尾矿机制砂配制C60钢管大...积混凝土的配合比设计及应用_张全贵.pdf

试验研究Experimental Research26CHINA CONCRETE 2023.03 NO.165收稿日期：2022-11-12第一作者：张全贵，1975年生，硕士，高级工程师，研究方向为商品混凝土与外加剂，E-mail：引言钢管混凝土结构（Concrete-filled Steel Tube，简称CFST），是指在钢管内填充混凝土而形成的组合结构，它不仅能够更有效地发挥钢材与混凝土材料各自的优点1，而且还克服了钢管结构易屈曲的缺点。相比钢结构，CFST可节省大量钢材，耐火性更好；相比混凝土结构，CFST可获得更大的建筑空间，减少自重量，提高抗震性能等。为了加强钢结构的刚度，钢管内设计了大量的纵向加劲肋和水平隔板，给内浇混凝土的难度升级，混凝土拌合物性能浇筑过程中一旦不能保证，就会出现空腔、漏空等缺陷，直接影响结构的受力分布。自密实混凝土（Self-compacting Concrete，简称SCC），是一种流动性很强、性能很稳定的混凝土。它具有高流动性、高抗离淅性、高间隙通过性和高填充性，能够方便地进行浇筑，靠混凝土自重就能浇筑到模板内的各个角落，且无需进行任何振捣即能达到密实效果2。在钢管混凝土的应用过程中，尤其是施工过程中，由于钢管内操作空间小、作业高度和强度大、施工时间长等因素，通常普通振捣浇筑较难实现，因此产生了新的浇筑方法。DB11/T 16282019钢管混凝土顶升法施工技术规程中第2.0.1条提到，高位抛落法（简称高抛法）和泵送顶升法3所代表的无振捣浇筑方法应运而生。SCC具有的优越性能，能有效解决高层建筑钢管柱混凝土的施工困难，并能大概率地避免出现因无法振捣或漏振而造成空洞、蜂窝、麻面等质量缺陷，加快了施工速度，保证和提高了高层建筑的施工质量，同时节约了大量的人工成本。1 工程概况及施工难点本项目为昌平区沙河镇七里渠南北村QLQ-004地块尾矿机制砂配制C60钢管大体积混凝土的配合比设计及应用张全贵北京金隅混凝土有限公司 北京 100165摘 要：本文分析了顶升法施工钢管混凝土结构中内浇C60混凝土的特点和难点，按照用尾矿机制砂、两级配机制石和大掺量矿物掺合料（粉煤灰、矿渣粉、硅灰）配制自密实混凝土的技术路线来设计配合比，并试验了内养护剂的减缩功能。试验结果表明：掺加一定量的内养护剂后，C60钢管自密实大体积混凝土能够满足实际工程的质量要求。关键词：尾矿机制砂；顶升法；钢管混凝土；内养护剂Mix Design and Application of C60 Steel Tube Mass Concrete Prepared with Tailings Machine-made SandAbstract:This paper analyzes the characteristics and difficulties of the cast-in-place C60 concrete in the construction of concrete-filled steel tube by the jacking method,designs the mix proportion according to the technical route of preparing self-compacting concrete with tailings machine-made sand,two-graded machine-made stone and large amount of mineral admixtures(fly ash,slag powder,silica fume),and tests the shrinkage reduction function of the internal curing agent.The test results show that after adding a certain amount of internal curing agent,C60 steel pipe self-compacting mass concrete can meet the quality requirements of practical projects.Key words:Tailings machine-made sand;jacking method;concrete filled steel tube;internal curing agent试验研究Experimental Research27总165期 2023.03 混凝土世界综合性商业金融服务业项目，属于北京市重点工程，工程体量大，工期紧张。