自密实微膨胀钢管混凝土的应用

宋德强（中山市东峻混凝土有限公司）

自密实微膨胀钢管混凝土的应用

宋德强
（中山市东峻混凝土有限公司）

随着建筑技术的发展和社会的进步，高层超高层建筑和大跨径结构越来越多，钢管混凝土结构由于其具有承载力高、塑性好、韧性高、抗震性能好等优点已在高层超高层建筑和大跨径结构中得到了广泛应用。本文主要介绍自密实微膨胀钢管混凝土的原材料性能、混凝土技术要求、配合比设计、施工方法及工程应用情况。

自密实微膨胀混凝土；配合比设计；钢管混凝土；施工方法；工程应用

1 引言

钢管混凝土是指在钢管中浇筑混凝土而形成的混凝土构件，钢管内部填充的混凝土增强了钢管的稳定性，外部钢管的约束作用使混凝土处于三向应力状态，可以大大提高混凝土的抗压强度和抵抗变形能力。钢管混凝土构件具有钢材和混凝土的组合性能，结构具有承载力高、塑性好、韧性高、抗震性能好等优点。目前钢管混凝土已在高层超高层建筑和大跨径结构中得到了广泛应用。但钢管混凝土也存在混凝土振捣困难、难以密实、混凝土收缩等问题，极易导致混凝土强度不达标、内部缺陷、钢管混凝土脱空，从而影响钢管混凝土结构整体性能的发挥[1,2]。

自密实微膨胀混凝土不仅具有自密实混凝土所具有的高流动性、高抗离析性、无需振捣即可自密实等特点，同时通过掺加优质膨胀剂产生的微膨胀作用可以补偿混凝土产生的收缩。自密实微膨胀混凝土为解决钢管混凝土施工困难、混凝土脱空等质量问题提供了技术保证。

2 自密实微膨胀混凝土的性能要求

自密实微膨胀混凝土的性能应符合《自密实混凝土应用技术规程》（GB50936-2014）、《钢管混凝土结构技术规范》（GB50204-2015）、《补偿收缩混凝土应用技术规程》（JGJ/T 178-2009）、《高抛免振捣混凝土应用技术规范》（JGJT 296-2013）、《混凝土结构工程施工质量验收规范等标准规范》（GB 50204-2015）等标准规范的要求以及工程设计文件等的要求。主要性能指标包括原材料的性能要求、混凝土拌合物的性能要求（坍落扩展度、倒坍时间、T500、离析率、U型箱实验填充高度等）、硬化混凝土的力学性能、变形性能和耐久性及实体结构的性能等。

3 自密实微膨胀混凝土配合比设计中应注意的问题

自密实微膨胀混凝土配合比设计应按照《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）、《自密实混凝土应用技术规程》（GB50936-2014）、《自密实混凝土应用技术规程》（CECS203:2006）、《钢管混凝土结构技术规范》（GB50204-2015）、《补偿收缩混凝土应用技术规程》（JGJ/T 178-2009）、《高抛免振捣混凝土应用技术规范》（JGJT 296-2013）等标准规范的要求、工程的设计要求等进行。在混凝土配合比设计中应注意以下问题：

⑴自密实混凝土配合比应根据结构物的结构条件、施工条件以及环境条件所要求的自密实性能进行设计，在综合强度、耐久性和其他必要性能要求的基础上，提出试验配合比。

⑵在进行自密实混凝土配合比设计调整时应考虑水胶比对自密实混凝土设计强度的影响和水胶比对自密实性能的影响。

⑶自密实微膨胀混凝土配合比设计宜采用绝对体积法。

⑷膨胀剂掺量（代替胶凝材料率）为10%～12%，对于低掺量的高性能膨胀剂为6%～8%，应符合《混凝土外加剂应用技术规范》（GBJ 119）的要求。补偿收缩混凝土最重要的技术指标是限制膨胀率，以膨胀率预定值确定膨胀剂的掺量。实际膨胀剂掺量必须通过试验来确定。

