C40泵送顶升自密实微膨胀钢管混凝土的配制与施工11
C40泵送顶升微膨胀自密实钢管混凝土的配制与施工
牛永胜，沈骥，谷少东
（合肥天柱包河特种混凝土有限公司，合肥230051）
摘要：通过对混凝土原材料的优选和配合比的优化，配制出C40泵送顶升微膨胀自密实钢管混凝土。介绍了混凝土顶升施工工艺，并成功使用汽车泵完成混凝土顶升灌注施工，经检测所灌注的C40自密实微膨胀混凝土满足设计、施工要求的各项性能指标。
关键词：泵送顶升施工；自密实钢管混凝土；配合比；汽车泵
中图分类号：TU528.55文献标识码：A
Preparation and construction of the lifting-up pumping of C40 Micro-expansio and self-compacting concrete filled steel tubes
NIU Yongsheng, SHEN Ji,GU Shaodong
(Hefei Tianzhu Baohe Special Concrete Co., Ltd. , Hefei, 230051,China)
Abstract: It was prepared of C40 lifting-up pumping micro-expansion self-compacting concrete filled steel tubes by selection of raw materials and optimization of mix proportion of concrete. Technology of lifting-up construction concrete is also introduced, and we have successfully completed the construction of lifting-up pouring of concrete by auto pump. It was found that C40 lifting-up pumping micro-expansion self-compacting concrete was met the design and construction requirements of the performance indicators.
Keywords: lifting-up pumping construction, self-compacting concrete filled steel tubes, mix proportion, auto pump
0 引言
钢管混凝土（Concrete Filled Steel Tubes,简称CFST）是指在钢管中填充混凝土而形成的构件，是套箍混凝土的一种特定形式，兼有钢结构和混凝土结构的优越性能。钢管混凝土充分利用了混凝土受压性能好和钢管韧性、塑性好的优点，使管内混凝土处于三向受压状态，充分发挥了混凝土的作用，提高了结构构件的承载力和抗震能力。
目前，钢管柱芯混凝土浇筑方式主要有三种[3]：一是手工浇捣法。这种方法施工速度较慢，且施工组织复杂，振捣工作繁重，在早期的钢管混凝土施工中应用比较普遍；二是高位抛落免振捣法。利用混凝土从高空顺钢管下落的动能，达到混凝土密实的目的，可免去或减轻繁重的振捣工作，但此方法适用于管径不小于300mm，高度不小于4m的情况，而且容易造成核心混凝土不连续，整体性差，不易排气等缺点；三是泵送顶升浇筑法。该方法利用混凝土输送泵的泵送压力使自密实混凝土从柱根向上顶升逆向浇筑，直至注满整根钢管柱。这种方法利用泵送压力和混凝土的重力使柱芯混凝土自密实，从而免去了繁重的振捣工作。
1 工程背景