地上共54根方钢管柱，4根圆钢管柱，地下共4根巨型树杈状钢管柱，如图1所示，钢管柱最大截面尺寸2400mm，内部浇筑C60混凝土，采用顶升施工工艺，最大顶升高度20m。依据该工程的钢管特点和顶升法施工难度要求，C60混凝土必须同时具备以下性能：（1）高强度性。标准养护28d配制抗压强度69MPa，标准养护60d抗压强度不低于72MPa；（2）自密实性。钢管异型且内腔配制筋多且复杂，振捣棒插入、拔出困难，为了满足密实度只能采用SCC浇筑；（3）大体积。钢管柱截面大，混凝土浇筑后内外部温差或快速降温极易产生温度裂缝，应按大体积混凝土来控制；（4）体积稳定性好。一般情况下，高强度混凝土自收缩较大，如若控制不好，钢管内的混凝土易于内壁脱开，因此必须减小混凝土自收缩，保持良好的体积稳定性；（5）其他性能。如粘聚性小、泵送性能良好。2 C60钢管大体积混凝土（顶升法施工）配制依据及思路本文运用的C60钢管大体积混凝土（顶升法施工）配合比设计参考依据包括：DB11/T 16282019、JGJ 552011 混凝土配合比设计规程、JGJ/T 2812012高强混凝土应用技术规程和JGJ/T 2832012自密实混凝土应用规程。鉴于当前国际、国内配制高强混凝土传统的技术路线通常使用高品质水泥、高等级矿物掺合料、高性能外加剂、优质骨料进行配合比设计、试验和应用，因此，本文的C60钢管大体积混凝土（顶升法施工）配制思路承袭了目前的通用做法。此外，结合本工程钢管混凝土的实际特点，还应重点考虑以下几个方面：（1）混凝土拌合物要有较小的粘聚性和较好的抗离析性，主要通过倒置坍落度试验测定；（2）混凝土拌合物具有较好的流动性和填充性能，主要通过坍落度及扩展度、T500、J环试验和U型箱高差测定；（3）混凝土拌合物要尽可能地减少自身的收缩值，本方案主要通过3种方法减少混凝土自身的收缩：1）通过掺入超细硅灰、两级配粗骨料、内养护剂来提高混凝土的密实度，减少混凝土自身的收缩；2）选择高性能的外加剂，减少混凝土自身的收缩；3）通过混凝土配合比设计选择合适的砂率，砂率大混凝土自身的收缩大，易开裂，体积稳定性差；（4）混凝土拌合物的含气量要控制在2%4%，这样不会影响混凝土的强度，可以提高混凝土的流动性，从而提高混凝土的填充性能；（5）按照大体积混凝土要求，其配合比应符合相关要求。尽可能地采用低碱低表面积水泥以及大掺量多品种掺合料，从而降低水泥用量，减少混凝土的水化热，控制混凝土温度裂缝的产生。3 试验部分3.1 试验材料材料选择主要考虑能够满足C60钢管混凝土所需的性能指标，生产规模大且品质稳定。（1）胶凝材料。水泥：琉璃河PO 42.5低碱、低比表面积（320350m2/kg）水泥，28d抗压强度5356MPa，水化热低，与减水剂的相容性好；粉煤灰：天津蓟县电厂级粉煤灰，需水量比低于90%；矿粉：三河天龙S95级矿粉，28d活性指数96%105%；硅灰：北京江汉科技有限公司SF-93型硅灰，二氧化硅含量在93%94%，比表面积在1900020000m2/kg。掺加级粉煤灰和硅灰，其与混凝土中高碱度的Ca(OH)2产生二次反应，生成C-S-H凝胶，使Ca(OH)2晶图 1 巨型树杈状钢管柱组成示意图试验研究Experimental Research28CHINA CONCRETE 2023.03 NO.165体细化或减少、C-S-H凝胶增多，水泥石与骨料的界面结构得以改善，混凝土强度大幅提高；由于其形态效应、微集料效应和火山灰效应，可以均匀分散到水泥浆体中时，填充在水泥石和界面的空隙中，改善了混凝土孔结构，阻断了可能形成的渗透通路，水和侵蚀介质难以进入混凝土内部，使其耐久性大大提高；同时，可以调节混凝土拌合物黏度系数，大大改善高强混凝土的工作性。（2）砂。以往钢管混凝土工程成功案例基本采用天然中砂配制，但由于北京周边地区天然砂资源枯竭且质量欠佳，难以满足本工程的工艺要求及连续性供应需求。选用滦平地区的伟源尾矿机制砂，其级配合理，基本不含泥和泥块，细度模数在2.83.0，属低碱活性骨料。（3）石。根据现场钢筋的间距情况和顶升法的要求，选用冀东涞水砂石骨料公司生产的510mm、1020mm两级配山碎石。其生产工艺流程为：开采-除土-破碎-筛分-整形。