混合砂高抛自密实钢管混凝土试验研究与应用

王义恒，魏义福，陈超，景晓光，李莎

（华新水泥股份有限公司，湖北 武汉 430070）

0 前言

在天然资源匮乏的时代，细砂、机制砂越来越多地被用于制备混凝土，湖北省西北地区天然细砂资源丰富，细度模数仅为 1.8～2.2，并不适合单独使用制备自密实钢管混凝土；对于机制砂来说，本身的级配不良问题将会严重影响机制砂混凝土的性能[1]，机制砂多为小厂生产，产品质量往往达不到规范要求的级配范围，且含泥量、石粉含量均较高，单独使用机制砂的混凝土往往出现出机坍落度小、坍落度损失大的情况[3-5]；但卵石破碎原状机制砂用于配制强度等级 C30～C50 混凝土时石粉含量可突破现行国家标准 GB/T 14684—2011《建筑用砂》的限制[2]。鄂西北当地机制砂具有含泥量小、成本低、外加剂使用量少等特点，结合当地天然砂与机制砂的特点，将两种砂混合使用制备混凝土，可达到改善混凝土拌合物性能、提高力学性能、节约资源的目的，取得良好的经济及社会效益。

钢管混凝土主要作用是把混凝土灌入钢管中并捣实以加大钢管的强度和刚度[6]。在钢管混凝土施工过程中，由于钢管内操作空间小、作业高度等因素影响，普通振捣难以实现，且无法采取压注、顶升施工工艺时，高位抛落法（简称高抛法）成为一种选择[7]。

在天然砂质量较差或匮乏地区，将混合砂应用于高抛自密实钢管混凝土是绿色环保施工的热点话题。

1 试验原材料与试验方法

1.1 原材料

（1）水泥：湖北华新堡垒牌 P·O42.5 级水泥，主要性能指标如表1 所示。

（2）粒化高炉矿渣粉：湖北中和矿粉厂 S95 级矿粉，7d 活性指数 76%，28d 活性指数 101%，流动度比为 97%，比表面积 410m2/kg。

（3）粉煤灰：湖北华能电厂 Ⅱ 级粉煤灰，细度18.0%，需水量比 102%，烧失量 2.6%。

（4）细骨料：天然江砂与机制砂，物理性能指标如表2 所示。

（5）粗骨料：5～16mm 连续级配石灰岩碎石，物理性能指标如表3 所示。

（6）外加剂：西卡 3301C 型高效减水剂，砂浆减水率为 25.7%，密度 1040kg/m3，固含量 17.2%。

（7）膨胀剂：武汉三源公司生产的 CAD 型密实剂，主要性能指标如表4 所示。

（8）水：普通自来水。

表1 水泥主要性能指标

表2 细骨料主要性能指标

表3 粗骨料主要性能指标

表4 膨胀剂主要性能指标

1.2 试验方法

（1）工作性能：通过改变混凝土用水量，以保证混凝土拌合物具有相同的坍落度。按 JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》测定坍落扩展度及扩展时间 T500表征混凝土的流动性、填充性。

（2）力学性能：按 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试，试样尺寸为100mm×100mm×100mm 立方体，验证混凝土 7d、28d 强度。

（3）收缩性能：根据混凝土工作性能及力学性能确定最优配合比，测定该配合比混凝土在封闭条件的自由膨胀率，按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行测试。试件尺寸为 100mm×100mm×515mm，试件成型 24h 小时后脱模，立即使用潮湿的棉布包裹三层，再使用塑料薄膜密封好，只露出铜钉；然后放入相对湿度为 (95±5)% 养护室中养护，使用千分表测定各龄期试件的变形值[8]。

（4）高抛试验模拟：选择最优配合比制备混凝土，模拟高抛试验。在地面铺上雨布，然后将新拌混凝土拌合物从楼顶（距地面高度约 10m）进行抛落，最后将抛落至雨布的混凝土进行收集，观察混凝土状态。模拟试验如图1 所示。

图1 高抛模拟试验

2 试验结果及分析

2.1 最优配合比确定

设计不同天然砂与机制砂比例、不同水胶比及不同外加剂用量的强度等级为 C40 的混合砂高抛自密实钢管混凝土，配合比如表5 所示。混凝土性能检测结果见表6 和图2、3。由表6 和图2、3 可以发现，机制砂用量比例越高，混凝土 T500所用时间越长，最长达到 15s，当人工砂与天然砂的比例达到 2.3:1 时，混凝土的工作性能较好；扩展度受到外加剂用量的影响，当外加剂用量达到7.1kg/m3时，扩展度达到 650mm；砂率也影响混凝土的扩展度与 T500的检测结果，最佳砂率为 0.46。水胶比与砂率均影响混合砂高抛自密实钢管混凝土的抗压强度，当水胶比为 0.37 和砂率为 0.46 时，混凝土抗压强度最高。在满足强度要求的条件下，以选择最佳工作性能为原则，确定编号为 ZY-03 配合比的混凝土工作性能及力学性能表现最优，为最佳配合比。