⑸自密实混凝土宜采用增加粉体材料用量和优选优质高性能减水剂，掺加硅灰、超细粉煤灰等矿物掺合料来改善浆体的粘性和流动性。

4 自密实微膨胀钢管混凝土的施工技术方法

目前，国内外常见的钢管混凝土施工方法主要有泵送顶升浇筑法、高位抛落免振捣法及人工振捣密实法等。泵送顶升浇筑法的原理为在钢管柱根部开设浇筑孔，使用混凝土泵送设备进行泵送顶升，通过钢管内混凝土的自重和泵送向上的冲力，使混凝土充分密实。该施工方法能将自密实混凝土一次性泵送到所需高度，减少了工序环节，可大幅降低劳动强度，加快施工进度。高位抛落免振捣法的原理为将混凝土从一定高度抛落，充分利用混凝土下落时的动能及混凝土自身的性能达到充分密实的效果。其主要缺点是施工时间长，管内混凝土不连续，整体性差。人工振捣密实法的原理为在混凝土浇筑过程中利用振捣设备或者人工对混凝土实施振捣，以达到密实的效果。该方法是钢管混凝土刚产生常采用的施工方法，施工速度慢，混凝土施工质量相对较差[3～5]。

本节主要介绍泵送顶升浇筑法和高位抛落免振捣法的施工工艺。泵送顶升浇筑法的施工工艺如下：

⑴在钢管柱根部开设一个浇筑孔，插入一根端口朝外的90°弯泵管，并将其焊接在钢管柱上，斜口向上，并在泵管连接处焊接一个止流阀（泵管型号应与连接泵送设备的泵管型号相同，便于泵管连接及布管）；

⑵在钢管柱顶端设置直径100mm的排气孔；

⑶布置及连接泵管；

⑷浇筑混凝土直至排气孔出现冒浆为止，间隔10min再泵送一次，以尽可能地排出钢管柱内的气体；

⑸浇筑过程中及时监测混凝土浇筑密实情况；

⑹混凝土浇筑完成后关闭止流阀，防止混凝土回流[4]。

高位抛落免振捣法的施工工艺如下：

⑴根据工程的浇筑区域、构件类型、配筋情况、高抛高度等选择机具与浇筑方法，浇筑布料间距不宜大于4m；

⑵混凝土浇筑前应先浇筑一层厚度为100～200mm的同标号砂浆，防止自由下落的混凝土粗骨料产生弹跳，影响混凝土强度；

⑶出料口应伸入钢柱，利用混凝土下落产生的动能达到混凝土自密实的效果；

⑷各布料点均匀布料，加强节点处的人工振捣；

⑸浇筑过程中应注意抛落高度、浇筑高度、时间间隔等关键参数，严格检验混凝土拌合物性能，及时监测混凝土浇筑密实情况。

5 自密实微膨胀钢管混凝土的工程应用

5.1天津高银117大厦[6,7]

天津高银117大厦是一幢集办公、酒店、精品商业等于一体的特大型超高层建筑，是中国北方第一高楼。117大厦总建筑面积37万m2，地下3层，地上117层，结构高度596.2m，为中国结构第一高楼。

117大厦主体结构采用钢筋混凝土核心筒-巨型框架支撑结构体系。核心筒为混凝土内包钢板和劲性钢骨的剪力墙结构，外筒由四角4根巨型柱与巨型桁架、巨型斜撑共同组成。其中，外筒四角4根巨型柱为多腔体异形钢管混凝土巨型柱，最大横截面尺寸为24m× 22.8m，由29个腔体组成，各腔体间不连通，腔体内有大量肋板及大50mm大直径竖向钢筋，这在超高层建筑中十分罕见，混凝土无振条件，施工难度极大。巨型柱从基础筏板以0.88°向内倾斜贯穿至117层(583.65m)，其中35层(182.96m)以下为C70高强混凝土，单次最大浇筑方量达3400m3。另外，地上主塔楼巨型柱与环带桁架、巨型支撑交接处的加强层节点，其腔体构造复杂，竖向、水平隔板各5道，混凝土施工时不具备无振捣条件。混凝土浇筑时具有一定的抛落高度，最大抛落高度超过30m。经试验研究并结合工程实际情况确定采用C70高抛免振捣自密实混凝土进行施工，117大厦巨型柱C70高抛免振捣混凝土配合比如表1所示。混凝土拌合物坍落扩展度650mm，T50=3.9，倒坍时间为4.2s；7d抗压强度为71.1MPa，28d抗压强度达到89.7MPa，满足设计要求。

高抛免振捣自密实混凝土浇筑施工过程中应严格控制混凝土工作性能（进场混凝土扩展度≥650mm，3h扩展度损失不超过50mm，且不能离析泌水），浇筑过程实时监测巨型柱内混凝土密实度，施工过程中注意混凝土抛落高度及浇筑厚度（每次下料高度控制在2m，间隙10～15min后再继续下料，抛落高度应≥4m，对于抛落高度<4m的部分，需应用内部振捣器振实），浇筑结构隔板处混凝土，应间隔15min，以便有足够时间排出腔内空气，确保混凝土浇筑密实。巨型钢管柱横隔板下界面及异形角部部位对混凝土的自密实性能要求最高，最容易出现不密实情况，施工过程中应特别注意。

