密实混凝土工作性能 自密 实混 凝土 的工作性能 主要体现 在流动性 、 填充 性、 间隙通过性等方面。 其相应测试方法为坍落度、 坍落扩 展度、 T 5 0 0 、 J 环、 L形箱、 u形箱等。 其中坍落度和坍落扩 展度是两个衡量 S C C性能的重要指标。 所有的工程都进 行了坍落度和扩展度试验。 坍落度范围在 2 1 5 2 7 0 I 1 3 1 11 之 间， 扩展度范围为 5 6 0 7 3 0 m m。 由图 7 、 8 可知， 坍落度集 中分布在 2 5 5 2 7 0 m m， 占 4 1 6 ； 坍落扩展 度主要 分布在 6 5 0 7 2 5 m m， 占 5 0 。 2 O 1 5 o O 5 0 Zl U 220 Z3U 2 40 25 U 260 2 7 U 坍落度 m m 图 7 坍落度分布图 4 1 坍 落度 、 坍落扩展度与水胶 比、 砂率之 间的关 系 由图9 1 2 可知， 坍落度和坍落扩展度都有随着水胶比 的降低而增加的趋势 ， 同时， 坍落度和扩展度都随着砂率 的增长而增加 。 对于传统混凝土 ， 要想获得大的流动性就必须增大水 胶 比 ， 即在胶凝材料一定 的情况下增大用水量 ， 从而降低 6 5 4 3 2 O 辍 6 5 4 3 2 1 O 籁 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 O 2 5 2 0 羹 1 0 0 5 O -_ _ 5 5 0 6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 坍落扩展度 m m 图 8 坍落扩展度分布图 坍落度 mm 图 9 坍落度一 水胶 比关系 坍落扩展度 mm 图 1 O 坍落扩展度一 水胶比关系 坍落度 mm 图 1 1 坍落度一 砂率关系 坍 落扩展度 mm 图 1 2 坍落扩展度一 砂率关系 胶体黏聚性 ， 胶体与骨料间的黏聚力降低。 用水量的增大， 势必会影响混凝土的收缩和硬化后的力学性能 。 S C C通过 高效减水剂的加入， 在低水胶比状态下， 能够使混凝土获 得较好的流动性和黏聚性 ， 图 9 、 1 0 能很好 的反 映 自密实混 凝土这一特性 ， 但它们直接具体定量的关系还难以得 出， 有 待进一步试验研究 。 除了低水胶比， 高砂率是 S C C的另一特征。 在一定范 围内， 随着砂率的增加， 混凝土的塑性黏度降低， 流动性提 高， 同时， 砂率过大或过小都将引起塑性黏度的增大， 流动 性的降低【 搠 。 4 2 其他 工作 性测试 除了最基本的坍落度和坍落扩展度测试外 ， 工程 5 、 1 2 t 进行了倒坍落度筒试验， 时间分别为 1 0 、 4 8 S ； 工程 5 t 明 进行了 u形仪试验， 高差为 2 0 m n l ， 工程 6 1 1 11 进行了前 槽沉降深度和后槽穿透距离 的试验 ， 工程 1 2 行 了 v形 漏斗试验 ， 时间为 1 9 S 。 5 自密实混凝土物理力学性能 5 1 抗压强度 钢管混凝土结构 中管 内混凝土强度最低标准为 C 3 0 ， 表 1 6 - 中所列工程设计强度最低为 C 4 0 ， 除工程 1 1 外的 所有工程均给出了2 8 d 抗压强度值( 见表 3 ) ， 都超过了设 计强度， 其中在桥梁钢管混凝土结构中更关注混凝土的早 期强度 ， 3 d即能达到设计强度的 8 0 ,4 以上 ， 更早地使钢管与 混凝土共同受力 ， 从而加快施工进度。 图 1 3 是抗压强度随时 间增长关系。 时 间 ， d 图 1 3抗压强度一 时间关系 5 2 弹性模量 自密实钢管混凝土弹性模量应符合表 4 。 表 4 弹性模量限值【 注 ： 工程 3 、 4、 1 0 均 满足 以上规 定 。 5 3膨胀率 混凝土在硬化过程 中均会发生体积收缩 ， 当混凝土的收 缩值大于极限变形值， 收缩变形引起的拉应力大于混凝土的 极限抗拉强度时 ， 混凝土将产生裂缝 ， 影响钢管与混凝土的 黏结与共同工作。 在混凝土中加入膨胀剂， 以用来补偿收缩。 膨胀率的测定主要有两种不同的测法 ， 一种是测混 凝土的自由膨胀率 1 9 ， 另一种测的是混凝土的限制膨胀 率【 删。 而 G B 5 0 1 1 9 2 0 0 3 混凝土外加剂应用技术规程 f2 0 】 和 G B 2 3 4 3 9 -2 0 0 9 混凝土膨胀剂 中都是以混凝土水 中养护 1 4 d的限制膨胀率作为性能指标。 】 5 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 3中工程 4 、 5 、 6 、 8 19 - 1 1 1 给出 的水中养护 1 4 d的限制 膨胀率均 1 5 1 0 ， 符合要求 。 