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实用技术

高强超高层泵送混凝土配合比设计研究

时间:2018/3/30 10:32:10 来源: 点击次数:3780

高强超高层泵送混凝土配合比设计研究

焦晓光1,乔宏霞2,3,路承功2,罗小博2,陈志超2

(1.甘肃第六建设集团股份有限公司,甘肃,兰州,730046

2.兰州理工大学 甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室, 甘肃, 兰州, 730050;

3. 兰州理工大学 西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心, 甘肃,兰州, 730050)

摘要:用兰州地区原材料初步配制出高强超高层泵送混凝土的四种配合比,通过试验利用坍落度、坍落扩展度、坍落扩展度与J环扩展度差值、坍落度经时损失值及7d、28d抗压强度值综合评价混凝土的泵送性能和强度发展,找出了一种满足本工程所需的高强超高层泵送混凝土。结果表明:混凝土坍落度和坍落扩展度辅以坍落度经时损失及坍落扩展度与J环扩展度差值能够很好地评价高强超高层泵送混凝土的泵送性能,用这些指标评价所得到混凝土配合比运用到工程实践中成功解决了高强混凝土黏聚性与可泵性、扩展度与坍落度泵送经时损失问题。

关键词:高强混凝土 超高层泵送 配合比设计 可泵性 经时损失

1、 引言

自1927年德国Fritz.Hell 第一次成功将混凝土泵应用到混凝土输送方面以来,经过90年的发展与改进,混凝土泵送技术已经成为现代建筑施工必不可少的重要技术手段。兰州作为古丝绸之路上的重要节点城市,是连接内陆与欧亚大陆的战略要道。近年来随着国家“一带一路”战略的实施,该地区迎来了新一轮的建设高潮。混凝土泵送由于其具有输送量大、性能稳定、生产效率高、环境污染小,且可以节省大量的人力,可以连续作业等诸多优点[1],加之兰州建筑用地资源紧张使得混凝土泵送已经成为该地区超高层建筑最重要的施工方式。

超高层泵送混凝土配合比设计技术是指泵送高度超过100m的现代化混凝土泵送技术[2],是城市超高层建筑施工技术不可或缺的关键。程伟峰[3]针对锦屏二级水电站东端工程泵送混凝土单位用水量及胶凝材料用量偏高、砂率偏大、未掺粉煤灰及引气剂等诸多问题致使新拌混凝土和易性差且存在泌水、离析及坍落度经时损失较快,通过对4种粉煤灰、7种减水剂及砂率、粗骨料的的比选优化了混凝土配合比,有效改善了混凝土的和易性。邓伟华[4]以武汉中心工程为建筑实例,分别就泵送设备选型及泵管的优化布置、不同强度等级泵送混凝土的配置等对超高泵送混凝土的施工技术进行了探讨,有效确保了混凝土的可泵性。彭杰[5]通过混凝土和砂浆的对比试验,指出两者在坍落扩展度方面具有很好的相关性,可利用砂浆坍落扩展度试验有效地检测和评价泵送混凝土胶凝材料和外加剂的相容性。其他学者也对高性能泵送混凝土的施工技术、不同外加剂的种类及掺量对可泵性能的影响、混凝土易泵性的影响因素进行了探讨,丰富了泵送混凝土的理论[6-12]。

目前对泵送混凝土的研究主要集中在C60以下普通混凝土可泵性的研究,且主要集中在200m以下超高层泵送。而对于超过200m超高层泵送混凝土性能及施工方面的研究较少。本文以兰州天宝时代广场项目为工程实例,对高强超高层泵送混凝土配合比的设计及施工技术进行研究,为该地区超高层建筑的顺利施工提供科学的依据。

