钢管-自密实高性能混凝土在建筑工程中的应用

摘　要:本文结合某工程钢管-砼劲性柱、斜拉结构柱为钢管一钢铰线束预应力砼劲性柱混凝土施工需要,通过对混凝土材料选择后,进行自密实混凝土材料的选择和配合比设计及优化,以保证自密实混凝土顺利施工和硬化后具有良好的力学、变形性能。通过实践证明,自密实混凝土既能满足设计要求的强度、弹性模量等指标:还可以在钢管或是模板内成形,在施工中始终保持均匀而具有良好的工作性能,有效地保证了工程质量。

关键词:钢管一自密实混凝土:配合比设计;弹性模量:劲性混凝土,施工

中图分类号:TU528.31　文献标识码:B

文章编号:1008-0422(2010)07-0152-03

1　工程概况

湖南某大型体育场工程,建筑面积3063m2,该工程垂直结构柱为钢管-砼劲性柱、斜拉结构柱为钢管一钢铰线束预应力砼劲性柱,并在钢管上设置栓钉,见图1,图2。

本工程钢管混凝土柱柱芯混凝土采用顶升施工工艺。该工艺与高位抛落免振捣法相比,可有效避免钢管柱内混凝土不密实、离析等缺陷,确保混凝土质量符合设计要求。其工艺原理为:在钢管混凝土柱底部适当位置开孔并焊接带单向阀的混凝土输送管,利用混凝土泵的压力将自密实混凝土自下而上挤压顶升灌入钢管内,直至注满整根钢管混凝土柱。下面着重对钢管一自密实高性能混凝土配合比设计过程与施工技术进行分析与探讨。

2　自密实混凝土工作性机理和特点分析

2.1　自密实混凝土工作性机理:

自密实混凝土是通过胶结材料和粗细骨料及添加外加剂的选择及配合和精心有配合比设计,降低分散体系中二相界面的自由能,提高分散体系的稳定性,在保持具有足够的塑性粘度、令骨料悬浮于水泥浆中不出现离析和泌水,将混凝土的屈服应力减小到足以被因自重产生的剪应力克服,使混凝土流动性增大,达到能自由流淌并充分填充模板内的空间形成密实且均匀的胶凝结构。

2.2　自密实混凝土的特点

自密实混凝土与常规浇注、振捣的混凝土最大的区别在于,它的匀质性、填密性完全靠在自身的重量作用下,能够自流平填密。与常规振捣成型的混凝土相比,目前在涩凝土施工中选用自密实混凝土,主要考虑以下几个方面:

1)使用自密实混凝土,可以缩短施工工期

2)可以保证结构中混凝土的密实性。尤其在浇注振捣困难的狭窄部位时,这种要求更为突出。

3)可以消除因振捣而带来的噪音,尤其对于混凝土生产者来说更为重要。这在提倡环保,保证居民生活质量的今天,自密实混凝土具有很大的吸引力。

3　自密实混凝土配合比设计和优化过程

针对确保自密实混凝土在新拌阶段不离析、不板结,在入模前始终具有工程需要的填充性、穿越性和均匀性;硬化后具有良好的体积稳定性,符合工程和环境对其力学性能、变形性能和耐久性能的要求。总结以往混凝土应用的经验,配自密实混凝土须重点解决大坍落度与坍落度损失的矛盾、变形能力与抗离析性的矛盾和流动性与粘聚性的矛盾。

为此,基于现有材料供应、施工设备等因素,经多方案对比分析,选择通过优选原材料、优化混凝土配合比和精心施工三条技术途经来现实。

3.1　工作性能指标的确定

基于以往泵送混凝土的经验和本工程的施工要求,工作性按下表1指标进行工作性定量评价。

3.2　自密实混凝土原材料选择

大量的试验结果表明,选择合适的原材料是成功配制自密实混凝土的关键。本工程通过实验室配合比的对比试验来选择合适的材料和施工配合比。

3.2.1　水泥

水泥是混凝土中的胶凝材料,可为混凝土提供活性。混凝土中的水泥用量过多会产生不良后果:如水化热过大,混凝土收缩过大产生裂缝及空隙。水泥矿物组成中C3A和C3s对水化速度和强度发挥起决定作用。当减水剂加到水泥一水系统中,若C3A含量高,减水效果就差:水泥中碱含量过高,使水泥凝结时间缩短,早强及流动性降低:水泥细度大,有利于减水剂增强效果。普通硅酸盐水泥配制的自密实混凝土,较矿渣水泥、粉煤灰水泥配制的混凝土和易性、匀质性好,混凝土硬化时间短,混凝土外观质量好,便于拆模。因此,水泥品种的选择应优先选择普通硅酸盐水泥。

综合上述因素并考虑到大流动度混凝土的特点,经过试验筛选,本工程选用活性较高的韶峰牌PO.42.SR硅酸盐水泥。该水泥的密度为3.09g、cm。,比表面积为381m=/kg,28d抗折、抗压强度分别为8.3MPo、5.14MPo,各项检测指标均符合《硅酸盐、普通硅酸盐水泥》(GBJl 75-90)技术规范的标准。