经过整形处理的石子，粒形接近圆球形、没有棱角，针片状含量小于5%，吸水率小于2%，压碎指标控制在4%5%4，属低碱活性骨料。510mm和1020mm两级配石子按13比例混合后，空隙率在35%36%，相当良好，有益于配制高强自密实混凝土。（4）外加剂。外加剂是配制C60钢管混凝土的关键材料，选用金隅水泥节能科技生产的JY-PS-1型聚羧酸高性能减水剂。其减水率为29%32%，34h坍落度经时损失为1020mm，拌合物粘滞阻力小，与水泥的相容性好，28d收缩率比低于100%。控制混凝土的含气量在2%4%，不会影响混凝土的强度，可以提高混凝土的流动性，从而提高混凝土的填充性能。（5）内养护剂。目前绝大多数配制钢管混凝土，为了减少自身的收缩，防止硬化后与管内壁脱空，一般都要掺入适量的膨胀剂，但是此材料对保湿养护条件要求较高，需要外界给水补充近半个月，否则膨胀剂的补偿收缩不能充分发挥作用，很有可能会影响混凝土的强度。因此，本工程不掺加膨胀剂，采用内养护技术5，改善胶凝材料的水化环境，提高水化程度。内养护剂是一种有效降低混凝土收缩的外加剂6-7。本工程选用在中国樽应用过的国产高吸水树脂（Super Absorbent Polymer，简称SAP），吸水率为30倍。3.2 配合比本应进行钢管混凝土正交试验设计，来确定试验因素和影响水平，如胶凝材料总量、水胶比、矿物掺合料掺量、粉煤灰与矿粉比例、硅灰掺量，但因为本工程工期要求紧，正交设计试验量大，并没有完整进行。遂依据相关标准、规程，以及多年配制C60自密实混凝土的实际工程应用经验，结合强度、自密实性能影响因素、影响水平的排序，以及查阅类似工程应用资料和选用的原材料情况，设计6个C60钢管混凝土配合比。其中SPA的吸水率按其掺加量的30倍计算，试验时额外的水与正常拌合水一并加入，SPA与砂、石一并投入搅拌机8，外加剂含水量扣除。具体试验配合比见表1。3.3 结果与分析拌合物工作性能见表2，混凝土力学性能及无振捣成型混凝土7d自收缩性能见表3。由表2、表3可知：（1）砂率的大小对混凝土拌合物工作性能、力学性能、自收缩均有影响，其中砂率过大或过小都不利于混凝土拌合物流动性和填充性，同时砂率过小使混凝土粘聚性差、抗离析性差，砂率过大会降低混表 1 试验配合比编号水胶比砂率/%材料用量/（kg/m3）水水泥尾矿机制砂510mm及1020mm石 粉煤灰矿粉硅灰外加剂SPA10.3049165+10368839873110442811.60.3420.3050165+10368856856110442812.10.3430.3051165+10368873839110442812.60.3440.3049165+10395839873127-2812.10.3450.3050165+10395856856127-2812.60.3460.3051165+10395873839127-2813.20.34试验研究Experimental Research29总165期 2023.03 混凝土世界凝土强度；（2）大量掺入粉煤灰后能够改善混凝土拌合物工作性能，虽然降低早期强度，但后期强度基本不受影响；（3）无振捣混凝土强度与振捣混凝土强度相比，无明显差异；（4）含气量均在控制范围内；（5）通过拌合物性能和混凝土力学性能检测，结合自收缩数据，并对试验结果进行分析，初步确定2号配合比，下一步进行绝热温升试验。对2号配合比进行下一步绝热温升试验，如图2所示，试验环境温度21.5，1d内混凝土温度增长迅速，24h达到47.5，随后温升速率减缓，3d后温升速率稳定1.2/d上下，7d温升到55.6，以后基本趋于稳定。4 生产和施工注意事项（1）C60钢管混凝土，水胶比低、胶凝材料多，为了确保高强自密实混凝土拌合物的匀质性，在生产过程中要适当地延长混凝土的搅拌时间，但过度延长搅拌时间又会导致混凝土的流动性损失，根据生产实际经验C60钢管混凝土搅拌时间控制在90120s。此外，在使用聚羧酸外加剂时，C60钢管混凝土对原材料波动较敏感，应该更加频繁地检测骨料的级配、含泥量、含水率，同时加强混凝土的出厂检测。