庞二波，王艳，张恒春，夏大回，葛文强，岳建男

（中建商品混凝土有限公司，湖北 武汉 430074）

0 引言

钢管混凝土是利用钢管和混凝土在受力过程中的组合作用，通过钢管对核心混凝土的约束，使核心混凝土处于三向应力状态下，从而增强混凝土的强度和塑性变形能力；同时由于核心混凝土的存在可以延缓或避免外部钢管过早发生局部屈曲，从而保证各部分材料性能的发挥[1]。因此，钢管混凝土被认为是高层建筑和桥梁工程中比较理想的建筑材料。

武汉中心项目位于汉口王家墩 CBD 区，主楼建筑高度408m，结构为巨型框架—钢筋混凝土核心筒—外伸臂支撑结构形式，共 16 根钢管柱，直径为 1500～3000mm，钢管柱内设有横向加劲板，导致浇筑时钢管内混凝土不易振捣，施工难度大。为保证钢管混凝土的施工质量，采用 C70 自密实混凝土，浇筑方式采用高抛法。对混凝土性能的具体要求为：设计强度 C70，28d 抗压强度达 84MPa；混凝土和易性良好，具有高流动性，不离析泌水；初始坍落度 ≥250mm，扩展度（650±50）mm，倒筒时间＜10s，2h 坍落度保留值≥240mm，扩展度保留值≥600mm，II 型 U 型箱试验填充高度 330～340mm；钢管内混凝土密实，无空洞缺陷，混凝土与钢管粘结良好，无可见缝隙。

1 试验原材料

结合该工程混凝土的搅拌站生产特点，可供选择的原材料品种为：

水泥：A 厂家 P·O42.5 和 B 厂家 P·O42.5，性能指标见表1；

粉煤灰：麻城 I 级，细度 7%，烧失量 3.5%，需水量比94%；

矿粉：亚东 S95，比表面积 410m2/kg，密度 2.78×103kg/m3，28d 活性指数 98%；

砂：细度模数为 2.6～2.8 的岳阳中粗河砂；石：阳新5～20mm 连续级配石灰岩碎石，性能指标见表 2；

外加剂：中建商品混凝土有限公司新型建材厂生产的聚羧酸高效外加剂，固含量 20%，减水率 32%；

水：自来水。

表1 水泥性能指标

表2 粗骨料性能指标

2 确定水泥品种

2.1 水泥水化温升

武汉中心 C70 钢管柱直径在 1500mm 以上，属于高强大体积混凝土，需要考虑混凝土自身因胶凝材料水化引起的温升特点，尽可能降低大体积混凝土的绝热温升[2]。不同品牌水泥的水化放热量和水化放热速率存在差异，水灰比为 0.23 和0.35 的水泥净浆，将净浆体系放入近似直接法测水化热的仪器中采集温度，测得 A 厂家 P·O42.5 水泥和 B 厂家 P·O42.5水泥的水化温升曲线。图 1 为水灰比 0.23 的水化温升曲线；图2 为水灰比 0.35 的水化温升曲线（图 2 中 0.35-1 表示水灰比为 0.35，同时，掺入了 1.0% 的外加剂）。

图1 水灰比 0.23 的水化温升曲线

图2 水灰比 0.35 的水化温升曲线

2.2 水泥与外加剂适应性

考察两种水泥水化放热差异之外，尚需结合预拌混凝土生产特点，检验水泥与外加剂的适应性，确保适应性良好，确保拌合的混凝土工作性经时损失小，以利于工程施工。

采用原材料选择中的聚羧酸外加剂，分别与两种水泥进行净浆流动度试验。图 3 为净浆流动度试验，图 4 为净浆流动度经时损失。

图3 水泥净浆流动度

图4 净浆流动度经时损失

从图 3 中可见，两种厂家水泥的净浆流动度存在差异，在相同外加剂掺量下，A 厂家水泥的净浆流动度小于 B 厂家的净浆流动度，但是差异不大；图 4 表明，在外加剂掺量为 1.2% 时，两种水泥的初始净浆流动度分别为 A 厂家水泥为 300mm，B 厂家水泥为 280mm，1h 净浆流动度表现为 A厂家减小至 235mm，减小率为初始流动度的 17%，B 厂家水泥净浆流动度无损失，2h 净浆流动度分别为 A 厂家水泥减小至 200mm，减小率为初始流动度的 29%，B 厂家水泥减小至290mm，减小率为初始流动度的 3%。因此，可确定 B 厂家水泥与外加剂适应性比 A 厂家水泥适应性优。