2、 工程概况及技术难点分析

兰州天宝时代广场综合楼项目位于甘肃省兰州市最繁华的地段西关十字,是甘肃省重点建设项目,建成后将成为兰州市重要的地标性建筑之一。总建筑面积90753㎡,建筑总高度210.5m,是兰州最高的建筑,主体结构为型钢砼框架-钢筋混凝土核心筒混合结构,地下两层,地上四十五层,内部型钢柱构造复杂,外包混凝土钢筋密集,加水箱总高度226m。该地区人流量大,场地狭窄,材料堆放和进出场比较困难,为解决这些困难,采用泵送混凝土进行浇筑。特别的对于高空一些复杂部位,由于钢筋较密使得振动棒不方便震动,同时为了减少施工噪音对周围居民的影响和避免搭设高空脚手架及减少高空劳动强度,最大限度不占用关键线路时间,与其它施工穿插进行,充分做到安全绿色文明施工,本次浇筑混凝土采用C60高强混凝土,部分混凝土同时要求具有自密实性。

将C60高强混凝土一次性泵送到200m范围内的高度,在兰州市乃至甘肃省尚属首次。高强混凝土的水灰比低,细集料、水泥等细颗粒量多,黏聚性高,在泵送输送过程中难以形成有效的润滑层,加之泵送高度大致使运动阻力加大,与普通混凝土相比黏度大很多, 此外较高的黏度也阻碍了施工浇筑和自身的密实性。因此施工生产的技术难点在于既要满足结构所需的高强度要求,又要满足良好的和易性、匀质性、流动性和泵送性能。配制和施工高强度混凝土过程中必须解决以下几个技术难题:(1)黏度与和易性问题 :为保证混凝土结构强度要求且具有必要的强度富余系数,高强混凝土水灰比较低,水泥等细颗粒成分较多,从而造成粘度较普通混凝土大,而泵送混凝土为减少与内壁之间的摩擦阻力和避免混凝土在内部堵塞要求具有较大的流动性和较小的粘度,以降低泵送压力;(2)坍落度和扩展度经时损失问题:混凝土泵送实质上是水的泵送,混凝土经过长距离泵送挤压后其粘度、流动性、坍落度和扩展度等都会损失,随着泵送距离的增大,泵送损失率会进一步增大,相应的该混凝土的自密实性也会出现不同程度的损失。(3)经过远距离的泵送,高强混凝土的强度是否会出现损失,或者损失后实际强度能否满足设计强度要求也是该项目需要解决的技术难题。

鉴于超高层泵送混凝土会出现以上问题,我们通过先期试验对混凝土配合比进行优化,调整外加剂的种类及掺量,选择合适粗细骨料的比例及泵送设备,加强现场施工管理从而保证混凝土具有足够的强度富余和可泵性能。

3、 试验方案及原材料

3.1、试验方案及过程

为了配制出最适合工程实践的高强超高层泵送混凝土,在借鉴其他地区C60泵送混凝土施工经验的基础上,试验准备了试验所需的多种原材料。首先根据所准备材料的质量及各项性能指标参数和本工程所需配制的混凝土应具有流动性大、凝结时间较长、扩展度经时损失少等特点,通过对比筛选出最适合本地区超高层泵送混凝土的水泥、矿物掺合料及外加剂的种类,然后寻找出各原料最佳掺和比例及砂率的大小,由此得出一种基准配合比,最后通过实验观察其流动性,通过测定坍落度、扩展度经时损失值等实验数据来衡量其可泵性能,并通过相应天数的强度值来判定其强度富余值,直到找出一种最佳配合比例应用到工程实践中来,具体逻辑步骤如图1所示。

3.2、原材料

本次试验准备了祁连山和甘草两种型号的水泥,经过初步对两种型号水泥性能指标的对比,发现祁连山P.O 42.5级普通硅酸盐水泥凝结时间较长,3d、28d抗压、抗折强度更高,比表面积较小,更适合超高层泵送混凝土的配制,祁连山水泥各项性能指标见表1;细骨料从三家供应商中选取,经各方对比,选用临洮产河沙,性能为Ⅱ区中砂,级配良好,细度模数在2.6~3.0之间,含泥量小于1%、泥块含量小于0.5%;粗骨料根据需要共选四家,经过对比筛选最后选用青白石产5~20mm的碎石,级配良好,压碎指标小于8%、针片状含量小于5%、含泥量小于0.5%;粉煤灰选用甘肃宏大Ⅰ级粉煤灰;选用兰州东盛公司产S95级矿粉,比表面积大于400m2/kg,28d活性指数大于95%;减水剂有兰州诚信伟业公司和红山科技有限公司提供的两种减水剂, 经过各项性能指标对比发现兰州诚信伟业公司生产的WYPCA型聚羧酸高性能减水剂无论在减水率、泌水率、凝结时间,还是在坍落度经时损失方面都优于红山科技有限公司提供的减水剂,故选用该减水剂,减水率为31%;拌和用水采用自来水,符合国家标准。

