武漢中心工程低熱低收縮高強(qiáng)自密實(shí)混凝土制備及應(yīng)用*
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鄧偉華，周杰剛，武 超，李健強(qiáng)，王 健
（中建三局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430064）
[摘要]根據(jù)武漢中心工程對(duì)混凝土性能的需求，首先通過降低混凝土水化熱、提高混凝土密實(shí)度、降低混凝土自收縮、提高混凝土泵送性能的研究，制備出低熱低收縮高強(qiáng)自密實(shí)混凝土，最后結(jié)合武漢中心工程特點(diǎn)，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式、采取合理的施工技術(shù)，保證混凝土的施工質(zhì)量。
[關(guān)鍵詞]高層建筑；混凝土；低熱；低收縮；自密實(shí)混凝土；施工技術(shù)
[中圖分類號(hào)]TU528；TU974 [文章編號(hào)]1002-8498(2016)05-0009-04
1 武漢中心工程簡(jiǎn)介
1.1 工程概況
武漢中心工程建筑高度438m，為巨柱框架+核心筒+伸臂桁架結(jié)構(gòu)，12層以下為鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)，12~ 64層為勁性柱混凝土結(jié)構(gòu)，64層以上為混凝土結(jié)構(gòu)，塔樓剪力墻結(jié)構(gòu)標(biāo)高410. 850m，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C60。
1.2 鋼板-混凝土剪力墻概況
武漢中心工程鋼板-混凝土剪力墻從地下室底板頂至12層，地上部分總高度54. 550m，鋼板形式為內(nèi)嵌單片連續(xù)式，勁性鋼柱為H形或十字形，鋼板剪力墻節(jié)點(diǎn)處鋼筋密集復(fù)雜。鋼板-混凝土組合剪力墻如圖1所示。
2武漢中心工程對(duì)混凝土性能的需求
2.1 高強(qiáng)自密實(shí)需求
武漢中心工程塔樓剪力墻設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C60高強(qiáng)混凝土，12層以下為鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)，12~64層為勁性柱混凝土結(jié)構(gòu)，剪力墻鋼筋密集復(fù)雜，且存在鋼板及勁性柱結(jié)構(gòu)，混凝土振搗困難，為滿足設(shè)計(jì)要求，保證混凝土施工質(zhì)量，混凝土必須具備高強(qiáng)自密實(shí)性能。
2.2低熱低收縮需求
武漢中心工程塔樓剪力墻最大厚度達(dá)1.2m，屬于大體積混凝土施工，且塔樓12層以下為鋼板一混凝土組合剪力墻，根據(jù)對(duì)鋼板-混凝土組合剪力墻裂縫產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，鋼板-混凝土組合剪力墻中由于混凝土水化熱溫度升高、自身收縮大等諸多因素，在施工過程中極易產(chǎn)生裂縫，為控制混凝土裂縫開展，混凝土必須具備低熱低收縮性能。
2.3可泵性需求
武漢中心工程混凝土施工采用泵送技術(shù)，最大泵送高度410.85m，為保證混凝土施工連續(xù)性，避免出現(xiàn)堵管等現(xiàn)象，混凝土必須具備良好的可泵性。
3低熱低收縮高強(qiáng)自密實(shí)混凝土制備
為制備滿足工程需求的高性能混凝土，武漢中心工程從高強(qiáng)自密實(shí)、降低水化熱及自收縮、提高可泵性等性能方面進(jìn)行研究。
3.1 低熱低收縮高強(qiáng)自密實(shí)混凝土研究
3.1.1 研究思路
膠凝體系是影響混凝土性能的關(guān)鍵因素。首先應(yīng)合理選擇膠凝體系，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化目的是為了在盡可能降低膠凝材料水化熱的基礎(chǔ)上，保證膠凝體系的強(qiáng)度不降低甚至有所提高，其次對(duì)混凝土收縮及泵送性能進(jìn)行研究。