从水泥水化温升和水泥与外加剂适应性试验，可以确定选择 B 厂家水泥比 A 厂家水泥进行混凝土配合比设计具有更佳的经济性和适用性。

3 试验

3.1 试验内容与试验方法

在进行了一系列配合比设计后，确定了性能稳定、经济合理的配合比，其中胶凝材料的用量为 580～610kg/m3，水泥用量为 350～420kg/m3，砂率为 44%，水胶比为 0.22～0.23，外加剂掺量为胶凝材料质量的 2.0%～2.8%。

从备选配合比中选择一组配合比开展配合比工作性、强度验证和自收缩测试。

结合 C70 钢管混凝土特点，制定试验内容，测试项目包括：混凝土工作性及经时损失、II 型 U 型箱通过能力、抗压强度（采用 100mm×100mm×100mm 试块）和自收缩规律。

混凝土工作性及经时损失测试；II 型 U 型箱通过能力测试；抗压强度测试依据 GB/T 50081-2002 《普通混凝土力学性能试验方法标准》执行；自收缩测试依据 GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》执行。

其中自收缩测试，分别采用占胶凝材料总量 6% 的HCSA 取代基准配合比的粉煤灰、矿粉，同时取代粉煤灰和矿粉，对比试验各方案的自收缩差异。

3.2 结果及分析

表3 为混凝土工作性测试结果；图 5 为 14d 强度均匀性验证图；图 6 为 28d 强度均匀性验证图；图 7 为 14d 和 28d平均强度图；图 8 为 28d 自收缩曲线。

表3 混凝土工作性测试 mm

从表 3 中可见，试验验证的 C70 钢管自密实混凝土初始坍落度为 260mm、扩展度 700mm、倒筒时间 8.6s、通过 II 型U 型箱满足工程要求；2h 坍落度无损失，扩展度为 690mm，工作性几乎无损失。满足工地现场实现自密实及泵送效果。准立方体试块强度可达到 92.7MPa，强度富余比普通等级混凝土高，可保障生产混凝土供应质量。

图5 14d 强度均匀性验证

图6 28d 强度均匀性验证

图7 14d 和28d 平均强度

图8 28d 自收缩曲线

混凝土自收缩试验结果见图 8，从图 8 中可见，基准配合比 28d 自收缩为 400×10-6。在室内小试件试验中，C70 混凝土内掺 6% 的 HCSA 膨胀剂可有效减小混凝土的自收缩。然而，克莱洛夫曾用高温 X 射线法研究了钙矾石在干热条件下的变化，指出在 50℃ 时出现无水石膏，证明钙矾石已分解[4]。由于 C70 高强混凝土水胶比小，强度高，浇筑于工程结构后，自身水化导致内部相对湿度下降，同时，在夏季浇筑可使混凝土内部温度高达 70℃ 以上，可能导致生成的钙矾石分解，而失去抑制自收缩的性能。厦门怡山商业中心项目工程[5]未掺入膨胀剂，采用预埋测管经超声波检测表明，钢管柱内部的混凝土结构密实，无裂缝、缺陷。因此，在本工程中未掺入 HCSA 膨胀剂。

4 工程应用

2012 年 4 月，陆续供应 C70 钢管自密实混凝土方量约700m3。浇筑过程中，相关技术人员严格执行试验过程中的技术措施，取得了良好的施工效果，现场检测混凝土拌合物工作性能均符合要求，28d 抗压强度达到设计指标，钢管柱内部的混凝土结构密实，无裂缝、缺陷。

5 结论

（1）通过对水泥水化温升及与外加剂适应性试验，确定了水化温升低、与备用外加剂适应性好的水泥品种。

（2）通过对备选配合比的工作性、力学性能和自收缩特性试验，确定了满足工程需要的混凝土配合比。试验配合比的工作性良好，能通过II型U型箱，100mm×100mm×100mm试块 28d 平均强度达 103.1MPa，28d 自收缩率为 400×10-6。

（3）实施效果表明，通过水泥品种筛选、原材料准备、配合比设计和相关性能研究，可保障 C70 钢管自密实混凝土满足设计和施工要求。

[1]尚作庆. 钢管自应力自密实混凝土柱力学性能研究[D]. 大连理工大学，2007.

[2]胡永. 柳州三门江大桥大体积混凝土温度控制技术[J]. 铁道工程学报，2009(7):62-66.

[3]高志扬等. 高强混凝土抗压强度尺寸效应综述[J]. 混凝土，2011(5):33-35.

[4]赵顺增，游宝坤. 补偿收缩混凝土裂渗控制技术及其应用[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.

[5]杨善顺. C60 高抛钢管自密实混凝土的研究及应用[J]. 混凝土与水泥制品，2010(3):16-19.