CN108623221A - 一种顶升施工钢管混凝土 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种顶升施工钢管混凝土，以质量份数计，其原料由以下组分组成：水泥290‑295份、粒化高炉矿渣粉90‑95份、粉煤灰105‑115份、硅灰10‑15份、砂896‑999份、5‑10mm细石713‑816份、专用外加剂10.35‑12.33份、膨胀剂30份、增稠剂1‑2份、水180‑185份。本发明在高压泵送过程中不离析、不泌水、不过粘，满足自密实混凝土要求；扩展度泵送损失控制在50‑100mm；满足“零收缩”设计指标，确保钢管和混凝土协同工作。

Description

一种顶升施工钢管混凝土

技术领域

本发明涉及混凝土材料技术领域，更具体的说，它涉及一种顶升施工钢管混凝土。

背景技术

根据世界高层都市建筑学会CTBUH(Council on Tall Buildings and UrbanHabitat)中给出的定义，建筑高度在300m以上的建筑物称为超高层建筑，建筑高度在200m以上的建筑物称为高层建筑。

高层建筑已经被视为一个城市乃至一个国家经济和科技实力的象征。自1894年美国纽约高106m的曼哈顿人寿保险大厦落成以来，世界各国之间最高大厦的竞争一直没有停止过，从西方的帝国大厦、世贸中心，到东方的吉隆坡双塔，上海金茂大厦，到在建工程阿联酋迪拜塔等，超高层建筑的高度纪录不断被刷新。

我国高层建筑开始于1973年香港康乐中心(179m高，52层)，虽然起步晚于国外发达国家，但是由于我国土地资源比较稀缺，经济发展比较迅速，发展高层及超高层建筑的需求极为迫切，因此高层建筑的发展非常快。

伴随着超高层建筑向高度更高、结构形式更复杂、施工进度要求更快等方向的发展，混凝土泵送高度越来越大，泵送强度越来越高，混凝土输送泵的输送量和泵送压力大幅度提高，因此研究超高层泵送混凝土技术也已成为现实的迫切需要。超高泵送混凝土技术已成为超高层建筑施工技术不可缺少的一个方面，并且已成为一种发展趋势而受到各国工程界的重视。不断研究高强度等级混凝土的超高泵送技术，对于提高超高层建筑施工质量及施工效率具有相当高的实用价值和经济意义。

高层建筑柱结构类型通常采用钢管混凝土组合材料，钢管混凝土是将素混凝土灌入钢管而制成，是钢混结构组合材料中最重要的一种形式。其复合设计的原理是：混凝土受到钢管壁的紧箍作用，强度、韧性和耐久性大大提高；钢管中填充了混凝土，可提高结构的稳定性并减少用钢量；组合材料的综合性价比明显优于两种材料自身。

以往国内外对钢管混凝土的研究主要集中在结构方面，这方面的研究成果和论文专著已有不少，但对钢管内核心混凝土材料的研究却很少，尤其是缺乏针对顶升施工工艺下材料的考虑。

钢管混凝土通常有两种施工工艺，一种是高抛施工，另一种是顶升施工，两种工艺各有优缺点。高层建筑钢管混凝土，从满足施工进度、操作安全性以及钢管内混凝土密实性考虑，顶升施工大大优于高抛施工，因此日益得到推广应用。但是相比高抛，顶升施工对混凝土材料提出了更高的要求，要求混凝土流动性高，经时和泵送扩展度损失小，因此有必要从顶升施工工艺出发，研究高层泵送顶升混凝土材料配制技术。

从已发表的资料分析，针对超高泵送顶升施工钢管混凝土材料，通常都是按照自密实混凝土材料的性能标准对其进行要求。换句话说，超高泵送顶升施工钢管混凝土材料，从技术领域归类可划入自密实混凝土技术范畴，只是自密实混凝土技术满足特定施工工艺下的一种体现。