表5 混凝土配合比

表6 混凝土性能检测结果

图2 混凝土工作性能

图3 混凝土力学性能

2.2 收缩性能

使用编号为 ZY-03 的配合比进行封闭条件下的混凝土收缩试验，结果如表7 所示。

表7 混合砂高抛自密实钢管混凝土在封闭条件下的收缩率 (×10-4)

从表7 中的试验结果可以发现，混凝土在 1d 至 7d发生了显著的膨胀，而后膨胀的速度逐渐减慢，这种尺寸的变化一直到 60d 才有所停止。这说明混凝土能够紧密地与钢管内壁相结合，有利于提高钢管混凝土整体结构的承载力与稳定性。

2.3 高抛试验模拟结果

高抛试验模拟效果如图4 所示，可以发现，在经历了近 10m 高度的抛落后，混凝土并没有出现离析或泌水的情况，仅有少量粗骨料从混凝土分离，效果良好。

图4 高抛试验模拟效果图

3 工程应用

3.1 工程概况

某地大型重点市政工程，部分主体的支撑柱为 28根钢管混凝土结构，钢管长为 15m，内径为 1.2m，钢管内部高度差为 13m，由于汽车泵软管可深入钢管内约3m，故混凝土实际抛落高度约为 10m，与高抛试验模拟高度相同。钢管混凝土设计强度等级为 C40。由于现场施工条件限制，只能采用高位抛落法浇筑混凝土，且无法进行振捣，故施工单位要求使用高抛自密实钢管混凝土。

3.2 应用情况

使用编号为 ZY-03 的配合比生产混凝土，混凝土到达施工现场后取样进行性能检测，现场实测坍落扩展度为 670mm，T500试验时间为 5s，完全满足施工要求的自密实工作性能。

混凝土浇筑前确认钢管内无杂物及雨水，采用汽车泵由钢管顶部预留注浆孔浇筑，利用混凝土自由落体产生的动能来达到混凝土自密实的效果。首先在底层浇筑一定厚度同强度等级的砂浆，保证泵送同时避免了自由下落的混凝土粗骨料产生弹跳。每根钢管分为两次浇筑完成，第一次浇筑至钢管长度约 1/2 处停止，间隔约 30分钟，待混凝土自由沉降稳定后再次浇筑至略高于排水孔处为止。浇筑完成后，立即对注浆口进行遮挡，防止降雨或杂物落入。浇筑完成 1 周后使用超声波检测仪进行检测，结果显示内部混凝土无缺陷，钢管内壁与混凝土之间无可见裂缝。

4 结论

（1）机制砂用量比例越高，混凝土 T500所用时间越长，人工砂与天然砂的比例为 2.3:1 时为最佳；砂率影响混凝土的坍落扩展度与 T500所用时间，最佳砂率为0.46。水胶比与砂率均影响混合砂高抛自密实钢管混凝土的抗压强度，当水胶比为 0.37、砂率为 0.46 且人工砂与天然砂的比例为 2.3:1 时，混凝土的工作性能与力学性能最佳。

（2）配制的强度等级为 C40 的混合砂高抛自密实钢管混凝土具有良好的工作性能与力学性能，尺寸变形性能良好。经模拟试验证明，混凝土从近 10m 的高空抛落后，仍然不离析不泌水。

（3）实际工程应用表明，使用效果良好，完全满足设计及施工要求。

[1]马洪坤．混合砂混凝土性能研究[D]．武汉理工大学，2013: 5．

[2]李凤兰，孙秋彦，朱倩．卵石破碎原状机制砂石粉含量限值试验研究[J]．长江科学院院报，2010(8): 66-69．

[3]王立华，陈理达，詹镇峰，等．人工砂与河砂混凝土抗裂性性能比较研究[J]．中国农村水利水电，2013(8): 99-102．

[4]曹伟宏，苏庆国，游汉柱．远距离高泵程机制砂混凝土泵送施工技术[J]．铁道标准设计，2000,20(11):16-19．

[5]黄劲，吕寅，张丽，等．不同细度模数人工砂应用于混凝土的性能研究[J]．商品混凝土，2015(5): 51-53．

[6]胡曙光，丁庆军．钢管混凝土[M]．北京：人民交通出版社，2007．

[7]马杰，丁庆军，何永佳，等．C80 级高抛自密实钢管混凝土的配制[J]．混凝土与水泥制品，2008(1): 31-33．

[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[J]．混凝土，2006(10): 61-64.