合肥某叉车有限公司重型压力机装配1#厂房工程，建筑面积12333m2。装备车间为两跨33.2m+27m。其中33.2m跨设有两台Q=260t/30t，轨高22m 的桥式吊车。主体结构采用双肢钢管混凝土组合柱结构（如图1所示），纵向柱距最大25m，共有39榀双肢钢管混凝土组合柱需要浇注C40混凝土，每榀钢柱由2根φ600310mm（厚度）的钢管焊接而成，其中26榀浇灌高度为33.2m，其余 13榀浇灌高度为27m。
2 自密实微膨胀钢管混凝土的配制
2.1 自密实微膨胀混凝土技术性能要求
该工程钢管混凝土设计为C40微膨胀自密实混凝土，采用泵送顶升罐注施工方法。因此，混凝土应具有良好的可泵性；柱芯混凝土密实度对钢管混凝土构件的力学性能有显著影响[4]。因此，混凝土应具有良好的填充性；
图1 钢管混凝土柱组合结构
组成钢管混凝土的钢管及其柱芯混凝土间的协同互补作用是钢管混凝土具有一系列突出优点的根本原因，钢管与柱芯混凝土的粘结强度直接影响了钢管混凝土的性能[4]。因此，混凝土应具有收缩补偿性。
2.2原材料选用
⑴水泥：选用安徽润基牌P.O42.5级水泥。标准稠度用水量27.0%，抗
压强度3d 26.3 MPa，28d 45.3 MPa。
⑵粉煤灰：选用淮南一电厂产Ⅰ级粉煤灰。细度12%，需水量比94%，
28d活性指数76%。
⑶砂：选用霍山河沙。细度模数为2.5的Ⅱ区中砂，小于0.075mm的细
粉含量1.3%，表观密度2690kg/m3。
⑷石子：选用巢湖散兵碎石。粒径为5～20mm连续继配的碎石，针片状
含量为3.5%，表观密度2860kg/m3，含泥量0.5%。
⑸减水剂：选用合肥吉龙化学建材LonS-P型聚羧酸高效减水剂，性能
指标如表1所示。
⑹膨胀剂：选用庐江县冶山混凝土外加剂厂生产的UEA膨胀剂，性能指
标如表2所示。
表1 LonS-P 减水剂性能指标
表2 UEA 膨胀剂性能指标
项目
抗折强度/ MPa 抗压强度/ MPa 限制膨胀率/% 比表面积/（m 2/kg ）
7d
28d 7d 28d 水中7d 水中28d
空气中21d 国家标准 ≥4.5 ≥6.5 ≥25.0 ≥45.0 ≥0.025 ≤0.10 ≥-0.020 ≥250 检测结果
7.6
8.4
27.3
46.6
0.027
0.028
-0.011
348
2.3 配合比设计及性能测试
2.3.1 配合比设计控制要点
⑴选择较小粒径的粗骨料，并尽可能使用较大砂率，严格控制骨料级配曲线，可以提高混凝土的泵送性能，减少混凝土的泌水、离析。 ⑵CECS 203-2006《自密实混凝土应用技术规程》(以下简称规程)推荐在155～180kg 范围内选择用水量。原材料的不同对用水量的影响比较大，应结合原材料和配制强度通过试配最终确定用水量。 ⑶混凝土的密实度对钢管混凝土构件的力学性能影响显著，可以通过掺入粒径较小的矿物掺和料、合理控制骨料级配和调整混凝土含气量等方法来调整控制。
⑷拌合物的保坍、保塑性能对施工和混凝土质量都有较大的影响，应根据运距和施工进度综合考虑保坍、保塑性能。要求骨料含泥量小、掺和料和水泥与外加剂的适应性好、外加剂具有较好的保坍、保塑性能。 ⑸计算初始配合比的水粉比应使之尽量介于0.80～1.15范围，可通过调整单位用水量、矿物掺和料比例来调整水粉比，得到试配配合比。 ⑹参考GB50119-2003《混凝土外加剂应用技术规范》中8.5.2第四条要求，填充用混凝土膨胀剂参量不宜大于15%，不宜小于10%。根据试
验选择UEA 膨胀剂的最佳的掺量。 采用绝对体积法，参考相关配合比设计方法
[5-7]
，按照规程中介绍的步骤进
行计算，经试配优化后的到配合比如表3所示。 2.3.2 C40自密实微膨胀混凝土性能测试
