C70高强高性能混凝土在复杂超高层建筑中的应用

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	C70高强高性能混凝土在复杂超高层建筑中的应用

发布时间：2015.08.25 新闻来源： 浏览次数：

   南京紫峰大厦工程地处南京市鼓楼广场西北角，是南京城区的中心点和城市制高点。工程由一高一低两栋塔楼和商业裙房组成，总占地面积 18 721 m 2，总建筑面积261 075 m 2，其中地上建筑面积 197 147 m 2，地下建筑面积 63 928 m 2。
    工程主楼自基础底板面开始至 37 F（高度182 m）的外围框架劲性柱采用混凝土，设计强度为 C70，总用量近7 500 m 3。如此高强度等级的混凝土在工程上大量应用在国内非常罕见，同时 C70 混凝土泵送至 182 m 的高度当时在国内也尚属首次。
    1 工程特点及难点
    C70 混凝土在大规模生产过程中的稳定性控制及超高层泵送成为本工程的施工关键点和难点。因此本工程呈现出以下特征：
    （1）当时南京当地建筑市场和混凝土供应单位均没有任何 C70 混凝土施工经验，而混凝土又是一种地域性很强的复合建筑材料，因此寻求 C70 等级混凝土配制与生产技术的突破要以南京当地条件为基础；
    （2）本工程 C70 混凝土最高需泵送至 182 m 的高度，因此寻求强度和满足高程泵送的性能的最佳平衡点，是需要解决的另一个难点。
    （3）对高强度等级混凝土浇筑、振捣与养护工艺需要在研制和施工过程中进行摸索。
    2 混凝土材料选择与配比设计对于 C70 高强高泵程混凝土配制技术的研究，我们从以下几个方面综合进行考虑[1]。
    （1）以强度达到设计要求为前提，注重混凝土的施工性能研究，易于泵送与浇筑，混凝土应均匀密实；同时，要重视混凝土流动性与抗离析性能的平衡。
    （2）对于高强高性能混凝土，原材料本身的性能对混凝土影响较大。因此从原材料的品质选择着手，围绕着如何使混凝土更加密实，确定初步的配合比，通过验证复试确定最终实际生产的配合比。
    （3）结合南京及周边市场条件以及成本控制，选择经过长期工程实践检验、质量可靠、来源稳定的原材料，最大限度地保证混凝土质量的稳定，同时利于控制成本[1]。
    2.1 混凝土原材料选择
    （1）水泥的确定对于水泥的选择遵循几个原则：水泥本身的颗粒级配好，水泥强度发展好，需水量小，与外加剂的适应性好，配制的混凝土黏性小。同时考虑到实际规模化生产，水泥与外加剂作用较快，以提高生产效率。为此，确定了采用京阳PII52.5 水泥[2]。
    （2）外加剂聚羧酸类高性能减水剂在高强混凝土的应用具有高减水、高保坍、强度稳定、工作性能好等特点，而且掺量相对于萘系减水剂少，成本增加很少，经济性也较好。因此确定采用聚羧酸类高性能减水剂[3]。相对于选择的京阳 P.II 52.5 水泥，掺上海麦斯特的 SP-8CN 的混凝土的保坍性能、流变性能和强度发展更符合要求，因此，最终选择了上海麦斯特的 SP-8CN。
    （3）砂选用产地湖北的中粗砂，细度 2.7~3.0，泥含量 < 0.5%，无泥块，级配区 II。
    （4）粗集料，选择了江北白云石矿的石料，其压碎值在 6%～8%，粒径 5～20 mm，泥含量 ≤0.5%，另外选择镇江茅迪玄武岩石子作为备选材料。
    （5）外掺料，采用粉煤灰和矿粉作为外掺料[4，6]。经过多方比较，选择南京市场质量稳定品质最优的梅宝 S95 矿粉和华能电厂的一级粉煤灰。其技术参数如下：S95 矿粉：7 d 活性指数 78%、28 d 活性指数一般在 102%～105%，流动度比在 105%；华能一级粉煤灰：细度在10%左右、需水量比 ≤ 95%、烧失量 3% 左右。
    2.2 混凝土配合比的初步确定[5]以南京采用聚羧酸类外加剂配制 C60 等级混凝土的情况为参照，结合上海地区高强混凝土试制的经验，初步制定 C70 混凝土胶凝材料的总量在 550 kg 左右，水胶比 0.26～0.28，砂率为 38%～39%，石子用量≥ 1 000 kg，质量约 2 450 kg/m 3。
    2.2.1 胶凝材料比例的确定水泥、粉煤灰、矿粉分别以不同的质量分数复合组成复合胶凝体系，测定其需水量、强度等物理性能指标，从而发现它们的最佳匹配关系。
    在选定水泥牌号的基础上，我们对不同比例的胶凝材料不同掺量的 SP-8 CN 进行了试配比较，见表 1 。