3.3、配合比设计

水胶比是影响混凝土性能最主要的因素,水胶比越低水泥石越密实,混凝土强度越高,但过低水灰比易造成混凝土泵送性能差。根据文献[13],高性能混凝土的施工配制,水胶比宜控制在0.24~0.38范围内,本次试验取中间值,水胶比控制在0.30。近年来随着我国混凝土材料和配合比设计理念不断发展和完善,结合对料化高炉磨细矿渣应用经验,我们采用粉煤灰和磨细矿渣粉双掺、且大掺量配合比设计的思路。一方面可降低单方混凝土水泥用量、延缓水泥水化热、降低成本,另一方面,用粉煤灰和矿粉取代部分水泥可很好的改善新拌混凝土的和易性和抗离析性。萘系减水剂较聚羧酸系易引起混凝土开裂,为保证混凝土在具有较大坍落度的情况下具备较低的粘聚性和粘度,采用性能更好的聚羧酸减水剂。文献[14]指出,加入的减水剂越多,混凝土流动性越大,但当外加剂掺量达到水泥总量1.4%以后,流动性变化有所减缓,故本次试验拟将减水剂掺量控制在1.3%。混凝土粗集料(碎石)的最大粒径、形状、表面纹理、级配和吸水性等特性将不同程度地影响新拌混凝土的和易性,超高层泵送混凝土输送管道内部压力大,极易发生分层离析情况,要求最大骨料粒径比应控制在1:5以下,同时还应控制粗骨料的碎石含量。具体配合比用量如表2所示。

4、试验评价指标及结果分析

对于泵送混凝土可泵性评价,已有较多文献提出了不同的检测评价方法。对于普通泵送混凝土可用坍落度与压力泌水率两个指标进行衡量、描述,前者主要反映拌合物的流动性,后者则反映其的稳定性与保水性,如果仅以这两个指标评价超高层高强泵送混凝可泵性范围过宽。因此,本文参照JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》、JGJ/10-2011《混凝土泵送施工技术规程》和JGJ/T2841-2012《高强度混凝土应用技术规程》的相关要求,结合该工程施工实际情况并根据以往混凝土泵送施工经验,选取坍落度和坍落扩展度作为衡量其可泵性、自密实性能最主要的控制指标,以坍落度与J环扩展度差值衡量混凝土间隙通过性,同时辅以坍落度经时损失值作为参考指标,以此较为全面地衡量高强超高层泵送混凝土的性能。各个指标的参数要求如表3所示。

为了客观研究高强超高层泵送混凝土的性能,遴选出一种最适合的混凝土配合比,为本工程及该地区超高层建筑的施工提供参考,本次试验共选用四种配合比,每种配合比做三次试验,以三次试验的平均值作为最终参考数值。做完泵送性能试验后,为了充分利用原材料及检验混凝土强度富余,将拌置的混凝土装膜,制成150×150×150mm的立方体试块并分别在7d和28d后用杭州思田科技有限公司生产的压力机进行抗压强度试验。试验后四种配比混凝土的各项性能如图1所示。

测定坍落度时虽然存在受操作技术水平影响大,观察粘聚性、保水性易受主观影响的问题,但由于其操作简单且方便现场检测,是目前表征混凝土流动性最常用的方法。试验时分三次装填,每次装填容积的三分之一,然后用捣棒插捣25次,记录插捣的难易程度。装填完毕时用镘刀将表面磨平,通过表面的平整度来判断含砂情况,同时观察坍落度筒外是否有漏浆来判定混凝土保水性,最后将筒缓慢垂直提起来待坍落稳定后测量其高度并观察是否出现突然倒塌情况。在这四组试验中,我们观察到在装填插捣时都易插捣,表面平整无蜂窝,坍落度筒提起来时混凝土拌合物缓慢坍落并无突然倒塌,在此过程中也无漏浆情况,表明四种配合比的混凝土级配良好,有很好的保水性及粘聚性能。但由表3可知,对于高强超高层混凝土来说坍落度必须达到220mm以上,从图1中可以看到只有第一、第四配合比达到要求,其它两种配合比也较好但未达到本工程所需的坍落度高度。