参考规程，自密实混凝土的性能特征及测试方法如表4所示，自密实混凝土相关指标标准规定值如表5所示，C40自密实微膨胀混凝土测试结果如表6所示。
表4 自密实混凝土的性能特征及测试方法 表3 C40自密实微膨胀混凝土配合比
材料名称 水泥
粉煤灰
砂
石子
膨胀剂
水
减水剂
含气量
总量
水胶比
水粉比
砂率 /% 质量用量/kg 384
96
734
950
58
180
8.2
2.7%
2413
0.38
0.98
44
体积用量/L
122
41
273
332
18
180
8
27
1001
表5 自密实混凝土相关指标标准规定值
表6 C40自密实微膨胀混凝土测试结果
通过表5和表6可知，该C40自密实微膨胀混凝土达到Ⅱ级自密实等级的要求。
3 现场施工
3.1 泵送设备合理选型
目前混凝土泵送设备主要有泵车、拖泵和车载泵三种类型。混凝土泵
车与混凝土托泵和车载泵相比，具有自动化程度高、在布料范围内多角度灵活移动和无需拆接泵管等优点。因此，选用泵车可以大大提高施工效率，减少了混凝土在施工现场等待的时间。但是，泵车的最大出口压力一般小
于固定泵，满足不了高压力损失情况下的泵送要求，因此施工前测算混凝土泵的最大泵送距离或最大泵送高度，以判断其能否满足工程泵送施工要求，是混凝土泵选型的一项重要工作。
混凝土在泵送过程中的压力损失主要有以下三个方面： ①混凝土垂直高度方向因重力产生的压力，P 1。 ②混凝土经过弯管及锥管的局部压力损失,P 2。 ③混凝土输送管道流动的沿程压力损失, P 3。 其中：P 1= ρgH =241339.8333.2=0.78MPa
根据《混凝土泵送施工技术规程》（JGJ/T –95）推荐混凝土泵送的换算压力损失，如表a
表a 混凝土泵送的换算压力损失
管件名称 换算量 换算压力损失（MPa ）
水平管 每20m 0.10 垂直管 每5m 0.10 90°弯管 每只 0.10 管道管卡 每只 0.10 管路截止阀 每个 0.80 3.5m 软管
每根
0.20
P 2=0.10+0.80+0.1032+0.20=1.3MPa （90°弯管一只，管路截止
阀一个，管卡两只，3.5m 软管一根）
根据《混凝土泵送施工技术规程》（JGJ/T –95）推荐的计算方法，如式（1）、（2）：
/max max L P P
=? （1）
22112220
1t P K K V a H r t ?=
++??
???? ????
? （2）
K 1=(3.00-0.1S 1)2102
K 2=(4.00-0.lS 1)2102
式中：L max —混凝土泵的最大水平输送距离（m ）； P max —混凝土泵的最大出口压力（Pa ）；
P
H
?—混凝土在水平输送管内流动每米产生的压力损失(Pa/m )；
r 0—混凝土输送管半径（m ），取0.29； K 1—粘着系数（Pa ）； K 2—速度系数（Pa/m/s ）；
S 1—混凝土坍落度(cm )，取18；
21
t t —混凝土泵分配阀切换时间与活塞推压混凝土时间之比，取
0.3；
V 2—混凝土拌合物在输送管内的平均流速(m/s )，取0.05； a
2—径向压力与轴向压力之比，取0.90。 由式（2）经计算，得出每米水平管道的压力损失为：
P
H
?=833.59Pa/m
由式（1）和表1可得 P 3=0.0008434333.2=0.11MPa 则总压力损失：
P=P 1+P 2+P 3 =0.78+1.3+0.11=2.19MPa
所选用的中联重科ZLJ5401THB125-46型泵车，其混凝土最大出口压力：
P max =6.5MPa ＞2.19 MPa
根据计算结果，中联重科ZLJ5401THB125-46型泵车的泵送能力能够满足该工程的要求
3.2 顶升施工技术要点