1)降低混凝土水化熱 降低水化熱的直接有效措施為摻人低放熱組分膠凝材料替代高放熱組分膠凝材料，因此，首先需要試驗(yàn)研究各種膠凝材料對(duì)放熱量的影響權(quán)重，從而為膠凝體系優(yōu)化和低熱混凝土制備提供參考。
2)保證混凝土強(qiáng)度 降低膠凝材料水化熱的技術(shù)，需要減少高放熱膠凝組分，高放熱膠凝組分的減少勢(shì)必對(duì)膠結(jié)強(qiáng)度有不利影響，因此，需要通過其他技術(shù)途徑解決膠結(jié)強(qiáng)度問題。直接有效的技術(shù)方法為增加膠凝體系的密實(shí)度，一方面可以通過降低水膠比以減少水在膠結(jié)體中的體積，從而降低膠結(jié)體的孔隙率；另一方面可以通過膠凝體系各顆粒的粒徑實(shí)現(xiàn)粉體的緊密堆積，實(shí)現(xiàn)膠結(jié)體的密實(shí)度。
3)降低混凝土自收縮在上述研究基礎(chǔ)上，研究水泥用量、超細(xì)粉料及膨脹劑對(duì)混凝土的自收縮影響。
4)提高混凝土可泵性 為保證混凝土可泵性，除優(yōu)化膠凝體系外，還可增加外加劑改善混凝土的泵送性能。對(duì)于高度> 300m的混凝土泵送，除工作性外還應(yīng)采取額外的測(cè)試指標(biāo)保證泵送性能。
3.1.2 減少高放熱組分降低混凝土水化熱
結(jié)合武漢周邊地材和生產(chǎn)高強(qiáng)混凝土所需要的部分特殊原材料，確定了對(duì)比試驗(yàn)所采用的各種膠凝材料。主要膠凝材料包括：P. O42.5水泥、I級(jí)粉煤灰、S95礦粉、微珠、硅灰。
對(duì)不同配合比的混凝土膠凝材料的水化溫升進(jìn)行測(cè)定，分析研究膠凝材料對(duì)混凝土水化溫升的影響，減少膠凝材料中的高放熱組分，從而達(dá)到降低和延緩混凝土水化熱的目的。試驗(yàn)?zāi)z凝材料配合比如表1所示。
試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。
通過對(duì)水泥、礦粉、粉煤灰對(duì)放熱量的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水泥和礦粉用量是影響膠凝材料體系水化溫升的主要因素。
3.1.3 提高膠凝體系的密實(shí)度保證混凝土強(qiáng)度
除選擇級(jí)配良好的骨料外，可通過降低水膠比、優(yōu)化膠凝體系粒徑組成提高膠凝體系的密實(shí)度，達(dá)到保證混凝土強(qiáng)度的目的。
1)降低水膠比 試驗(yàn)設(shè)計(jì)了0.5和0.2水膠比的膠凝體系凈漿強(qiáng)度試驗(yàn)，通過對(duì)兩種水膠比下膠凝體系的抗壓強(qiáng)度測(cè)試，分析研究水膠比對(duì)膠凝體系密實(shí)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，降低膠凝體系水膠比，其同齡期抗壓強(qiáng)度有顯著提升。
2)優(yōu)化膠凝體系粒徑組成 試驗(yàn)通過分別對(duì)P．O42.5水泥、I級(jí)粉煤灰、S95礦粉、微珠及不同膠凝材料組成的復(fù)合膠凝體系進(jìn)行激光粒度測(cè)試，復(fù)合膠凝體系配合比及粒度分布如表2和圖4所示。試驗(yàn)表明，復(fù)合膠凝體系的粒度分布與各膠凝材料的粒度、摻人比例有直接關(guān)系，通過摻加適當(dāng)比例的超細(xì)粉體，可有效減少大孔隙、降低孔隙率，提高膠凝體系的密實(shí)度。
3)降低混凝土自收縮 通過對(duì)水泥用量、超細(xì)粉料及膨脹劑對(duì)混凝土的自收縮影響研究發(fā)現(xiàn)，降低水泥用量及適量摻加超細(xì)粉料可有效降低混凝土的自收縮，當(dāng)水泥用量一定時(shí)，降低礦粉用量可減少混凝土自收縮；同時(shí)膨脹劑可有效補(bǔ)償混凝土收縮。
4)提高混凝土可泵性 對(duì)于300m以下混凝土泵送，通過優(yōu)化膠凝體系，保證混凝土工作性能即可滿足泵送要求。對(duì)于300m以上混凝土泵送，除保證混凝土工作性能外，通過增加外加劑改善混凝土的泵送性能。另外增加混凝土的勻質(zhì)性、保水性作為混凝土泵送性能的指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果顯示混凝土工作性能保持效果良好，勻質(zhì)性、保水性可滿足泵送需求。