3.2.2　矿物掺合料

自密实混凝土浆体总量较大,如单用纯水泥会引起混凝土早期水化热较大、混凝土收缩较大,不利于混凝土的体积稳定性和耐久性,掺人适量的矿物掺合料可弥补以上缺陷,并且可改善混凝土的工作性。目前国内使用比较成熟、广泛的矿物掺合料主要有如下几种,见表2。

粉煤灰掺入混凝土内在水泥水化过程中,能与分解出来的Ca(oH)2起化学反应,生成具有胶凝性的水化产物。这些水化产物,能在空气中硬化,逐渐具有水硬性,所以也称“二次化水反应”:新生的水化产物能封住毛细管路。增强混凝土的密实性。因此,粉煤灰能取代部份水泥,从而节约水泥,降低水化热,使混凝土升温降低15%～35%,起到增加混凝土的和易性、提高新拌、硬化混凝土性能和混凝土的强度的作用。因此,“掺加|级或磨细粉煤灰是很有必要的:如掺11级及以下的粉煤灰,会造成强度降低,混凝土干缩增大。

但使用粉煤灰时,应严格控制S03的含量。因硫酸盐与硅酸盐发生反应后,生成钙矾石。如S03含量过大,生成的钙矾石过多,则会引起混凝土的体积的不稳定性,降低混凝土耐久性。这种现象在学术上称为“水泥杆菌”。所以,配制自密实混凝土时,粉煤灰中S03含量应控制在0.5%～1.5%左右。

对掺合料的经济性比较和性能对比试验,本工程选用湘潭电厂生产的I级煤灰。其需水量为83%,细度为0.05mm,筛余量6.7%,搞压强度比101%。

3.2.3　细骨料

作为混凝土所用细骨料从来源来看主要有:河砂、砂岩类山砂、机制砂、海砂。按细度模数来分,主要有粗砂、中砂、细砂之分。砂岩类山砂、机制砂、海砂此类砂对膨胀混凝土的膨胀率影响非常大。从目前大量的试验证明,一般选用中砂或偏粗中砂,砂细度模数在2.5～3.0为宜。砂中所含粒径小于0.125mm的细粉对自密实混凝土的流变性能非常重要,一般要求不低于10%。

根据现有供应条件并考虑到经济性,根据以往泵送混凝土的施工经验,本工程细骨料选用级配良好、细度模数在2.3～3.7的天然河砂,

以减少高强大流动度混凝土的单位用水量,有利于新拌混凝土的和易性与硬化混凝土的性能。

3.2.4　粗骨料

粗骨料的品质对自密实混凝土有很大的影响,主要体现在骨料一砂浆界面粘结强度、骨科弹性模量和骨料的强度。在考虑该种新拌混凝土的大流动性的同时,要考虑混凝土的早强性和后期强度。目前国内有为提高高强混凝土和易性采用碎石和卵石双掺的方法。文献…中的试验证明,粗骨料中的含泥量以及本身的强度和骨料的弹性模量,在配制时,需引起重视,碎石和卵石的粒径都控制在小于30mm。

总结以往大量混凝土应用的经验,对于自密实混凝土,一般选用粒径为5～25mm连续级配石子。可使石子获得较低的空隙率。同时,生产使用的粗骨料颗粒级配保持稳定非常重要。

通过试验筛选,本工程选用颗粒径为5～25mm,含泥量为0.1%,泥块含量为0.0%,压碎指标为8.3%的砾石。

3.2.5　外加剂

高效减水剂能使水泥起到分散、作用,以改善混凝土的和易性并相对地释放出一部分水。减水剂通过掺入缓凝的成份,能抑制水泥初期水化作用,可获得适宜的粘度、良好的粘聚性、流动性、保塑性等。所以,高效减水剂是配制自密实混凝土的主要成份。目前,国内应用比较成熟、广泛的减水剂主要如下几种,见表3。

由于钢管一自密实混凝土在整个灌注期间,混凝土是蠕动性的,需一定的运输和泵送时间,且钢管混凝土在灌注后无法排出气泡及养护,同时考虑到混凝土收缩对钢管混凝土柱承载力和耐久性产生的影响。因此,对外加剂的选择尤为重要。

为此,选择C50混凝土,在相同水泥用量、从与水泥的相容性、自密实混凝土工作性等方面进行了对加剂量筛选试验,结果如下表4 (单位Kg)。

从对比试验过程中发现,缓凝型减水剂会降低混凝土膨胀率。所以,掺加缓凝型减水剂时应多次试验,在确认混凝土膨胀率合适时才可使用。一般配制自密混凝土选用的高效减水剂应采取高效减水剂和缓凝剂搭配使用。

