C60自密实钢管混凝土配合比设计及应用

引言随着科技的进步，建筑和桥梁分别向着高层、大跨度方向发展，对混凝土强度的要求也越来越高，高强高性能混凝土已成为钢管混凝土的首选。钢管混凝土具有钢管和混凝土各自所具备的优越性能：内填混凝土增强了钢管壁的稳定性，而外包钢管使混凝土处于三向受压状态，从而大大提高混凝土的抗压强度和变形能力[1]。现已广泛的应用在高层建筑和桥梁工程中。在钢管中浇筑普通混凝土，由于振捣困难，难以充分密实，易出现内浇混凝土不密实不匀质、坍落度损失大、坍落度保持性差，再加上混凝土收缩的影响，极易导致混凝土强度不达标、内部缺陷、钢管混凝土脱空等质量问题[2]。在钢管混凝土的浇筑过程中，与型钢产生脱空形成间隙而导致内部混凝土与外部型钢不能组合受力等缺陷，对结构的承载力和工作性能造成消弱，影响建筑物的使用功能，增加建筑物安全风险[3-4]。而自密实混凝土具有良好的流动性，特别适用于难以浇筑甚至无法浇筑的部位，已有研究表明自密实混凝土具有自密实、缓凝、空气含量低、早强等优点，将自密实混凝土加入到钢管中可以充分发挥其优点[5]。

1、工程概况

北京丰台站改建工程中的站房工程总用地规模约15.3万m2，建筑总规模39.88万m2，东西向563m，南北向332m。站房总体大面积采用劲性混凝土框架结构，筏板基础，大跨度双向钢桁架结构屋盖，地下1层，地上4层，局部设有夹层，屋面最高点36.5m，基础埋深-14.8m，局部-20.8m，为融合铁路、地铁、市政、公交以及相关配套设施的站房综合体，且为国内首例高、普速双层车场铁路站房。丰台站改建工程站房主体结构为劲钢结构，承重柱大部分为钢管混凝土，钢管混凝土强度等级为C60，是方、矩形钢管混凝土，采用自密实混凝土浇筑。针对钢管自密实混凝土易出现的问题，结合丰台站C60自密实钢管混凝土柱的施工实例展开研究，通过对配合比的优化设计，在保证混凝土力学性能的前提下，检测混凝土拌合物密实性能、膨胀收缩性能等，确保复杂截面和结构下钢管混凝土柱的施工质量。2、试验研究

2.1原材料

水泥：P·O42.5低碱水泥，其性能指标见表1。粉煤灰：大唐同舟F类Ⅱ级粉煤灰，其性能指标见表2。矿粉：三河天龙S95级矿粉。骨料：张家口福泰天然砂，Ⅱ区中砂；涞水顺合5～20mm连续级配碎石。膨胀剂：中岩科技，Ⅱ型。减水剂：自行研制的减缩型聚羧酸高性能减水剂，其性能指标见表3。

表1水泥性能指标表2粉煤灰性能指标表3外加剂性能指标2.2混凝土的主要技术指标

质量要求：强度等级C60；坍落度≥250mm；扩展度≥650mm，T50≤10s，V型漏斗通过时间≤15s；28d抗压强度≥69MPa，混凝土和易性良好，无离析泌水现象；混凝土水中14d限制膨胀率≥0.015%。温度指标：混凝土入模温度控制在5~30℃；浇筑体在入模温度基础上的温升值≤50℃；控制混凝土中心最高温度不超过70℃；混凝土里表温差≤25℃；降温速率≤2℃/d。

2.3混凝土配合比设计总容重2440kg/m3，根据JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》、CECS203∶2006《自密实混凝土应用技术规程》计算得到的混凝土理论配合比见表4。

表4混凝土理论配合比在表4的基础上，固定胶凝材料总量563kg/m3，粉煤灰∶矿粉=1∶1，研究水胶比、硅灰、水泥、膨胀剂及砂率对混凝土性能的影响。设计四水平五因素正交试验，见表5，试验用混凝土配合比见表6。表5正交试验因素水平表表6正交试验混凝土配合比kg/m3综合试验结果，在保证混凝土拌合物性能及力学性能的前提下，从经济性出发，进一步调整配合比，调整矿粉及粉煤灰用量，检测胶凝材料的水化热，通过水化热检测，选取粉煤灰和矿粉的比例，得到基准配合比，在基准配合比的基础上，调整外加剂的组分，研究不同含气量对混凝土力学性能、耐久性能的影响，最终确定配合比。