3.2低熱低收縮高強(qiáng)自密實(shí)混凝土制備
通過上述對(duì)混凝土性能的研究，最后通過混凝土強(qiáng)度、溫升、自收縮、泵送性能大量試驗(yàn)及優(yōu)化，確定了武漢中心工程C60自密實(shí)混凝土的生產(chǎn)配合比，具體配合比( kg/m3)為：水泥：粉煤灰：礦粉：硅灰：河砂：碎石：水：減水劑= 290: 210: 70: 30: 710:
1 020: 134:9.6。
對(duì)武漢中心工程C60高性能混凝土進(jìn)行取樣測(cè)試，混凝土性能如表3所示。
由生產(chǎn)情況看，生產(chǎn)配合比工作性能較優(yōu)，出機(jī)2h仍可保持自密實(shí)狀態(tài)，力學(xué)性能均較穩(wěn)定，生產(chǎn)取樣強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，且與普通C60混凝土相比溫峰相差12℃，混凝土收縮量也僅為普通混凝土的1/10，滿足工程需求。
4低熱低收縮高強(qiáng)自密實(shí)混凝土應(yīng)用
為保證混凝土施工質(zhì)量，除研究混凝土性能制備出低熱低收縮高強(qiáng)自密實(shí)高性能混凝土，還應(yīng)該結(jié)合實(shí)際工程，優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，采取合理的施工技術(shù)。
4.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化
4.1.1 優(yōu)化鋼板．混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)中鋼板及栓釘對(duì)混凝土產(chǎn)生明顯約束，是導(dǎo)致鋼板．混凝土組合剪力墻混凝土開裂的原因之一。
在結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)時(shí)與設(shè)計(jì)方溝通，建議設(shè)計(jì)院將暗柱箍筋設(shè)計(jì)為貫穿鋼板的封閉式箍筋，同時(shí)在鋼板兩側(cè)增加貫穿鋼板的對(duì)拉鋼筋，增強(qiáng)外側(cè)鋼筋對(duì)混凝土的約束，同時(shí)優(yōu)化栓釘高度，從原來的190mm優(yōu)化為120mm，減小鋼板對(duì)混凝土墻體的約束，優(yōu)化配筋，增強(qiáng)外側(cè)鋼筋對(duì)混凝土的約束，縮小因內(nèi)嵌鋼板對(duì)混凝土的強(qiáng)約束造成的內(nèi)外約束差異，減小墻體表面開裂的風(fēng)險(xiǎn)。
4.1.2 鋼板墻構(gòu)件上流淌孔、透氣孔設(shè)置
為確保鋼板墻兩側(cè)混凝土密實(shí)性及均勻性，減小鋼板剪力墻澆筑難度，在鋼板上開設(shè)直徑130mm、間距1 500mm左右梅花形布置流淌孔。流淌孔按照設(shè)計(jì)要求及規(guī)范要求貼板補(bǔ)強(qiáng)。
透氣及澆搗孔：部分鋼板剪力墻中局部位置會(huì)出現(xiàn)相對(duì)封閉的腔體，特別是雙層鋼板剪力墻中遇橫向加勁肋處，為孔保證節(jié)點(diǎn)處混凝土的澆筑密實(shí)性，需要在腔體上、下板上開一定直徑(≥30mm)的透氣孔或澆搗孔，以便混凝土氣泡排出，保證節(jié)點(diǎn)區(qū)澆筑質(zhì)量。
4.2混凝土施工技術(shù)
武漢中心工程采用“不等高同步攀升”施工工藝進(jìn)行塔樓剪力墻的施工，其中剪力墻14. 500m以下標(biāo)高段采用木模施工，14. 500m以上采用凸點(diǎn)頂模大鋼模進(jìn)行施工。
4. 2.1 混凝土泵送布料技術(shù)
1)14. 500m以下標(biāo)高混凝土布料技術(shù)
武漢中心工程14. 500m以下標(biāo)高為單片鋼板一混凝土組合剪力墻結(jié)構(gòu)，由于其內(nèi)置鋼板對(duì)混凝土澆筑造成了一定影響，且此時(shí)在施工過程中需采取可靠措施確保低熱低收縮高強(qiáng)自密實(shí)混凝土的澆筑質(zhì)量。
