阎培渝教授：C70高强混凝土的工程应用

文摘 2024-12-14 07:03 河南

我国现在有一大批300m以上的超高层建筑正在建设。这些超高层建筑的承重结构大多是钢一混凝土组合巨柱加钢筋混凝土核心筒的形式，在外层巨柱与内层核心筒之间采用伸臂桁架连接。

由于超高层建筑的竖向荷载大，作为主要承载构件的钢.混凝土组合巨柱的断面大，形状不规则，内部有多个大尺寸的空间，图1为北京“中国尊”大厦的地下1层巨柱的断面，面积约64m，由13个空腔组成，单个空腔的最大尺寸接近5m。图2为深圳平安金融中心的巨柱断面，截面尺寸为3.2m×6.5m，单个空腔的最大尺寸接近2m。填塞这些空间和外包钢结构的混凝土强度等级高，综合考虑性价比与生产难易程度，很多项目均使用了C70高强混凝土。

表1为一些超高层建筑所用C70高强混凝土的泵送高度和流动性要求。

可见大多数工程的垂直泵送高度都很高。用于这些超高层建筑的高强混凝土需要具有很好的可泵性，以满足超高层泵送要求；巨柱的结构复杂，配筋密，钢结构内部浇筑混凝土时难以振捣，因此要求混凝土的流动性大，具有自密实性能。由于都是大体积结构，因而要控制混凝土的温升和收缩，避免产生过大收缩，导致混凝土与钢结构的界面产生缝隙，甚至混凝土从钢结构表面脱开，两者不能协同受力。即使都是自密实混凝土也要根据泵送高度的差异，来选择浇筑工艺是采用顶升施工或是高抛施工来调整拌合物的工作性。这些工程的高强混凝土用量大，工期长，北京“中国尊”大厦仅地下部分的4根巨柱就需要将近1.5万m³C70混凝土，施工期超过半年。为此需要混凝土搅拌站具有长期稳定的优质原料来源，严格的生产质量控制体系。因此用于超高层建筑的高强混凝土的生产与施工具有很高的技术难度。

1C70高强混凝土的配合比设计

对于超高层建筑的巨柱与剪力墙结构混凝土来说，其特点是“高强、自密实、大体积”。为使混凝土具有这些性能并能超高泵送，关键是做好混凝土配合比设计。通常采用“优质水泥+超细矿物掺和料+高效减水剂+优质骨料”的技术路线进行高强混凝土配合比设计和生产。

高效减水剂(目前主要使用聚羧酸类减水剂)可降低混凝土水胶比以提高密实度；活性矿物掺和料可增加水泥石中的粉体量，改善其颗粒级配，改变其反应机制；严格控制骨料的本体强度、粒径、粒形和粒径分布；这些措施使混凝土的强度大幅提高，耐久性得到根本改善，并能保证拌合物的高流动性。同时，高强混凝土的配合比设计还应有利于减少混凝土的温度收缩、自生收缩和干燥收缩所引起的体积变形，避免早期裂缝的出现。高强混凝土在进行配合比设计时除检测力学性能和流动性外，还应检测拌合物的黏聚性和抗离析能力、工作性保持能力、振捣密实效果和硬化混凝土的体积稳定性等。

对于自密实混凝土来说，配合比设计的基本技术路线是：适宜的粗骨料用量和粒径，同时以适宜的砂浆量来提供流动性，以适宜的浆体黏度来保证拌合物的稳定性。

C70高强混凝土的水胶比宜在0.25～0.30内选取。胶凝材料总量控制在600kg/m³以下，水泥量≤450kg/m³，且在保证强度的基础上尽量降低水泥用量，同时选用优质矿物掺和料，如I级粉煤灰、S95矿渣粉、硅灰等，用水量控制在150～165kg/m³。为了使高强混凝土具有大流动性或自密实性能，其砂率通常较高，为0.41～0.47。为了最大限度地降低水化热，建议采用混凝土的60d强度为结构验收强度，但28d强度不低于相应强度等级标称值的100％，这样可充分利用矿物掺和料后期强度持续发展的特点，在提高强度保证率的同时也提高了混凝土的体积稳定性。高强混凝土的胶凝材料之间的相容性非常重要，会对混凝土的强度和拌合物的黏度产生显著影响。因此，在配合比设计时要进行充分的试验，寻找最佳组合。C70混凝土可同时掺加硅粉和粉煤灰，掺量不大于胶凝材料总量的50％，以获得较稳定的强度和适宜的拌合物性能。但也有一些项目为了简化生产，不使用硅灰，同样能获得满意的效果。表2为几个超高层建筑实际所用C70混凝土配合比。这些工程的强度满足要求，实际施工效果都很好，长沙汇金国际项目的混凝土28d抗压强度最低，平均为77.9MPa，其余均在80MPa以上，其中天津于家堡金融中心项目浇筑的混凝土，28d抗压强度达到88.5MPa。