表1 117大厦巨型柱C70高抛免振捣混凝土配合比/kg·m-3

为确保施工质量采用模拟钢管柱进行试验，破坏性剖面试验结果表明C70高抛免振捣自密实混凝土能够完全填充巨型柱整个腔体，横隔板下界面及角部混凝土界面黏结情况良好，硬化混凝土无缺陷，混凝土自密实性能良好。

5.2武汉绿地中心[8]

武汉绿地中心工程位于武汉市武昌滨江商务CBD区核心区，是武汉绿地国际金融城项目的核心工程，该项目由上海绿地集团投资建设，中国建筑第三工程局承建。武汉绿地中心是世界第三高楼，建筑最高636m，项目建成后将成为华中新地标。其中主楼建筑高度408m，结构型式为钢筋混凝土核心筒-外伸臂支撑-巨型框架结构，设计有16根巨型钢管柱，直径为1.5～3.0m，钢管混凝土设计强度为C70，28d抗压强度要达到84MPa。

由于钢管柱内设有横向加劲板，混凝土难以振捣密实，施工难度大，为保证钢管混凝土的施工质量，采用自密实混凝土，结合工程实际情况钢管混凝土施工方法采用高空抛落免振捣法。自密实混凝土配合比关键参数为：水泥（P·O42.5）用量为350～420kg/m3，矿物掺合料为I级粉煤灰、S95矿渣微粉等，总胶凝材料的用量为580～610kg/m3，砂率（SP）为44%，水胶比（W/B）为0.22～0.23，聚羧酸减水剂掺量为胶凝材料质量的2.0%～2.8%。自密实钢管混凝土浇筑过程中，相关技术人员严格按照混凝土质量控制方案的要求进行混凝土质量控制，取得了良好的施工效果。现场抽检混凝土拌合物工作性能符合施工要求，混凝土和易性良好，具有高流动性，不离析泌水。混凝土的28d抗压强度达到设计指标，且有较大的富裕系数。经实体检测钢管柱内部的混凝土结构密实，无裂缝、缺陷，施工质量优良。

5.3西安绿地中心[9]

西安绿地中心由上海绿地集团投资开发是西北地区在建第一高楼，建筑高度270m，地下3层，地上57层，建筑面积约17万m2，由A、B座两栋楼组成双子塔，总投资达35亿元，抗震设防烈度8度，主楼钢管柱混凝土、钢板剪力墙为C60自密实混凝土，其主楼钢管柱混凝土最大高抛高度达到8m。钢管混凝土原材料及配合比体系见表2和表3。

混凝土拌合物性能如下：初始坍落度均超过240mm、坍落扩展度均超过650mm，2h扩展度损失均不超过30mm，T500时间均不超过5.5s，倒坍时间均不超过7s，各组混凝土工作性良好。混凝土28d抗压强度硅灰体系最高达到72.4MPa，I级粉煤灰体系为68.4MPa，II级粉煤灰体系为67.0MPa。

实际施工过程中，中建商品混凝土有限公司控制混凝土搅拌时间为120s/盘，混凝土拌合物扩展度控制在(650±50)mm，倒坍落度控制在10s以内，不离析泌水，混凝土工作性良好。施工单位在2013年7月至2013年11月，成功浇筑地下室至地上6层钢管混凝土约3000m3，经检测混凝土质量良好，达到设计要求。

6 结语

表2 西安绿地中心C60自密实钢管混凝土原材料

表3 西安绿地中心C60自密实钢管混凝土配合比/kg·m-3

钢管混凝土结构可以充分发挥钢材和混凝土的材料特性与优点，近几年来在高层超高层建筑工程中得到广泛应用，被认为是高层超高层建筑技术的一次重要突破[10,11]。但钢管混凝土结构也同时存在混凝土施工难度大，易出现质量缺陷等问题，自密实微膨胀混凝土可以有效解决钢管混凝土结构施工难度大、振捣密实困难、混凝土强度不足、混凝土脱空等质量问题。应深入研究自密实微膨胀混凝土的配合比设计方法、混凝土质量提升关键技术并进行施工关键技术的研究进一步提升钢管混凝土结构的性能，促进超高层建筑和大跨径结构的发展。

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