根據(jù)施工部署，在14. 500m以下標(biāo)高段，核心筒智能型施工平臺(tái)尚未安裝，周圍外框筒水平結(jié)構(gòu)也未施工，布料機(jī)若放置于首層樓板上，則布料高度不能滿足施工要求；同時(shí)由于周圍無統(tǒng)一的操作平臺(tái)，若采用泵管拆接的方式，一方面施工非常困難，另一方面經(jīng)常拆接泵管容易出現(xiàn)堵泵及混凝土浪費(fèi)。為此，采用在鋼板頂放置臨時(shí)布料機(jī)的方式解決布料難題。
布料機(jī)底部設(shè)置型鋼平臺(tái)架將其與鋼板墻進(jìn)行連接，同時(shí)由于鋼板墻為懸臂構(gòu)件，且混凝土澆筑過程中會(huì)產(chǎn)生較大振動(dòng)，使鋼板墻產(chǎn)生較大晃動(dòng)，因此需在鋼板墻之間設(shè)計(jì)支撐型鋼，將布料機(jī)放置范圍內(nèi)的鋼板連成整體，控制其變形。
通過采用鋼板墻頂端設(shè)置布料機(jī)的方式解決了混凝土布料問題，大大加快了混凝土澆筑速度，保證了混凝土澆筑的連續(xù)性。
2)14. 500m以上標(biāo)高混凝土布料技術(shù)
對(duì)于14. 500m以上標(biāo)高剪力墻，在凸點(diǎn)頂模安裝完成后，在模架主梁上安裝2臺(tái)HG20G布料機(jī)，通過泵送即可滿足混凝土澆筑需求（見圖5）。
4.2.2混凝土澆筑技術(shù)
武漢中心工程高性能混凝土施工采用分層澆筑、密集下料、輔助振搗澆筑技術(shù)。
1)由于單層混凝土澆筑高度較高，因此在混凝土澆筑過程中需采取分層澆筑方法，分層厚度≤0. 8m，這樣既能保證鋼筋密集的組合剪力墻中混凝土密實(shí)性及均勻性，又能控制鋼板兩側(cè)高度差，縮小鋼板大的初始變形及應(yīng)力。
2)單片鋼板．混凝土組合剪力墻配筋十分密集，尤其是暗柱區(qū)域鋼筋間距過小，如果不移動(dòng)下料點(diǎn)，僅靠振搗使混凝土流淌填充，將導(dǎo)致遠(yuǎn)端漿液過多，甚至出現(xiàn)離析現(xiàn)象，影響組合剪力墻的質(zhì)量。因此，混凝土澆筑時(shí)，最優(yōu)的方式是采用布料機(jī)進(jìn)行澆筑，鋼板兩側(cè)均勻下料，下料點(diǎn)間距≤1. 5m。
3)單片鋼板-混凝土組合剪力墻中，雖自密實(shí)混凝土具有較大的流動(dòng)性，但由于配筋間距過小，僅靠混凝土自身流淌不能保證混凝土密實(shí)性與均勻性，在鋼模段不振搗，鋼模表面氣泡不易排出，導(dǎo)致拆模效果不佳。因此，混凝土澆筑過程中應(yīng)輔以振搗，振動(dòng)棒插入深度為澆筑分層面以下200~300mm，現(xiàn)場(chǎng)通過測(cè)量控制下棒長(zhǎng)度，同時(shí)單點(diǎn)振搗時(shí)間不能超過20s。
4.2.3混凝土養(yǎng)護(hù)技術(shù)
單片式鋼板-高性能混凝土組合剪力墻中混凝土養(yǎng)護(hù)是控制裂縫開展的關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)。木模段延長(zhǎng)帶模養(yǎng)護(hù)時(shí)間≥10d；鋼模段由于模板需快拆，因此在智能型施工平臺(tái)上設(shè)置噴淋系統(tǒng)，對(duì)墻體進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)，從而控制裂縫的發(fā)展，噴淋養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)如圖6所示。
4.3實(shí)施效果
現(xiàn)場(chǎng)混凝土拆模效果顯示，墻體表面幾乎沒有出現(xiàn)裂縫，僅局部位置有極其微小的裂縫。
5 結(jié)語
1)本文通過降低混凝土水化熱、提高混凝土密實(shí)度、降低混凝土自收縮、提高混凝土泵送性能的大量試驗(yàn)及研究，制備出低熱低收縮高強(qiáng)自密實(shí)混凝土。
2)本文結(jié)合武漢中心工程特點(diǎn)，通過對(duì)鋼板一混凝土組合剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化、采取合理的混凝土施工技術(shù)，保證了混凝土施工質(zhì)量。
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