与普通自密实混凝土材料相比，相同点是混凝土能够保持不离析和均匀性，不需要外加振动完全依靠重力作用，充满模板每一个角落、达到充分密实和获得最佳的性能，不同点是赋予自密实混凝土材料更高的可泵性要求，要求混凝土在高压泵送过程中具有良好的流动性、阻力小、不离析、不易泌水、不堵塞管道，同时顶升后仍能具备自密实性能等性质。

因此研究超高泵送顶升施工钢管混凝土材料，是对自密实混凝土材料配制技术有益的提升和积累。

发明内容

本发明的目的在于提供一种顶升施工钢管混凝土，在高压泵送过程中不离析、不泌水、不过粘，满足自密实混凝土要求；扩展度泵送损失控制在50-100mm；满足“零收缩”设计指标，确保钢管和混凝土协同工作。

本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：一种顶升施工钢管混凝土，以质量份数计，其原料由以下组分组成：水泥290-295份、粒化高炉矿渣粉90-95份、粉煤灰105-115份、硅灰10-15份、砂896-999份、5-10mm细石713-816份、专用外加剂10.35-12.33份、膨胀剂30份、增稠剂1-2份、水180-185份。

本发明较优选地，所述水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，比表面积为360m²/kg。

本发明较优选地，所述粒化高炉矿渣粉为S95级矿粉，流动度比为104.5％，比表面积为409m²/kg。

本发明较优选地，所述粉煤灰为F类I级粉煤灰，细度模数为9.3，需水量比为92％，烧失量为3.8％。

本发明较优选地，所述硅灰为增密硅灰。

本发明较优选地，所述砂为细度模数为2.5-3.0的II区天然中砂，且含有一定比例的细砂，其中粒径小于300微米的细砂占砂的重量百分数为15-30％，粒径小于150微米的细砂占砂的重量百分数为5-10％；所述砂的含泥量≤1.0％,泥块含量≤0.5％。

本发明较优选地，所述5-10mm细石的表观密度2856Kg/m³，堆积密度1321Kg/m³，紧密密度1496Kg/m³，堆积空隙率54％，紧密空隙率48％。含泥量1.3％，吸水率0.5％，针片状颗粒含量1.4％

本发明较优选地，所述膨胀剂为HME-V型氧化钙和氧化镁复合高性能膨胀剂。

本发明较优选地，所述增稠剂为生物胶。

本发明较优选地，所述顶升施工钢管混凝土的拌合物的流变参数控制指标为60Pa＜屈服应力＜250Pa，20Pa·s＜塑性粘度＜150Pa·s。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、顶升施工钢管混凝土的设计等级为C40级，一般应用于超高层建筑的31及以上楼层。

2、顶升施工钢管混凝土要求具有优良的可泵性，体现在不离析、不泌水，且泵送压力小，泵送损失小，且扩展度泵送损失控制在50-100mm。

3、顶升施工钢管混凝土要求具有良好的自密性，体现在泵送压力下混凝土拌合物在管道中通过并到达浇筑点，并在不振捣的情况下能均匀密实地充满钢管而不产生蜂窝、空洞等缺陷的能力，要求具有高的流动性、良好的粘聚性和保水性。

4、顶升施工钢管混凝土要求具有适宜的微膨胀性：钢管混凝土结构工作的实质在于钢管及其核心混凝土间的相互作用和协同互补，由于这种相互作用，使钢管混凝土具有一系列优越的力学性能。但是混凝土由于存在塑性收缩、自收缩、温度收缩和徐变收缩等，易使钢管和核心混凝土之间形成空腔，影响钢管混凝土的承载力。因此要求顶升施工钢管混凝土具有一定的膨胀性，必须按补偿收缩混凝土进行设计，混凝土限制膨胀率设计值宜为2×10^-4。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

1、制作实施例

实施例各组分的质量配比，见表1。

表1实施例各组分的质量配比(单位：Kg)