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    可见有 3 种组合净浆表现都较好，其中新拌混凝土C 706 的组合混凝土坍落度和扩展度保持性好，2 h 在室温25℃ 情况下无损失。硬化混凝土强度发展好。
    2.2.2 用水量和外加剂掺量的确定
    不同的混凝土用水量，通过调整外加剂的掺量达到基本相同的扩展度时进行比较。发现当用水量为 145~150 kg（视具体的工作状态和原材料性能而定）时，不仅混凝土拌和料性状较好，易于施工，而且混凝土的强度也有一定的保证。
    对所选定胶凝材料总量和用水量，对不同掺量外加剂进行了对比试验，结合外加剂生产供应单位的建议，将SP-8C N外加剂的掺量初步确定为 1.7%。
    2.2.3 砂率的优选
    根据混凝土的普适体积模型，推算出合理砂率在 39%左右。在其他材料不变的条件下，对不同的砂率进行混凝土对比试验，结果见表 2 。

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    砂率从 38% 到 42% 坍落度有所增大，扩展度有所减小，说明混凝土的包裹性增加。混凝土的 28 d 强度砂率42% 时相对稍小。考虑到实际工程需将混凝土泵送至 182 m，需要较好的可泵性，砂率不宜过小，所以我们将砂率控制在 40% 左右。
    2.3 配合比的复验
    在配合比基本确定后，我们进行了多次的验证试验。其中试验采用的 C70 混凝土基本测试数据如表 3 所示：

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    在 10 组验证试验中，坍落度控制在 190~240 mm，扩展度控制在 570~650 mm， 28 d 平均强度为 88.6 MPa ，方差为 4.2。
    根据试配结果看，选用的配合比的混凝土强度是完全能够满足要求的。与此同时，也发现虽然坍落度和扩展度基本在预想范围以内，但是混凝土黏性较大，可能对今后高程泵送有影响。
    2.4 中试确定配合比及进一步优化调整
    实际的规模化生产影响因素多，其结果可能与实验室试配（小试）有一定差异。如何将小试的配比、混凝土状态应用到拌站的实际生产中，需要通过进一步的试验来验证。与混凝土供应单位一起先后组织了三次实样模拟测试（中试），即中试。
    2.4.1 第一阶段两次中试情况
    （1）第一次中试：为了模拟实际施工情况，我们制作了二根柱的试验。在 28 d 龄期时，对柱进行了钻芯取样，结果三个芯样强度分别为：62.8 MPa、62.8 MPa、56.2 MPa，代表值为 56.2 MPa。综合各龄期强度数据看，强度发展情况基本正常，28 d 标养试块强度及同条件养护试块强度均达到了设计要求，但是富余量较小。考虑到 C70 混凝土施工跨越冬夏，还需要进一步对配比进行调整。
    （2）第二次中试：决定将石子更换为原定的备选材料玄武岩，适当减弱外加剂的引气作用，延长振捣时间，采用电脑控制自动计量和投料。同时，考虑增加强度储备，在保持胶凝材料总量不变的前提下，适当增加其中水泥用量，并将外加剂掺加比例进行了调整，再进行第二次中试。在 28 d 龄期时，对中试柱进行了钻芯取样，结果三个芯样强度分别为：82.8 MPa、84.2 MPa、82.3 MPa，代表值为82.3 MPa。由测试结果可知，混凝土强度是完全满足，但是混凝土黏性较大，凝结时间较短，对高程泵送不利，因此，在基础施工阶段，开始对配合比进一步调整。
    2.4.2 第二阶段配合比的进一步调整和第三次中试通过前述的多组对比试验，发现外加剂掺量对混凝土的“黏性”影响最大，其次是水泥用量。我们在其他组份用量相同的情况下，对不同的外加剂掺量做了对比试验，其典型结果见表 4。