经对比试验,本工程选择DMJ-Iv高效减水剂(以聚羟酸盐为主要要成份),减水率32%,掺量为水泥用量的2%。

3.2.6　膨胀剂

为了减小混凝土的收缩,保证混凝土与钢管共同受力,利用膨胀剂产生微膨胀以进一步提高与钢管壁的粘结性能。膨胀剂对自密实混凝土的工作性几乎没有影响,在标养、无约束条件下,初始时随着膨胀剂掺量的增大,自密实混凝土的抗压强度、抗折强度及弹性模量增大,当掺量超过9%以后,强度和弹性模量均降低,各龄期自由收缩率反而增大。因此膨胀剂掺量绝对不可过大,否则不但不能补偿收缩,反而会使后期收缩增大,特别是落差增大。

为此,经对比试验后,选用AEA膨胀剂,掺量为水泥用量的8%。

3.3　自密实混凝土配合比设计及优化

混凝土的配合比设计,应符合《混凝土结构工程施工质量验收规范(GB50204-2002)、《混凝土泵送施工技术规程》(JGJ/T10-95)、《自密实高性能混凝土技术规程》(DBJ13-55-2004)和《预拌混凝土生产施工技术规程》(DBJ13-42-2002)的规定,并应根据混凝土原材料、运输距离、混凝土泵送性能与输送管径、泵送距离及气温等进行试配,试配结果如下表51。

4　钢管-自密实混凝土施工技术要点

施工工艺流程见图3。

4.1　钢管-自密实混凝土施工操作要点

1)现场加工制作单向阀及截止阀。单向阀由(D145mm,5mm厚的混凝土输送弯管(R=500mm)及8mm厚的Q345钢板共同加工而成。单向阀的盖板与水平方向的夹角宜为600～700,通过伸出铰链背后的钢板调节固定。

截止阀采用20厚的Q345钢板及018的螺栓加工制作,用套箍连接截止阀,在截止阀与混凝土泵问布置混凝土输送管。若单向阀在浇筑完毕后能正常启闭,可重复利用截止阀。

2)在距钢管混凝土柱底部300mm～500mm开一145mm圆孔,以清除柱内积水、杂物及焊接单向阀。

3)浇筑前,要计算好单根柱混凝土量,待所需混凝土运送到施工现场后方可进行顶升(从混凝土拌合至开始顶升的时间应控制在混凝土初凝前),防止混凝土在运输过程中耽搁造成顶升中断。同时,及时做好混凝土坍落度及坍落扩展度的检测。

4)在混凝土输送管与截止阀连接前,泵送砂浆用以输送管道,并把该部分砂浆清除干净后再进行柱芯混凝土的浇筑。

5)混凝土顶升至柱顶后,应及时停泵,并进行数次回抽,若柱顶混凝土面无明显回落,方可拆除混凝土输送管。

6)在拆除混凝土输送管过程中,随时做好关闭截止阀的准备,并应注意拆管顺序,必须先拆除截止阀后靠近混凝土泵端的输送管,再拆除截止阀前的套箍及截止阀。若拆管过程中混凝土有涌出现象,应立即关闭截止阀,待混凝土终凝后再拆除截止阀。

7)浇筑完毕30min后,观察柱顶混凝土有无回落下沉,若有下沉,则用人工补浇柱顶混凝土。

8)混凝土养护7d后,将柱底单向阀外露部分割去,并焊接封口钢板。

4.2　钢管-自密实混凝土施工过程中的质量控制

1)自密实混凝土应严格按《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB50204-2002)、《自密实高性能混凝土技术规程》(DBJl3-55-2004)、《钢管混凝土结构技术规程》(DBJl3-51-2003)的规定进行试配及施工。混凝土原材料应符合其质量要求及严格控制原材料的计量,严格控制好混凝土的坍落度和坍落扩展度。

2)自密实混凝土开盘鉴定的指标,应满足自密实混凝土的工作要求。同时宜对自密实混凝土的表观密度进行测试,使自密实混凝土的表观密度在正常范围内。

3)混凝土搅拌车在装料及运输过程中,应保持运输车滚筒按3～6r/min低速转动,保持混凝土拌合物的均匀性,不产生分层、离析现象,严禁在运输和等待卸料过程中加水。

4)浇筑前,要计算好单根柱混凝土量,待所需混凝土运送到施工现场后方可进行顶升,防止混凝土在运输过程中助搁造成顶升中断。

5)钢管内混凝土的浇灌质量,采用敲击法进行初步检查,如有异常,则应用超声波进行检测。对于混凝土浇筑不密实的部位,采用局部钻孔压浆法进行补强,然后将钻孔补焊封固。

5　结论

1)新拌阶段的稳定性是自密实混凝土在钢管混凝土结构中成功应用的前提,粗骨料的粒形和级配对新拌自密实混凝土的稳定性有较大的影响。

2)在对外加剂选择对比试验过程中发现,因各外加剂供应商提供的外加剂产品质量差异非常大,并且存在质量不稳定的情况。因此在外加剂选择时应慎重。选择那产品质量稳定,同时在施工过程能随时予以技术支持和配合的供应商

3)采用混凝土泵与钢管连接节点的弯管,应尽可能不要采用90。管,而应采取i35。弯管。

参考文献:

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[3]何廷树,宋学锋,詹美洲,膨胀剂对免振自密实混凝土性能的影响,长安大学学报(自然科学版)2003.

[4]钢管混凝土结构设计与施工规程CECs2890