高性能混凝土在框架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

胡聰 孫國(guó)慶

【摘要】隨著建筑行業(yè)的工業(yè)化轉(zhuǎn)型，現(xiàn)階段增強(qiáng)了對(duì)高性能混凝土產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究，擴(kuò)大了高性能混凝土使用范圍，提升了建筑工程質(zhì)量。本文以此為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合某框架筒體結(jié)構(gòu)建筑工程，討論了高性能混凝土應(yīng)用中的工作度、配合比設(shè)計(jì)、施工應(yīng)用等內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】高性能混凝土;框架結(jié)構(gòu);應(yīng)用

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.28.085

以某建筑工程為例，建筑總面積為2.95萬(wàn)m2，設(shè)計(jì)方案采用框架筒體結(jié)構(gòu)。在混凝土工程中采用高性能混凝土，強(qiáng)度等級(jí)分別為C50、C60。由于該項(xiàng)目屬于框架結(jié)構(gòu)中的高性能混凝土施工，所以，對(duì)于原材料質(zhì)量控制、配合比設(shè)計(jì)、混合料運(yùn)輸、攪拌泵送澆筑，以及澆筑后的保養(yǎng)等要求相對(duì)較高。通過(guò)細(xì)化指標(biāo)、合理設(shè)計(jì)、精細(xì)化管理，積累了一些應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。具體分析如下：

1、高性能混凝土工作度的選擇

首先，對(duì)施工場(chǎng)地與攪拌站之間的距離進(jìn)行了信息分析，確定總距離為11.3km。采用常規(guī)運(yùn)輸方案，需要經(jīng)過(guò)40min才能將高性能混凝土送到施工現(xiàn)場(chǎng)。其次，根據(jù)對(duì)該路段的交通狀況分析，并計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)施工操作時(shí)間，預(yù)計(jì)要60min才能完成。同時(shí)，混凝土澆筑采用泵送方式，要求在入模時(shí)，將塌落度控制在140mm以上。通過(guò)綜合分析后，確定制作混凝土的配比設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)范圍：（1）以C60作為設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度等級(jí);（2）出廠（攪拌站）時(shí)的高性能混凝土坍落度應(yīng)該控制在200mm以上;（3）進(jìn)場(chǎng)混凝土坍落度應(yīng)該控制在160mm到180mm范圍以內(nèi)。

2、高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.1嚴(yán)格篩選原材料

首先，在選擇水泥時(shí)，以普通硅酸鹽水泥為準(zhǔn)（PO42.5標(biāo)準(zhǔn);生產(chǎn)企業(yè)：內(nèi)蒙烏蘭水泥廠）。相關(guān)參數(shù)如下：（1）細(xì)度為0.08mm，篩余量（方孔篩）為3.7%;（2）標(biāo)準(zhǔn)稠度為24.5%;（3）初凝與終凝分別為1：44、3：19;（4）以3d為標(biāo)準(zhǔn)，其抗壓、抗折性能分別為22.8、4.5。以28d為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)為47.2、7.9。

其次，粗骨料以反擊破葉麻巖為準(zhǔn)（生產(chǎn)企業(yè)：包頭市西水泉石料廠），相關(guān)參數(shù)如下：（1）粒徑最大值25mm;（2）含泥量為1.2%;（3）壓碎值為9.7%;（4）堆積密度為1517kg/m3。細(xì)骨料為中砂，細(xì)度模數(shù)與含泥量分別為3.0和1.9%。

第三，選用S75級(jí)礦渣微粉作為礦渣粉。粉煤灰為電廠生產(chǎn)的II級(jí)料，相關(guān)參數(shù)如下：（1）細(xì)度45mm;（2）篩余量為18%;（3）相對(duì)密度為2.2g/cm3。按照要求需水量為105，選用深井飲用水。

第四，選用含固量為14%的聚羧酸作為外加劑，其中，引氣量為2%到3%，減少率范圍在20%到25%。

2.2配制高性能混凝土

第一，考慮到單位體積內(nèi)的骨料在水泥高用量條件下會(huì)相應(yīng)減少，并增加裂縫風(fēng)險(xiǎn)。所以，將其用量范圍控制在450kg到500kg以內(nèi)。

第二，為了控制高性能混凝土強(qiáng)度，本次配合比設(shè)計(jì)中結(jié)合泵送需求，增加了高效減少劑，從而將水膠比控制在與進(jìn)場(chǎng)坍落度范圍相一致的范圍之內(nèi)，設(shè)計(jì)值小于0.3。

