针式浇筑钢管柱中C80自密实混凝土的研制和应用

陈天月，曾子卓，龚方佩，邓锦智

（广州市建筑集团混凝土有限公司 广州 510700）

1 工程概况

某项目位于广州市天河区珠江新城，东隔珠江西路与花城广场相邻，西临华夏路，北临黄埔大道，是珠江新城核心地区集商业、休闲、餐饮、办公于一体的金融中心。项目总建筑面积约31.22 万m2，地下室5 层，塔楼A共58层，高284 m，塔楼B共38层，高167 m。

2 针式浇筑施工总思路及对混凝土的性能要求

塔楼首层及顶层钢管柱混凝土利用塔吊浇筑，其他楼层钢管柱采用针式浇筑工艺，利用外框钢筋桁架模板作为浇筑施工平台，通过泵管进行混凝土浇筑。视浇筑高度采取“两层一浇”或“一层一浇”，在钢管柱的中间开始浇筑，实现混凝土浇筑与上部钢柱安装同步进行，改变以往钢管柱吊装需待柱内混凝土浇筑完成才能进行上节柱吊装的施工方法，在浇筑钢管柱混凝土的同时，同步安装上部钢管柱加快工程整体的施工进度，钢管柱内C80 自密实混凝土采用高抛自由下落的方式，浇筑期间无任何振捣措施，浇筑后料分布均匀，混凝土较密实且无离析现象。

3 C80自密实混凝土的配合比设计思路

自密实高性能混凝土配合比设计参照《自密实混凝土应用技术规程：JGJ∕T 283—2012》［2］中的设计方法，高强高性能混凝土配合比参数变化范围相对比较小，更适合于根据经验直接选择参数然后通过试验确定［3］。原材料选择原则应有利于自密实混凝土的自流动性、抗离析性、高强等技术要求：水泥选择需水量小强度高的硅酸盐水泥，活性掺合料的选择要求滚珠效应好，助于强度增长，使用高效减水剂，粗骨料选择标准：粒型圆滑且最大粒径不超过20 mm，细骨料选用含泥量少的干净河沙。

4 原材料的选择和相关参数

合理选用原材料是满足高强、高性能混凝土设计要求的必要条件［3］。在本工程C80自密实混凝土的研制过程中对水泥、活性掺和料、外加剂、砂、石等原材料进行大量的市场考察和对比试验，通过优选验证后，确定的原材料品质和性能如下：

4.1 水泥

考虑C80 自密实混凝土较高的高强度特征，本工程选择在市场上口碑好，质量稳定的广州某公司生产的P.Ⅱ52.5R水泥，主要技术性能指标如表1所示。

表1 水泥主要技术性能指标Tab.1 Main Technical Performance Indicators of Cement

4.2 掺合料

掺合料使用活性矿物掺合料，以发挥其在混凝土中减水效应、活性火山灰效应以及微集料填充效应，使混凝土的施工性能、强度、耐久性得到有效提升［4］。通过采用多种掺合料组合的正交试验设计，对C80 高强高性能混凝土的最佳配合比进行大量的对比试验，最终确定复合掺合料主要由矿渣粉和硅粉组成。矿粉选用鞍山钢铁集团公司生产的S95 级矿渣粉，硅灰选用EM920D 等级，矿渣粉和硅粉主要技术性能指标如表2、表3所示。

表2 矿渣粉主要性能指标Tab.2 Main Performance Indexes of Slag Powder

表3 埃肯微硅粉主要性能指标Tab.3 Main Performance Indicators of Eken Microsilicon Powder

4.3 粗、细骨料

粗骨料选用清远贵田石场颗粒级配为10～20 mm连续级配的优质花岗岩反击破碎石，其粒形圆整、强度较好、压碎指标3.7%，含泥量0.2%，泥块含量0%，针片状含量0.2%。细骨料主要采用清远北江优质天然河砂，含泥量0.5%，泥块含量0.1%，细度模数2.7。粗细骨料的主要技术性能指标如表4、表5所示。