5 4含 气量 表 3 6 1 5 中所 列工程含气 量从 1 7 3 9 ， 混凝 土含 气量 1 8 以下时， 泵送顶升施工过程所形成的间隙小于 0 1 m n ， 可减少脱黏现象 的发生嗍 。 6 结论与展 望 ( 1 ) 泵送顶升 自密实混凝土水胶 比宜控制在 0 3 - 0 3 5 之间， 根据顶升高度和工作性要求再做适 当调整。 在一定范 围内， 混凝土流动 J生 能随着砂率 的增加而增强 ， 砂率宜控制 在 4 5 左 右 。 1 2 个 工程坍落度 主要 集 中在 2 5 5 2 7 0 mm， 扩展度主要分布在 6 5 0 7 2 5 m l T l ， 然而坍落度 、 扩展度与水 胶比、 砂率之间的具体关系尚未明确， 应从流变模型、 参数 反演人手 ， 建立 S C C本构关系 。 ( 2 ) 大部分工程单元顶升高度控制在 3 0 m 以下 ， 顶升 速度控制在 2 0 m 3 h以上，单元最大顶升高度与混凝土泵 送压力和 S C C配合 比等多重 因素有关 。 ( 3 ) 管内混凝 土采用 敲击 、 超声 波与钻芯取样等检测 方法对钢管混凝土的密实度进行检测。 但钻取管 内混凝土 芯样 的方法损伤铜管壁且补强困难 ， 钢管混凝土无损检 测有待进一步研究和发展。 ( 4 ) 自由膨胀率和限制膨胀率都不符合钢管混凝土的 实际 ， 管 内混凝土含气量 和膨胀性能的测定方法和标准尚 未给出， 体积稳定性理论亟待研究。 ( 5 ) 表 1 6 - 5 中泵送顶升法浇筑 自密实混凝 土大多用在 钢管混凝土拱桥中， 在建筑工程领域应用尚少， 这与传统 的分段施工不无关系 ， 新型连续施工组织方式 尚需完善。 参考文献 ： 【 1 】 钟善桐 钢管混凝土结构在我 国的应用和发展 J 1 建筑技术 ， 2 0 0 1 ， 2 ( 3 2 ) ： 8 0 8 2 2 】 钟善桐 钢管混凝土结构【 M - 京： 清华大学出版社， 2 0 0 3 【 3 】 J G J T 2 8 3 -2 0 1 2 ， 自密实混凝土应用技术规程 s 】 E 京 ： 中国建 筑工业出版社 ， 2 0 1 2 【 4 E F N ARC ， E F C A， E RMC O， C EMBU R E AU， B I B M T h e E u r o p e a n G u - i d e l i n e s f o r S e l f - Co mp a c t i n g Co n c r e t e - S p e c i f i c a t i o n， P r o d u c t i o n a n d Us e S 2 0 0 5 【 5 】OK AMURA H， OU C HI MS e l f C o mp a c t i n g h i g h p e rf o r ma n c e C o n c r e t e J P r o g r e s s i n S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g a n d M a t e r i a l s ， 1 9 9 8 ， 1 ) ： 37 8 -3 8 3 【 6 】 高洁琦 ， 张德旺 ， 蒋荣波 钢管柱柱芯混凝土顶升施工技术【 J J _ 施 工技术， 2 0 0 6 ， 3 5 ( 4 ) ： 3 4 3 5 ， 6 2 7 王耘， 陈光辉 杭州市钱江四桥钢管混凝土顶升施工技术 J 桥 梁建设， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 6 4 6 6 8 丁庆军 ， 彭艳周 ， 何永佳 ， 等 巫山长江大桥钢管混凝土配合比 设计与施工 混凝土 ， 2 0 0 6 ( 1 0 ) ： 6 1 6 4 【 9 】吴文清， 罗瑞华 ， 钱配舒， 等 C 5 0自密实微膨胀钢管混凝土配制 与应用研究【 J 1 _建筑技术开发， 2 0 0 6 ， 3 3 ( 7 ) ： 6 4 6 6 ， 7 4 【 1 0 】 胡紫日 ， 皮全杰 ， 卢明法 ， 等 高流态混凝土在国家体育场的研 究与应用 J j 昆凝土， 2 0 0 6 ( 1 1 ) ： 6 9 7 0 ， 7 3 1 1 丁虎， 郝建忠 ， 龚汉甫， 等 大跨径钢管拱主弦管混凝土在益阳南县 茅草街大侨的配制及应用，睛 况IJ 1混疑土， 2 0 0 6 ( 1 o ) ： 5 2 - 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