表2实施例中各组分的来源

注：专用外加剂详见授权公告号为CN103723948B的专利文件；水为自来水。

2、泵送模拟试验

顶升施工钢管混凝土的关键和难点是“解决黏度与和易性之间的矛盾、控制坍落度与扩展度泵送损失、控制扩展度和黏度经时损失以及保证混凝土抗压强度”，为此要优化原材料品种和混凝土配合比，充分开展混凝土相关性能试验，确保实验室得到可泵性良好的混凝土。

2.1、混凝土泵的选型和泵管的布置

依据JGJ/T 10-2011《混凝土泵送施工技术规程》，选型混凝土泵，计算泵送试验所需管件，合理布置泵管。

2.1.1、混凝土泵的选型，应根据混凝土工程特点、要求的最大输送距离、最大输出量及混凝土浇筑计划确定。

2.1.2、混凝土输送管的水平换算长度，可按表3换算。

表3混凝土输送管的水平换算长度

注：(1)R为曲率半径；(2)弯管的弯曲角度小于90°时，需将表列数值乘以该角度与90°角的比值；(3)向下垂直管，其水平换算长度等于其自身长度；(4)斜向配管时，根据其水平及垂直投影长度，分别按水平、垂直配管计算。

2.1.3、混凝土泵送的换算压力损失，可按表4换算。

表4混凝土泵送的换算压力损失

管件名称	换算量	换算压力损失(MPa)
			水平管	每20m	0.10
垂直管	每5m	0.10
			45°弯管	每只	0.05
90°弯管	每只	0.10
			管道连环(管卡)	每只	0.10
管路截止阀	每个	0.80
			3.5m橡皮软管	每根	0.20

注：附属于泵体的换算压力损失：Y形管175→125m，0.05MPa；每个分配阀，0.80MPa；每台混凝土泵起动内耗，2.80MPa。

L_max＝P_max/ΔP_H

K₁＝(3.00-0.1)×10²

K₂＝(4.00-0.1)×10²

式中L_max—混凝土泵的最大水平输送距离(m)；

P_max—混凝土泵的最大出口压力(Pa)：

ΔP_H—混凝土在水平输送管内流动每米产生的压力损失(Pa/m)；

R₀—混凝土输送管半径(m)；

K₁—粘着系数(Pa)；

K₂—速度系数(Pa/m/s)；

S₁—混凝土坍落度(mm)；

—混凝土泵分配阀切换时间与活塞推压混凝土时间之比，一般取0.3；

V₂—混凝土拌合物在输送管内的平均流速(m/s)；

a₂—径向压力与轴向压力之比，对普通混凝土取0.90。

注：ΔP_H值亦可用其它方法确定，且宜通过试验验证。

2.1.4、泵送模拟试验所需泵管情况，见表5。

表5泵送模拟试验所需泵管情况

注：按照泵管规格为100mm计算。

2.1.5、泵送模拟实验

(1)考察混凝土配合比：C40。

(2)泵前混凝土性能检验(考察混凝土可泵性指标)：扩展度、含气量。

(3)泵后混凝土性能检验(考察混凝土泵损和匀质性)：扩展度、含气量。

(4)试验柱质量：目测上部有无浮浆；锤击法检测混凝土密实性；非金属超声无损检测法检测隔板下混凝土质量；钻芯取样检测试验柱上、中、下部混凝土抗压强度(28d、60d)；留置标养试块、现场同条件试块，建立标养强度、同条强度和实体钻芯强度三者的相关关系，以指导对实体强度的检测判断。

3、试验结果

3.1、顶升施工钢管混凝土拌合物的控制情况(扩展度变化)

表6顶升施工钢管混凝土拌合物的控制情况

出机扩展度平均750mm，泵前扩展度平均730mm，泵后扩展度平均678mm，实体扩展度平均608mm，满足了顶升施工钢管混凝土可泵性和自密性的技术要求。

3.2、硬化顶升施工钢管混凝土的强度质量

表7硬化混凝土强度质量

按28d龄期统计评定，出机54.0MPa，泵前51.7MPa，泵后51.0MPa，实体51MPa；按60d龄期统计评定，泵前55.3MPa，泵后53.6MPa，实体52.3MPa；此外出机、泵前、泵后和实体四个部位强度呈递减趋势。