2.4测试方法依据GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》的规定进行拌合物性能测试；依据GB/T50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》的规定制备150mm×150mm×150mm的混凝土试件，测试28d立方体抗压强度；依据GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》的规定进行耐久性能测试，其中收缩试验采用100mm×100mm×515mm的混凝土试件，测量其1d、3d、7d、14d、28d、45d、60d、90d、120d、150d、180d变形读数；依据GB50119—2013《混凝土外加剂应用技术规范》的规定制备全长355mm的试件，其中混凝土部分尺寸应为100mm×100mm×300mm，测试水中14d限制膨胀率。3、结果与分析

3.1初步配合比混凝土拌合物性能、膨胀性能及力学性能见表7。表7混凝土性能测试结果由表7可知，在总胶凝材料用量和外加剂用量不变的情况下，不同水胶比、硅灰、水泥、膨胀剂掺量及不同砂率对混凝土拌合物的含气量和凝结时间的影响不大。对其他因素进行正交试验直观分析，极差值结果见表8。表8正交试验直观分析表由表8可以看出，水胶比对混凝土的出机坍落度、扩展度、T50扩展时间、V漏斗流出时间影响较大，膨胀剂掺量对限制膨胀率影响较大，而水泥的掺量对混凝土的力学性能影响较大。综合表7、表8，从经济性角度出发，硅灰掺量选择4%，水胶比选择0.28，砂率选择45%，膨胀剂选择6%，进一步调整后的配合比见表9。表9混凝土初步配合比3.2基准配合比以表9的初步配合比为基础，调整矿粉及粉煤灰用量，检测胶凝材料的水化热，通过水化热检测结果，选取粉煤灰和矿粉的最佳比例。各原材料掺量比例及水化热检测结果见表10。由表10可以看出，各原材料对混凝土3d、7d水化热的影响从大到小分别是：水泥＞矿粉＞粉煤灰，随着水泥用量的增多，水化热增加最多，其次是矿粉，粉煤灰。粉煤灰掺入比例的增加可以大幅降低胶凝材料的水化热，为了更有效的控制混凝土由于水化热温升带来的收缩，可以适当增加粉煤灰用量。对表9的初步配合比进行调整，得到表11的基准配合比。表10原材料掺量及水化热检测结果对表11基准混凝土的抗离析性能进行检测，测定值为8%≤15%，达到SR2性能等级，间隙通过性测定值为20mm，达到PA2性能等级，满足施工技术要求。混凝土初凝时间为13h45m，终凝时间为17h50m，足够的初凝时间（≥12h）[6]保证混凝土在整个施工过程中能够始终保持良好的流动状态，有利于密实，让膨胀剂充分发挥效应。表11混凝土基准配合比3.3配合比的确定在表11基准配合比的基础上，调整外加剂的组分，研究不同含气量对混凝土力学性能、耐久性能的影响，结果见表12。表12不同含气量对混凝土性能的影响由表12可以看出，随着含气量的增加，混凝土拌合物的出机坍落度呈上升趋势，2h坍落度损失增大，混凝土表面和内部的气泡增加；含气量在2%~4%之间时，混凝土的抗压强度较高；从混凝土湿表观密度也可以反应出混凝土气泡率含量的多少，含气量越大，湿表观密度越小，因此调整混凝土含气量在2%~3%之间。采用含气量为2.3%的混凝土配合比制作模拟混凝土柱（如图1所示），终凝后观察内部混凝土的收缩情况，混凝土无明显的收缩变化，混凝土和模板内壁连接紧密，混凝土拆模后表面光滑，无明显的气泡、蜂窝麻面现象。图1试验室模拟混凝土柱用表11的基准混凝土配合比进一步检测混凝土绝热温升性能，如图2所示。由图2可知，采用大掺量粉煤灰及自行研制的聚羧酸减水剂，混凝土绝热温升的峰值出现在第6天后，中心温度最大值小于60℃，满足工程要求。图2混凝土绝热温升曲线采用表11和表13的混凝土配合比进行收缩性能试验，结果如图3所示。由图3可知，掺加膨胀剂和自制外加剂，大幅降低了混凝土的收缩，有利于混凝土裂缝的控制。表13普通混凝土配合比

kg/m3图3混凝土收缩率曲线从混凝土拌合物性能、力学性能、绝热温升、收缩性能的测试结果证明，所设计的配合比完全满足工程要求。4、工程应用

根据试验设计的配合比在施工现场模拟试验柱，如图4所示，混凝土拌合物包裹性及流动性良好，出机坍落度270mm，扩展度700mm，现场实测坍落度265mm，扩展度690mm，施工顺利。图5为拆模后的混凝土，从拆模后混凝土外观来看，混凝土密实，表面比较光洁，气泡较少，对混凝土的脱空进行了有效预防。图4施工现场模拟试验柱图5拆模后混凝土表面结论

（1）采用体积法对自密实混凝土配合比进行计算，并综合考虑各种原材料对其工作性和力学性能