本次试验,除了用坍落度来反映流动性外,还选用坍落扩展度来评价混凝土的稠度。规范规定高强超高层泵送混凝土扩展度应在660~755mm之间。同时坍落度和坍落扩展度的关系也可以较好的反映高性能混凝土的工作性。一般情况下,坍落度大的混凝土其扩展度也大,和易性良好的混凝土两者之间的比值约在0.3~0.4之间为宜。比值越低拌合物越粘稠,变形能力越差,反之越大则拌合物易发生离析,泵送时容易发生堵管。在完成坍落度试验后,立刻测量混凝土扩展后最终的最大直径和最小直径,精确值1mm,两个直径之差小于50mm的条件下,用其算术品平均值作为坍落扩展度值,否则,此坍落扩展度试验无效。由图1可以看到四种配合比的混凝土扩展度值均在规范允许的范围内,第四种配合比的混凝土坍落度最大,坍落度与扩展度比值也在0.3~0.4之间,表明四种配合比混凝土粘度适中,满足要求,第四种配合比的混凝土流动性和粘聚性最好。

本工程还要求该高强混凝土具有自密实性能。鉴于C60自密实混凝土水胶比小、胶凝材料用量大,掺加矿粉使混凝土具有良好耐久性、施工性能;在不离析的状态下,高流动性自密实混凝土表现出优良的填充性,使其体现出更加良好的力学性能,所以用坍落扩展度与J环扩展度的差值来衡量其间隙通过性。从图1中可以看到,从第一种配合比到第四种配合比坍落扩展度与J环扩展度的差值从45减到了30,满足规范要求25~50的规定。表明四种配合比的混凝土都具有很好的自密实性能。

坍落度经时损失能够很好的反应混凝土拌合物随着时间坍落度损失的大小,经时损失值越小表明该类型的混凝土的可泵性能越好,对于高强超高层泵送混凝土要求不应大于10mm。从图1中可以看到,只有第四种配合比的混凝土满足高层泵送的要求。

抗压强度值是衡量混凝土工作性能最主要的指标,为了检测混凝土强度是否达到了工程所需的富余,本试验共制得72个试块进行抗压强度试验。每个配合比18块,分7d和28d两次试验,以9个试块的平均值作为最终强度值。从图中可以看到无论是7d还是28d的抗压强度,第四种配合比的混凝土强度发展最快,分别高于设计强度的1.09和1.24倍,28d强度已经高于规范规定高性能混凝土的施工配置强度不应低于设计强度等级的1.15倍,表明强度富余较大。

综上所述,前三种设计的混凝土配合比能够满足部分高强超高层泵送混凝土的要求,第四种配合比的混凝土无论泵送性能还是强度富余都能达到规范规定的要求,所以在工程实践中将该配合比推荐为最优配合比并在工程中投入使用。在实际工程中该配合比的混凝土表现出了较好的性能,很好地达到了工程要求。

5、结论

从上面的研究分析中可以得到以下结论:

(1)混凝土坍落度和坍落扩展度辅以坍落度经时损失及坍落扩展度与J环扩展度差值能够很好地评价高强超高层泵送混凝土的泵送性能,简单方便且操作性好。

(2)四种配合比中以第四种配合比混凝土性能最好,各项性能指标都能达到高强超高层泵送混凝土的指标,且抗压强度值发展较好,28d抗压强度值达到设计强度的1.24倍。

(3)将第四种配合比的混凝土应用到本工程中,很好地完成了施工泵送,为该地区超高层建筑的建设提供了很好地范例。

参考文献

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第一作者简介:焦晓光,男,汉族,高级工程师,甘肃第六建设集团股份有限公司华陇混凝土公司总工程师。

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