钢管混凝土实体强度评价：钢管混凝土是隐蔽结构，对实体强度的评价无法采用传统的回弹以及带来结构损伤的钻芯方法来进行评价，而只能采取留置试块的方法来进行评价，留置试块目前通行的做法是留置到场混凝土。针对顶升施工钢管混凝土，从不同部位留置的大量试块强度统计分析，存在出机、泵前、泵后和实体四个部位强度呈递减趋势规律，泵后和泵前强度的差别不大。但是，从最贴近实体质量强度评价的角度，在试块成型的制作上，不宜取泵前拌合物，而宜优先取实体拌合物，不具备条件的情况下宜取泵后拌合物，并应按《自密实混凝土应用技术规程》(JGJ T283)的要求成型试块。

3.3、混凝土含气量波动情况及其对混凝土强度的影响

以实施例一为例，测定顶升施工钢管混凝土的泵前、泵后混凝土的含气量，以及泵后28d抗压强度。

表8混凝土含气量波动情况及其对混凝土强度的影响

顶升施工钢管混凝土施工时含气量有增加的现象，泵后含气比泵前含气平均增加1-2％，但在混凝土含气设计指标控制范围(2-4％)内，并不影响混凝土强度。传统认知上，混凝土泵送会带来含气量的损失，而顶升施工钢管混凝土正好相反。

分析原因，这与自密实混凝土在泵管中的流动状态有较大关系，高层泵送过程中，自密实混凝土拌合物在泵管中的流动，是摩擦流和粘滞流两种方式流动，摩擦的作用会使混凝土中的浆体产生迁移，富集在管内壁表面形成细砂砂浆的边界润滑层(由水、胶凝材料和外加剂构成的净浆与细砂组成)。富浆砂浆层会导致气泡的大量聚集，从而导致泵后含气量的升高。为了避免含气量剧烈增加，对混凝土强度造成潜在的致命性影响，我们认为：针对顶升施工钢管混凝土，还是不能采取提高含气作为改善混凝土可泵性的措施，应适量引气，含气量设计指标宜控制在2-4％。

3.3、顶升施工钢管混凝土泵送性控制情况(泵压、泵损)

3.3.1、制作对比例

对比例一：对比例一和实施例一的区别在于，P.O42.5普通硅酸盐水泥采用北京金隅顺发水泥有限公司生产的。

对比例二：对比例二和实施例一的区别在于，未添加硅灰。

对比例三：对比例三和实施例一的区别在于，粉煤灰采用华能德州电厂生产。

对比例四：对比例四和实施例一的区别在于，添加816Kg的5-16mm碎石。

对比例五：对比例五和实施例一的区别在于，缩小水胶比为原来的2/3。

对比例六：对比例六和实施例一的区别在于，未添加生物胶。

对比例七：对比例七和实施例一的区别在于，未添加膨胀剂。

表9对比例一至对比例七混凝土拌合物的控制情况(扩展度变化)

为提高顶升施工钢管混凝土可泵性，在保证顶升施工钢管混凝土质量的前提下，利用拌合物流变性研究控制成果，我们采取了多项技术改进措施，有效提高了混凝土可泵性，使混凝土拌合物扩展度泵送损失最终控制在100mm以内。

这些有效的措施包括：等水胶比放大、掺加适量硅灰、严控粉煤灰品质以及掺加生物胶增稠剂组分等。上述措施在保证混凝土拌合物稳定性的同时，有效降低了拌合物的塑性粘度，进而提高了混凝土可泵性。