⑴在钢管混凝土柱底部适当位置开一个直径略大于125mm 圆孔作为浇筑孔，焊接用于与输送泵管连接的输送短管（如图2所示），输送泵管与输送短管之间通过一根软管连接，为方便软管与输送短管的连接，输送短管的直径应与输送泵管相同（可用合适的废旧泵管切割而成）。加工制作截止阀、单向阀（如图3所示）所采用的钢材、焊接材料应符合《钢结构工程施工质量验收规范》的规定，开启、关闭灵活。
⑵浇筑前检查并清理钢柱钢柱内的杂物、积水。为确保每根柱都连续浇灌，应提前计算好每个柱需要灌注混凝土的方量，防止因施工现场混凝土不足造成顶升中断。合理供料避免混凝土运达施工现场后等待时间过长导致混凝土性能指标降低。
⑶每车混凝土灌注前都要检测坍落度和扩展度，包证泵送前混凝土的坍落度在18～23cm 内，达不到指标要求的混凝土不能进行灌注施工。
⑷在泵送顶升过程中，严禁反泵。泵送时，料斗内混凝土不得少于其容量的2/3，以避免在泵送过程中吸入空气。泵送顶升速度不易过快，宜使用小
排量泵送，当钢管柱顶部浮浆排完后，应停泵约5min 左右，让混凝土沉降充分后再次泵送使混凝土注满钢管柱，稳压1min 然后关闭截止阀，即可拆除输送泵管。灌注完毕后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。
⑸混凝土灌注完毕后应立即使用塑料薄膜包裹柱顶混凝土，待混凝土终凝后蓄水养护。混凝土强度达设计强度的60%左右时即可割去焊接短管，并焊接封口钢板。
⑹由于某种原因导致混凝土顶升一部分后无法再泵送顶升时，通过敲击确定已浇筑混凝土的位置，当混凝土上表面到该灌注孔的距离大于5m 时，可以采用在已浇筑混凝土面上再开灌注孔继续泵送施工，当距离小于5m 时应采用分层振捣浇筑法施工。
图2 输送短管与截止阀
图3 输送短管、截止阀及单向阀剖面图
图2 单向阀
3.3 施工现场钢管混凝土检测
该工程钢管混凝土质量检测主要采用3种方法联合检测：①敲击法全面检测；②对敲击有疑问的进行钻孔检测；③超声波无损抽样检测。对存在空隙或蜂窝的位置全部进行压浆处理，并复查密实为止。超声波检测共抽查6榀，柱芯混凝土均匀、密实，混凝土与钢管壁胶结良好。
4钢管混凝土泵送顶升法施工的特点
采用泵送顶升法施工，在混凝土灌注过程中不需振捣，可节省大量的人工和机械；由于混凝土从根向上顶升逆向灌注，利用泵送压力和混凝土自重达到密实，比传统的施工工艺浇灌更加密实、均匀，并比较好的杜绝了采用高位抛落法在变肢距处出现离析、烂根等质量通病；钢管混凝土柱33.2m 高一次顶升浇筑完成，加快了施工进度，工期效益显著。
5 总结与建议
⑴把好各种原材料质量关、优化配合比是成功配制C40自密实微膨胀钢管混凝土的首要关键，而现场控制混凝土的坍落度和扩展度是泵送顶升成功的关键。
⑵所设计C40自密实微膨胀混凝土达到Ⅱ级自密实等级的要求，同时满足设计、施工要求的各项性能指标，采用泵送顶升施工工艺，能够安全顺利的进行施工，经检测，柱芯混凝土均匀、密实，混凝土与钢管壁胶结良好。
⑶所选用的ZLJ5401THB125-46型混凝土泵车满足施工要求，一次将混凝土顶升到要求位置。因混凝土泵车具有自动化程度高、灵活方便等特点，提高施工效率同时减轻了劳动强度。
⑷虽然顶升工艺对混凝土的性能要求较高，但施工速度快、综合成本低，浇筑质量好，非常适合于钢管混凝土结构尤其是内部结构复杂的钢管混凝土结构施工。
⑸钢管混凝土有外包钢管及其核心混凝土共同组成，柱芯混凝土被外围钢管所包覆，质量问题隐蔽，造成混凝土浇筑质量控制的难度较大，因此从配合比设计到钢管混凝土结构验收合格的过程中每个环节都应引起足够的重视。
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