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可以看出对于固定的胶凝材料来说，当聚羧酸外加剂超过一定的比例后，混凝土的强度增长幅度很小，但是对扩展度和倒锥时间等指标影响较大，即混凝土的稠度和黏性增加较快。我们通过进一步的试验，确定了 SP-8CN 外加剂的合理掺量为 1.2。根据调整后的配比进行了第三次中试，中试柱截面仍然为 1 000×1 000 mm，测得坍落度230 mm，扩展度 640×650 mm，倒锥时间为 11s，强度见表 5。

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根据强度结果，最终确定了上部结构阶段 C70 混凝土最终的配合比如表 6 所示。

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    实践证明，此配比的混凝土可泵性和工作性能较好，且强度完全达到要求。
    3 C70 泵送混凝土生产工艺控制通过多次试验，我们着力对制备搅拌工艺流程的改良进行研究，对材料管理进行严格控制，主要有以下几个方面。
    （1）为了避免混用，本工程 C70 混凝土的原材料采用专仓专放，固定仓号。
    （2）严格按材料技术标准进行检测，进仓材料做到100% 合格。石料经检验合格后进行清洗以降低石料中的石粉含量；水泥入仓时进行抽检，对水泥温度也进行测量，控制在 70 ℃ 下。
    （3）在每次生产混凝土前 3 h 对此次所用粗细集料进行含水率试验，确保外加剂在储存过程中不受污染。
    （4）拌机实际生产工艺流程的确定。现有设备为 2 m3搅拌机，高强泵送混凝土由于复合胶凝材料的颗粒较细，粉料量较多，所以若要充分拌匀，除了适当延长时间外，必须采取合理的单盘搅拌量、分批投料、滞后加水等办法，以解决搅拌时可能发生的胶凝材料结团、砂结块等问题。
    4 C70 混凝土的超高程泵送根据本工程的实践，要顺利泵送高强度混凝土至较高的高度，至少应满足三个条件。首要的是混凝土本身的可泵性：第二是泵管内要有足够的泵送压力，泵管排布要合理；第三是配套的一些细小环节，如润管砂浆的配比、停泵间歇，甚至泵工的操作水平都会影响到能否顺利泵送。根据这些因素制订了相关方案如下。
    （1）经过理论计算并结合中试时的泵压值，确定最大混凝土出口压力不低于 2 5 M P a ，正常在 2 1 M P a左右。
    （2）高程泵送，管内压力大、高强混凝土集料硬度高，而且需要多次泵送，管壁的强度、厚度和接口的气密性至关重要。
    （3）润管砂浆一定要保证其保水性；停泵间隙不能过长，超过 3 min 就应开泵一次，必要时采取反泵方法，使管内混凝土保持流动状态；起泵应均匀，逐步加大压力，避免压力过大造成砂浆或混凝土内水析出，导致集料堆积。
    （4）不同的高强混凝土振捣要求也不一样，应该通过试验来确定。结合中试和实际施工，我们总结出本工程振捣时间控制在每点每个分层 12 s 左右，混凝土较为密实。
    5 结论通过施工阶段的具体实施，我们将 C70 混凝土顺利地从地下室顶板达到了 182 m 高度。这也填补了南京 C70 以上级高强混凝土的施工空白。