表10实施例一和对比例七的微膨胀控制情况

采用HME-V型氧化钙和氧化镁复合高性能膨胀剂，本发明顶升施工钢管混凝土水中14d混凝土限制膨胀率达到3×10^-4，满足2-4×10^-4的设计目标。

表11对比例七硬化混凝土强度质量

分析表可知，对比例七混凝土实体强度较泵送前标养试块强度有较大损失。此外，观察对比例七的柱头部位第一道横隔板以上混凝土与钢模有脱空现象，用塞尺检测脱空缝隙最宽处为0.8—1.0mm；第一道横隔板以下混凝土与钢模均无可见缝隙。采用敲击钢管的方法检查了顶升试验柱内部混凝土的密实度，对比例七内部混凝土总体密实度良好，局部有不密实及裂缝等缺陷。

分析产生部分缺陷的原因如下：(1)混凝土扩展度泵送损偏大：泵前扩展度650mm，泵后降至500mm。由于泵送过程中混凝土扩展度损失较大，造成出泵混凝土流动性下降，混凝土的自密实能力下降，是导致新旧混凝土接茬有蜂窝及柱基顶部横隔板下侧边角处混凝土不密实的主要原因；同时，由于混凝土的自密实能力下降，混凝土的密实度也随之下降，造成混凝土泵前与泵后的强度差也增加，从实验的结果看，强度损失近10MPa。(2)柱头部位第一道横隔板以上混凝土与钢模脱空现象主要是由于柱头部位混凝土与大气直接接触，缺乏养护，混凝土失水干缩造成。

根据研究结果，添加HME-V型氧化钙和氧化镁复合高性能膨胀剂，不仅可以保证混凝土的密实度，同时可以降低横隔板之间产生裂缝的几率。

Claims (10)

1.一种顶升施工钢管混凝土，其特征在于，以质量份数计，其原料由以下组分组成：水泥290-295份、粒化高炉矿渣粉90-95份、粉煤灰105-115份、硅灰10-15份、砂896-999份、5-10mm细石713-816份、专用外加剂10.35-12.33份、膨胀剂30份、增稠剂1-2份、水180-185份。

2.根据权利要求1所述的顶升施工钢管混凝土，其特征在于，所述水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥，比表面积为360m²/kg。

3.根据权利要求1所述的顶升施工钢管混凝土，其特征在于，所述粒化高炉矿渣粉为S95级矿粉，流动度比为104.5％，比表面积为409m²/kg。

4.根据权利要求1所述的顶升施工钢管混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为F类I级粉煤灰，细度模数为9.3，需水量比为92％，烧失量为3.8％。

5.根据权利要求1所述的顶升施工钢管混凝土，其特征在于，所述硅灰为增密硅灰。

6.根据权利要求1所述的顶升施工钢管混凝土，其特征在于，所述砂为细度模数为2.5-3.0的II区天然中砂，且含有一定比例的细砂，其中粒径小于300微米的细砂占砂的重量百分数为15-30％，粒径小于150微米的细砂占砂的重量百分数为5-10％；所述砂的含泥量≤1.0％,泥块含量≤0.5％。

7.根据权利要求1所述的顶升施工钢管混凝土，其特征在于，所述5-10mm细石的表观密度2856Kg/m³，堆积密度1321Kg/m³，紧密密度1496Kg/m³，堆积空隙率54％，紧密空隙率48％，含泥量1.3％，吸水率0.5％，针片状颗粒含量1.4％。

8.根据权利要求1所述的顶升施工钢管混凝土，其特征在于，所述膨胀剂为HME-V型氧化钙和氧化镁复合高性能膨胀剂。

9.根据权利要求1所述的顶升施工钢管混凝土，其特征在于，所述增稠剂为生物胶。

10.根据权利要求1所述的顶升施工钢管混凝土，其特征在于，所述顶升施工钢管混凝土的拌合物的流变参数控制指标为60Pa＜屈服应力＜250Pa，20Pa·s＜塑性粘度＜150Pa·s。