第三，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，不同的骨料參數(shù)下，混凝土強(qiáng)度會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。同時(shí)，砂率也會(huì)受到影響。所以，在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)后，最后選用了中粗骨料，以5mm到25mm為范圍選用連續(xù)級(jí)配石子。砂率范圍控制在39%到41%范圍以內(nèi)。15%到20%的水泥用量由礦渣粉與粉煤灰進(jìn)行代替。正交試驗(yàn)中以3組配合比為準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，最后確定選用以下配合比方案：（1）水膠比：0.32;（2）膠：1;（3）砂：1.03;（4）石：1.85;（5）外加劑：3.4%;（6）膠料總量：540;（7）7d強(qiáng)度：47.6;（8）28d強(qiáng)度：69.4。

第四，混凝土性能檢驗(yàn)結(jié)果表明，在大氣溫度為12℃時(shí)，在0、30min、60min、90min的坍落度分別為210mm、205mm、195mm、185mm。符合高性能混凝土應(yīng)用時(shí)，等級(jí)強(qiáng)度大于C50后，坍落度大于180mm的要求。平均密度為2510kg/m3。對(duì)干縮試件（規(guī)格：100mm×100×515mm）進(jìn)行3d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，轉(zhuǎn)移到20℃左右的常溫環(huán)境下，對(duì)其1d、3d、7d、14d、28d的齡期進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明其收縮值分別為每米-0.425mm、-1.064mm、-0.851mm、-0.431mm、-0.001mm。其中，3d時(shí)的處于微膨脹最高值，28d時(shí)處于最低值。通過(guò)這種微膨脹狀態(tài)，有利于提高混凝土產(chǎn)品的密度，并改善其抗?jié)B性。同時(shí)，對(duì)其碳化深度進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明，在28d時(shí)，其碳化深度為0.5mm，說(shuō)明不容易碳化。

3、高性能混凝土施工應(yīng)用

在施工準(zhǔn)備階段，先對(duì)地下一層墻體柱板進(jìn)行檢查，確定鋼筋綁扎、模板施工等符合工藝標(biāo)準(zhǔn)后，采用一次性澆筑方案進(jìn)行施工。本項(xiàng)目的組織設(shè)計(jì)中，以項(xiàng)目經(jīng)理領(lǐng)導(dǎo)，成立了高性能混凝土質(zhì)量控制小組。并開(kāi)展了動(dòng)員大會(huì)，對(duì)澆筑施工技術(shù)專題相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行了講解。進(jìn)入高強(qiáng)砼澆筑施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)后，先進(jìn)行了清理工作，復(fù)核了澆筑要領(lǐng)。確定柱墻澆筑用量為450m3。

在澆筑施工階段，先用同成份的砂漿對(duì)泵管進(jìn)行了濕潤(rùn)處理，并配置了備用減水劑，預(yù)防不同澆筑階段坍落度不達(dá)標(biāo)時(shí)，能夠通過(guò)添加減水劑進(jìn)行及時(shí)處理。具體澆筑方法，以分層澆筑為準(zhǔn)。每層澆筑厚度控制在50cm到60cm范圍之內(nèi)。設(shè)備采用拖式泵、混凝土布料機(jī)，用泵管進(jìn)行連接。以一個(gè)澆筑段為單元，擺放布料機(jī)。按照澆筑順序，從基礎(chǔ)一直澆筑到剪力墻、柱、梁，直到與梁板頂面通高時(shí)停止作業(yè)。振搗作業(yè)時(shí)，按照泵送形成的自然坡度，完成均勻振搗，要求以“快插慢拔”、“行列式”、“交錯(cuò)式”進(jìn)行操作。振搗插棒間距控制在40cm到50cm范圍，每點(diǎn)振搗時(shí)間控制在15s到30s之間。

在養(yǎng)護(hù)階段，首先根據(jù)水泥用量（475kg）、中柱尺寸（1200×1200mm），預(yù)測(cè)裂縫風(fēng)險(xiǎn)。再按照混凝土最高水化熱溫升計(jì)算公式Tmax=Mc×Q/（C×p）進(jìn)行計(jì)算，其中，C=0.96，p=2400，Q=461，Mc=475kg，代入公式結(jié)果為95.04℃。再根據(jù)不同齡期的水化熱溫升值計(jì)算結(jié)果（3d、6d、9d時(shí)溫度分別為39.92℃、29.46℃、18.06℃），加上施工作業(yè)時(shí)的溫度25℃，可以得到3d、6d、9d時(shí)的混凝土內(nèi)部中心溫度分別為64.92℃、54.46℃、43.06℃。此時(shí)，以模板施工方式為準(zhǔn)，針對(duì)每一組合鋼模板進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)，主要通過(guò)加保溫層的辦法。測(cè)溫孔設(shè)置，以三根斷面最大柱為準(zhǔn)。拆模后的養(yǎng)護(hù)主要以塑料薄膜覆蓋、包裹、噴灑養(yǎng)護(hù)液為主，養(yǎng)護(hù)時(shí)間共計(jì)14d。