表4 粗骨料主要性能指标Tab.4 Main Performance Indicators of Coarse Aggregate

表5 细骨料主要性能指标Tab.5 Main Performance Indexes of Fine Aggregates

4.4 外加剂

外加剂采用高效减水，坍落度经时损失小且能提高混凝土耐久性、质量稳定的产品。本工程使用佛山某公司生产的FST-6 聚羧酸高性能缓凝减水剂，该型号产品与水泥相容性好，外加剂的主要技术性能指标如表6所示。

表6 外加剂主要性能指标Tab.6 Main Performance Indexes of Admixtures

4.5 水

混凝土拌合用水采用自来水。

5 配合比的设计和试验

5.1 配制强度的确定［2］

高强混凝土配制强度按《高强混凝土应用技术规程：JGJ∕T 281—2012》要求确定：当混凝土强度大于C60 时，配制强度应不低于混凝土强度等级的1.15倍。

fcu，0≥1.15fcu，k=1.15×80=92.0 MPa

式中：fcu，0为混凝土配制强度（MPa）；fcu，k为混凝土立方体抗压强度标准值（MPa）。

5.2 配合比参数确定

5.2.1 胶凝材料的选择确定

混凝土强度与胶凝材料用量呈在一定范围内呈正相关性，但胶凝材料过高会导致混凝土收缩过大，影响混凝土体积稳定性和耐久性。根据《高性能混凝土应用技术指南》中高强高性能混凝土的胶凝材料用量表查询，配制C80 高强混凝土总胶凝材料用量控制在520～600 kg∕m3之间。本次选用标准稠度用水量小强度高的P.Ⅱ52.5 水泥和需水量比小、强度活性高的硅粉和矿渣微粉。经大量的对比试配验证，本工程总胶凝材料为570 kg∕m3，活性矿物的总参量为30%。

5.2.2 水胶比的确定

水胶比是混凝土达到设计强度的关键参数。在满足工作性能的前提下，高强混凝土用水量尽可能少，选用需水量小的水泥，优质高效减水剂，多用掺合料经反复试验确定水胶比控制在0.25～0.26范围内。

5.2.3 砂率的确定

为了保证自密实混凝土工作性能，确保免振捣浇筑后料分布均匀自流动充实，较高的砂率有利于骨料间相互运动，较多的浆体有利于混凝土拌合物的流动，经反复试验确定砂率为44%。

5.2.4 硅粉掺量的确定

硅粉是在冶炼硅铁合金或工业硅时，通过烟道排出的粉尘，是以二氧化硅为主要成分的粉体材料，硅粉用于高性能混凝土中能够显著提高混凝土强度，提高抗渗性能和耐腐蚀性能以及耐磨性能，但是掺加硅粉会增加混凝土开裂的危险［5］，《高强高性能混凝土用矿物外加剂：GB∕T 18736—2017》规定硅灰掺量一般控制在胶凝材料的10%之内；本次使用经反复试验确定硅粉的掺量为8%。

5.2.5 外加剂的掺量的确定

外加剂选用佛山市某公司生产的FST-6 聚羧酸高性能缓凝减水剂，该型号产品减水率大于25%，与水泥相容性好，拌制的混凝土和易性好，无泌水和板结等现象，经多次试配确定外加剂的掺量为2.0%。

6 配合比的试验与结果分析

6.1 配合比的试验

按照高强高性能混凝土的有关规范，结合平时积累的经验［6］，比较准确地算出胶凝材料用量，用水量、水胶比，砂率和粗细骨料的用量，考虑到混凝土在实际施工中的复杂性，为确保混凝土质量的稳定性和可靠性，在基础配合比的基础上反复进行平行试验，具体方案如下［7］：①总胶凝材料不变，减少（增加）20 kg水泥；②降低（提高）2%砂率；③调整外加剂掺量，减少2%掺量，增加5 kg水；④调整外加剂掺量，增加2%掺量，减少5 kg水；⑤水胶比不变，总胶凝材料增加30 kg。