（2）混凝土运输车辆在装料前一定要反转罐体将罐内积水和浆体排净，混凝土运输车辆在装料后严格表 2 拌合物工作性能编号出机坍落度/mm出机扩展度/mmT500/sU型箱高差/mmJ环试验/mm倒置坍落度筒排空时间/s含气量/%3h坍落度/mm3h扩展度/mm12556755.342408.83.024564522656954.225206.02.826068532606805.135305.62.924063042456405.545508.53.023561552606704.832255.93.225066062506655.240455.73.1240625表 3 混凝土力学性能及无振捣成型混凝土7d自收缩性能编号成型方式抗压强度/MPa无振捣成型混凝土7d自收缩/10-6m/m3d7d28d60d1振捣成型45.361.273.882.6-无振捣成型45.061.674.581.9258.12振捣成型43.859.672.981.7-无振捣成型44.659.272.882.5249.83振捣成型42.157.470.579.9-无振捣成型41.358.770.179.5283.44振捣成型52.766.474.682.5-无振捣成型51.466.075.382.1238.55振捣成型50.364.873.681.5-无振捣成型51.264.373.182.0250.56振捣成型48.062.271.980.1-无振捣成型49.162.072.280.7294.4图 2 混凝土绝热温度变化曲线试验研究Experimental Research30CHINA CONCRETE 2023.03 NO.165禁止司机冲洗罐车接料斗。混凝土到达现场后应对自密实混凝土性能进行检测，合格方可进行浇筑，否则退场处理。（3）在浇筑前，先浇筑1层100200mm厚与混凝土强度配合比相同的水泥砂浆，防止自由下落的混凝土粗骨料产生弹跳，影响混凝土强度，砂浆由搅拌站根据确定的配合比提供相同等级的砂浆。（4）下料时应均匀对称下料，每次下料高度控制在2m，间隙1015min后再继续下料，以便混凝土能充分的沉降密实。（5）观察口和排气口的留置，每隔12m高度留置观察口，直径1020mm。观察口的封堵，根据施工和设计单位的要求，需要对观察孔封堵的，可由搅拌站提供相同等级的砂浆和细石混凝土进行封堵。（6）C60钢管混凝土砂率大、胶凝材料用量大、泌水少、水化热相对高，一定要加强早期养护。5 工程应用效果经过优选原材料，大量的性能对比试验，确定最佳生产施工配合比，使其满足钢管混凝土顶升法要求的各项性能指标，并通过有效的生产和施工质量控制措施，在整个钢管柱核心筒地下部分泵送浇筑过程中混凝土工作性能良好，浇筑过程顺利。得到了以下数据：（1）抽测混凝土拌合物出机坍落度在255265mm，出机扩展度685695mm，倒置坍落度筒排空时间5.66.8s，U型箱高差在2030mm。（2）抽测混凝土拌合物入泵含气量在2.6%3.0%，出泵含气量在3.2%3.8%，混凝土拌合物的泵送压力在11.512.5MPa。（3）钢管筒内混凝土温升测试，采用铂热电阻传感测温，初时温度在25.628.1，1d达到74.6，3d达到峰值75.8，内浇中心温度和表面温差在5以内，温度梯度最高约16/m，小于20/m，不会产生温度裂缝；3d后温度缓慢平稳下降，下降梯度基本在1/d左右，最大约2/d。由于混凝土3d已经有一定抗拉强度，不会产生温度裂缝。至3个月时，混凝土中心温度约为31。（4）抽测混凝土7d自收缩值在298.710-6 365.410-6m/m，均低于40010-6m/m，完全满足钢管混凝土顶升法施工技术规程要求。（5）后期统计60d混凝土抗压强度，抗压强度最小值74.1MPa，达到设计强度124%，抗压强度最大值81.2MPa，达到设计强度135%，强度评定合格。后期实体结构混凝土顺利通过验收，良好的工程效果证明C60钢管混凝土在工程上得到成功应用，同时施工方节约了大量人工，取得了良好的经济效益。结论本文分析了顶升法施工C60钢管大体积混凝土中内浇的特点和难点，按照目前国际、国内传统配制高强混凝土传统的技术路线，设计配合比，使用尾矿机制砂、两级配机制石和大掺量矿物掺合料（粉煤灰、矿渣粉、硅灰）配制自密实混凝土，试验了内养护剂的减缩功能，提出了生产和施工的注意事项，并顺利进行了工程实际应用。得到以下结论：（1）尾矿机制砂可以配制C60钢管混凝土。（2）采用多种掺合料大掺量复合应用，合理搭配，降低水泥用量和水化热，并充分发挥复合材料的“超叠效应”，能显著改善混凝土工作性能，是配制大体积高强混凝土的可行技术路线。（3）掺加内养护剂，以及大掺量掺合料复合和两级配粗骨料的应用，能够有效控制混凝土自收缩，可以实现C60钢管混凝土低收缩的配制目标。参考文献1 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