适当调整(延长)混凝土的凝结时间，控制混凝土的初凝时间在10～13h，终凝时间在14～18h，一方面延长了施工工艺的可操作性，使混凝土连续浇筑，消除了冷缝；另一方面使水泥水化热的释放时间延长，以降低混凝土结构的内外温差。当混凝土的垂直泵送高度较高时，也需要较长的凝结时间。

所以，高强自密实混凝土配合比的设计思路是：首先确定适宜的水泥品种、矿物掺和料种类和外加剂品种；其次确定水胶比、矿物掺和料掺量；接着通过调整单位体积用水量和胶凝材料总量来保证高强混凝土拌合物的性能达到自密实和超高泵送要求；然后在初步选定的配合比基础上，分析一些特殊的技术措施对混凝土性能的影响。如果条件允许，最好能用所得最佳混凝土配合比，采用适宜的施工工艺进行足尺模拟浇筑试验，评价采用此配合比所浇筑的结构实体的质量和工艺效果。

2高强混凝土的原材料品质控制

配制C70高强混凝土宜选用P·Ⅱ52.5或P·O42.5普通硅酸盐水泥。选择时需要重点考察水泥的强度、需水量、矿物组成及水泥的品质稳定性等几个因素。水泥熟料矿物C₃S，C₃A含量低，烧失量控制在0.5％以下，碱含量限制在0.6％以内，水泥细度在350m²/kg以下，水泥温度<60℃。高强混凝土应掺加一定量的优质活性矿物掺和料，如S95级矿渣微粉、Ⅰ级粉煤灰、硅粉等，与水泥组成复合胶凝材料，以改善新拌混凝土和硬化后混凝土的各项性能。表2所列工程实例所用胶凝材料的特性如表3所示。

细骨料应使用颗粒外形状态接近圆形的中砂，且宜为质地坚硬、级配良好的河砂或人工砂，细度模数不宜小于2.6，0.315mm筛孔的通过量不应少于15％，0.16mm筛孑L的通过量不应少于5％。砂的含泥量和泥块含量应分别不大于2.0％和0.5％。粗骨料应选用质地坚硬的石灰岩、花岗岩等破碎的连续级配，最大粒径为20mm的两级配机碎石。粗骨料的含泥量不应大于0.5％，泥块含量不应大于0.2％，吸水率≤2％。粗骨料的针片状颗粒含量不宜大于5％且不应大于8％，空隙率≤35％，压碎值≤7％，一般控制在4％～5％。表2所列工程实例所用砂石原料的特性如表4所示，可见碎石的压碎指标都较高。虽然这些工程实例都使用天然河砂，但人工砂也是可以使用的。人工砂需要控制砂的粒形、级配与石粉含量。大量工程经验证明，人工砂与天然河砂混合使用效果很好。

选择高强混凝土所用的减水剂时不但要考虑减水率的大小，也应检测所配制混凝土拌合物的工作性(坍落度及其损失、流动性、黏度等)能否满足施工需要。在表1所列的实际工程应用案例中，只有长沙汇金项目使用萘系减水剂，浓度35％，减水率25％。拌合物出机坍落度250mm，扩展度550mm，初凝时间6h。在这个项目中，由于用水量仅为138kg/m³，所以减水剂用量大，凝结时间短。

该配合比仅适用于泵送扬程低的场合。采用聚羧酸减水剂制备的混凝土一般都能保证3h内拌合物的流动性损失<10％。目前需要高层泵送的工程所用混凝土均采用聚羧酸系减水剂，其减水率≥28％。