试验配合比如表7所示。

表7 混凝土试验配合比Tab.7 Concrete Test Mix Ratio

6.2 混凝土的性能指标对比如表8所示。

表8 混凝土的性能指标对比Tab.8 Comparison of the Performance Indexes of the Concrete

经过验证试验，通过对各项性能指标及经济性能的分析，最终确定混凝土生产配合比，如表9所示。

7 混凝土的生产、运输、泵送施工管理要求

7.1 搅拌工艺技术参数调整

采用搅拌性能良好的MAO4500 双卧轴强制式搅拌机，生产C80对搅拌参数做了相应的调整，原材料的投料顺序［8］为先投砂，再投粉料（水泥、矿渣粉、硅粉等），干拌30 s，再投外加剂和水湿拌20 s，最后投碎石，从开始投料到开仓门卸料，总时间120 s。为确保每盘混凝土搅拌性能良好，严格限制最大单盘生产量不得高于原设计搅拌方量的80%。普通混凝土和C80 混凝土搅拌工艺技术参数对比如表10所示。

表10 搅拌工艺技术参数要求Tab.10 Requirements for the Technical Parameters of the Mixing Process

7.2 质量监控

提前安排材料员组织C80 专用材料入库，并做好特殊材料的分仓工作，质检员专人检查原材料质量，核对C80 生产配方，检查配方物料名称对应生产系统的仓号名称，经技术负责人复核签名确认后才可以生产。配料员检查操作系统界面上的仓号和材料名称相符。

做好首盘开盘鉴定工作，跟据混凝土的情况做出首盘鉴定后才能连续生产混凝土。每车装载完毕后，对该车取样检验工作性能，确保拌合物不泌水、不离析，具有很强的保塑性和较好的流动度。出机坍落度应控制在260±10 mm，扩展度控制在600±30 mm，倒筒流速时间尽量控制在10 s 以内，并保持2 h 内的坍落度损失不应大于20 mm。

质检员时时监控砂、石含水变化情况，每连续生产4 h应检测一次砂、石含水，配料员与试验室质检班长紧密配合，根据混凝土状态变化及时动态调整砂、石含水率。

7.3 运输和泵送

搅拌车装料前要求司机必须反转倒清搅拌筒体内的积水、积浆，运输过程中保证搅拌筒按照一定速度旋转，混凝土入泵前应高速旋转30 s 以上再卸料。运输过程中和卸料时不能往搅拌车内加水，运输结束后必须及时清洗搅拌车搅拌筒，避免残留混凝土凝固积块。

C80 混凝土从出机到工地卸料结束，应严格控制在3 h之内，最长不超过4 h。

8 工程应用实例

珠江新城某项目自2017 年8 月开工以来，项目部克服了场地狭窄、新冠疫情、工期紧等难题，于2021年12 月实现项目全面封顶。总共供应C80 自密实混凝土超过8 000 m3，施工过程混凝土泵送顺利，所留试件混凝土的28 d 抗压强度为设计强度的116%～129%，满足混凝土力学性能的要求，得到了建设方、监理方、施工方的肯定和赞扬。项目中施工方自主研发的钢管混凝土柱“针式”浇筑施工技术达到国内领先水平。

9 结论

目前，自密实混凝土在混凝土的领域技术已经比较成熟［9］，而针式浇筑钢管柱自密实混凝土的研究应用相对较少，这是一项复杂的施工工序，为了满足高强高性能的要求，通过优选原材料、优化混凝土配合比［10］，确定的工艺参数如下：混凝土的总胶凝材料控制在600 kg∕m3以下；选用优质矿渣和硅粉，总掺量在30%，硅粉的掺量8%；砂率44%，高效减水剂掺量为2%，最后的确定的生产配合比为水泥∶矿渣∶硅粉∶砂∶石∶水∶加剂=400∶125∶45∶744∶950∶145∶11.4。生产过程中通过调整物料投入搅拌机的延时参数，先投入细骨料（砂），胶凝材料干拌30 s 后，再投入水和外加剂湿拌20 s，最后投入粗骨料（碎石）再搅拌60 s，确保混凝土充分搅拌均匀，配制出的混凝土具有优良的工作性，坍落度达到260 mm 左右，扩展度大于600 mm；2 h坍落度落度保留值为240 mm，保水性好，泌水率小；同时还具有良好的力学性能、微膨胀性能和耐久性能，满足了针式浇筑钢管柱的技术要求，并在珠江新城某项目中成功应用。