4、高性能混凝土應(yīng)用中的注意事項(xiàng)

從應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)看，雖然高性能混凝土在框架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用環(huán)節(jié)，已經(jīng)證實(shí)了它的自密實(shí)性、工作性、高耐久性、體積穩(wěn)定性，以及較長(zhǎng)的使用壽命。但是，在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，若要較好的發(fā)揮出高性能混凝土的此類特征中具備的功能及作用，使其在應(yīng)用后產(chǎn)出綜合效益。仍然需要對(duì)其應(yīng)用環(huán)節(jié)的諸項(xiàng)技術(shù)質(zhì)量進(jìn)行全要素分析，進(jìn)而在完善技術(shù)質(zhì)量控制指標(biāo)的條件下，保障其比較優(yōu)勢(shì)的有效發(fā)揮。具體注意事項(xiàng)如下：

首先，高性能混凝土的造價(jià)相對(duì)較高、管理要求較多，按照一般的市場(chǎng)價(jià)格與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)看，比普通混凝土的造價(jià)高1/2左右。而且，對(duì)于原材料的質(zhì)量要求也表明，應(yīng)該將其中的水泥、集料粒徑、摻料、外加劑等進(jìn)行嚴(yán)格控制。例如，在本項(xiàng)目中，就按照質(zhì)量體系管理標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格對(duì)上述原材料的構(gòu)成要素進(jìn)行了嚴(yán)格篩選與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。這種細(xì)化原材料質(zhì)量控制指標(biāo)的辦法，可以較好的控制高性能混凝土成本投入，保障在高價(jià)格下的高性能優(yōu)勢(shì)。

其次，在高性能混凝土使用過(guò)程中，施工早期不能排除因混凝土收縮導(dǎo)致開(kāi)裂的問(wèn)題?，F(xiàn)階段，對(duì)于高性能混凝土的研究成果表明，在水膠比方面，高性能混凝土本身即低于常規(guī)混凝土。因而，在預(yù)防施工早期開(kāi)裂問(wèn)題時(shí)，應(yīng)該在水膠比優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用細(xì)摻料、超塑化劑之類的輔助性材料，增加高性能混凝土的性能優(yōu)勢(shì)。另一方面，施工早期混凝土開(kāi)裂主要由收縮引發(fā)，而收縮的原因來(lái)自蒸發(fā)與水化。此時(shí)，需要按照實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法，對(duì)試塊內(nèi)的相對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)。待證實(shí)其干縮性滿足需求時(shí)，再進(jìn)行配料應(yīng)用。例如，水膠比為0.26的高性能混凝土中，添加硅灰（10%）、萘系超塑化劑（1.8%）后，在3個(gè)月、6個(gè)月、1年中的相對(duì)濕度百分比呈現(xiàn)為持續(xù)降低狀態(tài)，分別達(dá)到了75%、72%、69%。但是，在6個(gè)月時(shí)的總收縮率往往不大于常規(guī)混凝土。因而，應(yīng)該按照施工后不同階段的水化情況及收縮率，加強(qiáng)對(duì)高性能混凝土的早期養(yǎng)護(hù)。尤其是自收縮方面，水膠比越小、自收縮越大。在這種條件下，加強(qiáng)“自養(yǎng)護(hù)”相對(duì)重要。建議在高性能混凝土的養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)，從摻入料與外加劑方面，做好試驗(yàn)檢測(cè)，確保在添加適量的粉煤灰與膨脹劑，以及保水外加劑的條件下，提高高性能混凝土的自養(yǎng)護(hù)能力。

除以上造價(jià)控制與開(kāi)裂預(yù)防方面的注意事項(xiàng)外，當(dāng)前在高性能混凝土配合比環(huán)節(jié)，已經(jīng)從工程質(zhì)量檢測(cè)的角度，配套設(shè)置了性能評(píng)價(jià)方案。因而，在針對(duì)原材料性能實(shí)施單一化評(píng)定的同時(shí)，應(yīng)該借助軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，開(kāi)發(fā)一些能夠?qū)ζ淠途眯?、其它性能進(jìn)行全面檢測(cè)評(píng)定方案。

結(jié)語(yǔ)：

總之，通過(guò)使用配套性的綜合措施后，本項(xiàng)目中的高性能混凝土應(yīng)用比較成功。也為后續(xù)的高性能混凝土在框架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用積累了一些有效經(jīng)驗(yàn)。建議在后續(xù)的高性能混凝土應(yīng)用過(guò)程中，盡可能在配合比設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，加強(qiáng)對(duì)砂率的實(shí)驗(yàn)研究，盡可能根據(jù)不同砂率下的粗骨料使用量、坍落度等進(jìn)行細(xì)致分析，提高配合比設(shè)計(jì)時(shí)的精準(zhǔn)度等。

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