3高强混凝土的生产与施工

高强混凝土水胶比低，材料种类多，要求原料的计量准确，需增加砂石的含水率测定频率，并及时调整用水量。硅灰很细，易黏结在皮带上，且易被设备运转产生的上升气流吹走，而且大多数搅拌站没有装硅灰的料仓。所以一般采用袋装硅灰，在主机下料口处人工添加到混料仓中，与其他物料同时进入搅拌机混合搅拌。高强混凝土的搅拌时间需延长，搅拌完的拌合物放入运输车后严禁加水。

C70高强混凝土的绝热温升可达50℃左右，其浇筑的构件体积大，因此内部温度很高，温差也大。为防止温度裂缝的产生，需要控制混凝土的温升。首先要尽量降低拌合物的人模温度，应控制在30～32℃以下。可采用的措施有：降低水泥温度、搭棚防止骨料暴晒、预冷骨料、加冰等。在深圳京基100大厦和深圳平安金融中心建设工程中，均采用了上述措施，取得了良好效果。

混凝土拌合物运输到现场后应及时浇筑，在浇筑前须派专人对每车混凝土进行工作性检查，已离析或流动性损失过大的混凝土不能浇筑。一般高强混凝土的流动性大，浇筑高度高，所以振捣时间可以相对缩短，间隔加大，以免造成混凝土分层离析或浮浆过多。在墙、柱与楼板同时施工时，要做好两种结构间的混凝土隔离，避免高强混凝土流入梁板部分，这将不利于梁板结构的裂缝控制。

钢结构内腔中的混凝土传统上采用高抛或导管浇筑法逐段浇筑施工。钢一混凝土组合柱一般为多层一节，柱内在楼层位置设有隔板，节点处开孔面积小。对于这种复杂结构，若用高抛法施工，下落的混凝土常堵塞隔板上的排气孔，使混凝土排气不畅，在隔板下表面聚集气泡。此时可采用自密实混凝土顶升浇筑施工，可有效避免气泡在隔板下聚集。许多人担心钢管内部的混凝土由于收缩而与钢管壁脱开，导致两者不能协同工作。在结构设计时常要求使用补偿收缩混凝土。但掺加膨胀剂配制的补偿收缩混凝土工作性较差，难以达到自密实的效果，长距离泵送难度更大。无论施工单位还是混凝土搅拌站都不愿使用。根据现有的实际工程施工效果来看，即使是深圳平安金融中心和北京“中国尊”这样断面很大的结构，在单边尺寸达数米的巨型内腔中浇筑混凝土后，在表面蓄水养护，所蓄的水能长期保持，没有漏失。所以自密实混凝土在其自身重力作用下，能够充满内腔，不会发生混凝土与钢管壁脱开的情况。为减小混凝土的收缩，改善混凝土的养护条件，可使用高吸水性树脂，适量掺加到混凝土拌合物中，同时适量增加用水量。通过高吸水性树脂缓慢释放水分产生的内养护效应，在强度损失不大的前提下，明显降低混凝土的自收缩。

高强混凝土用水量低，结构致密，温升大，在浇筑后应尽早开始保湿保温养护。对于使用钢模板或木模板的剪力墙，可在墙体上方设置喷淋水管，混凝土终凝后松开模板，沿墙体与模板间的间隙缓慢浇水，带模喷淋养护7d以上。拆模后墙体表面粘贴塑料薄膜，保湿养护14d以上。对于滑模施工的墙体，模板提升后，可在墙体表面粘贴塑料薄膜，外面悬挂棉毯，保湿养护14d以上。但对于钢结构内腔中的混凝土，无法进行有效养护。目前可使用的措施除表面蓄水外，只有使用内养护剂。表面蓄水增加了施工的复杂性，质量难以控制，所以应优先考虑内养护剂的使用。

4结语

C70高强混凝土具有很好的性价比，在超高层建筑中越来越多地用于承重结构的钢.混凝土组合巨柱结构中。通常采用“优质水泥+超细矿物掺和料+高效减水剂+优质骨料”的技术路线进行高强混凝土配合比设计。在生产时需严格控制原材料品质的波动，加强生产与施工过程管理。使用自密实混凝土，在其自身重力作用下，能够密实充填钢结构内部空腔，不会与钢结构脱开。（来源：《建筑技术》2015.12）

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