C60~C80HPC在广州东塔
超高泵送的工程应用
覃善总 1，庾明锋1，李桂青2，华星耀2，吴文2
（1,广州天达混凝土有限公司，广东广州，510000； 2，广东柯杰科技实业有限公司，广东佛山，528241 )
摘要：本文主要介绍高性能减水剂的主要性能，及其使用混凝土常规优质材料与生产设备，配制出优质的C60~C80高性能混凝土（HPC）约14万多立方米，在建筑高度530米的广州东塔应用。特别是C80高强混凝土等级高、混凝土收缩大、水化热大、混凝土容易开裂等问题，我们通过选择优质外加剂与较佳配合比、提高混凝土掺合料用量等手段，解决了以上问题，并成功应用到广州特大型项目中，取得高强度、高工作性、高耐久性与低水化热、低收缩等显著的技术效果、经济效益与社会效益。
关键词：高性能减水剂(KJ-JS)；C60~C80高性能混凝土(HPC)；广州东塔；超高建筑530米；超高泵送；工程应用
0 前言
随着科学技术和超高建筑施工技术的发展，世界各地具有地标性质的超高建筑如雨后春笋般涌现。据不完全统计，至2018年初已建成或封顶的高于400米的超高建筑(楼或塔)工程项目，全球约有25项，其中中国(含港、澳、台)约有17项(其中广东的广州3项，深圳2项，共5项)，占全球近七成。它们不但体现了当地经济的发展水平，而且代表了当代建筑技术的最前沿，其中高性能混凝土的配制技术与超高泵送技术更是其技术难点之一[ 1]。
在530米高的广州周大福金融中心(广州东塔)工程中，使用常规的混凝土优质材料和生产设备，配制C60~C80高性能混凝土。特别是C80高性能混凝土已在主体结构，带伸臂桁架的巨型框架—核心筒结构等应用，取得显著的技术效果、经济效益与社会效益。
现将工程概况与主要关键技术、KJ-JS高性能减水剂的主要性能、C80HPC的试验与C60~C80HPC的工程应用等情况介绍如下：
1 工程概况与主要关键技术
1.1 工程概况
由周大福集团投资、中国建筑第三、四工程局有限公司联合体总承建、广州市天达混凝土有限公司供应混凝土的广州周大福金融中心(CTF Financial Center)，规划名为广州东塔(文中使用该名)，位于珠江新城CBD中心地段，530米的总高度位列目前广州第一、中国第五、世界第八。2009年9月开工，2016年12月正式竣工。
广州东塔占地2.645万平方米，塔楼建筑屋顶标高为530米，结构高度为518米，共116层，地上111层，地下5层，地上裙楼8层，总建筑面积50.77万平方米。
塔楼结构概况：
结构形式为钢—混结构。塔楼主体结构由内部核心筒(内嵌钢扳/ 型钢) 、外框筒8根巨柱、连接巨柱的6个空间环桁架及4个伸臂桁架共同形成带加强层的框架筒体结构[2]、[3]。
- 1.2 主要关键技术
该超高层塔楼结构，带伸臂巨型框架—核心筒结构复杂、混凝土强度等级高、耐久性要求高、超高泵送施工难度大、养护困难等。核心筒部分混凝土强度等级主要为C80。高强高层混凝土的施工存在以下问题：一是混凝土强度等级高，容易产生开裂；该工程要求安全使用100年，对混凝土耐久性能要求更高。二是混凝土超高层泵送，工作性能要求高，故需采用C60~C80HPC。
配制高性能混凝土，高性能减水剂是必不可少的关键材料。
2 聚羧酸高性能减水剂KJ-JS的主要性能简介：
带伸臂巨型框架—核心筒结构使用C60~C80高性能混凝土。高性能混凝土对高性能减水剂的要求极高，故选用已在广州西塔 (高440.75米，用C60~C100HPC)、广州新电视塔 (总高600米，结构高度454米，用C45-C80HPC)，以及深圳京基-100 (高441.8米，用C60-C80HPC)中成功超高泵送应用的聚羧酸高性能减水剂(KJ-JS)及其技术产品。
2.1 KJ-JS高性能减水剂的主要性能：
掺量少，减水率高。一般掺量为0.1%~0.4%(含固量计，下同)，常用掺量为0.15%~0.25%。当掺量达0.2%~0.4%时，混凝土减水率可大幅度增加(可达40%)，强度也可显著提高(早期30%~140%，后期30%~80%；坍落度损失小，和易性、粘聚性、可泵性好；可掺大量活性掺合料。
KJ-JS高性能减水剂产品质量优良、稳定。按GB8076-2008标准要求(HPWR-R)，应用期间(2012-14年)省质检站的抽检报告结果见表1 。特别适应于配制高性能混凝土、自宻实混凝土(免振)、超高泵送混凝土。
2.2 KJ-JS配制C50~C100HPC试验：
用KJ-JS与常规材料配制C50~C100高强高性能混凝土进行了探索性试验。
主要材料：用粤秀Pll42.5R水泥；黄埔电厂Il级粉煤灰；韶钢S95矿渣粉；挪威硅灰；基本上都是采用II区的中砂；5~25mm的碎石，其中C100的采用5~20mm的碎石，针片状少。
试验结果见表2
试验结果表明掺20%~35%的掺合料与KJ-JS可配制出合格的C50~C100HPC[4]。
0 广州东塔高性能混凝土的配制
由于主塔楼结构是带伸臂桁架的巨型框架—核心筒结构复杂、混凝土强度等级高、耐久性要求高、超高泵送施工难度大、养护困难等；特别是核心筒在首层~29层墙体内设有双层劲性钢板内外、底板~32层的巨型柱和L68以下外框筒巨柱内灌注C80高性能混凝土，这为高性能混凝土的选材与配合比设计，特别是强度、耐久性要求和超高泵送施工匹配的配比，对如何解决相互之间的矛盾，提出了更高的要求。
3.1试验及生产应用的原材料：
由于混凝土强度等级高，原材料各项性能指标必须满足相关技术规范要求。
3.1.1 水泥（C）：
是混凝土强度的主要来源。用广州水泥厂生产的金羊PII52.5R水泥，其细度细、后期强度增长高，水化热低及与外加剂适应性强等特点。
3.1.2 粉煤灰（FA）：
优质粉煤灰是获得高性能混凝土、提高耐久性能的主要手段之一。用福建大塘生产的I级粉煤灰，其质量波动较小，含水率一般不超过1.0%，烧失量小于3%，还具有良好的和易性和较缓的凝结特点，可减少离析、泌水现象。
3.1.3 矿粉（BFS）：
具有较高的活性，以改善混凝土的各项工作性能，特别是耐久性有很大帮助，用韶钢生产的S95级矿渣粉。
3.1.4 微珠（MB）：
微珠是从优质粉煤灰里再经过筛选出来的更细、玻璃微珠更多的更优质材料，其能极大的改善混凝土工作性，是混凝土中最优质的一种掺合料，用武汉生产的微珠。
3.1.5 砂（S）
由于生产高性能混凝土，选用西江中砂，其级配好、洁净、细度适中（细度模数在2.7~2.9之间）。
3.1.6 碎石（G）
用博罗顺达石场5〜20mm连续级配的反击破花岗岩碎石，其粒形较好，几乎看不见针片状颗粒，而且级配较理想，捣实体积密度可达1.73g/cm3，因此用水量较低，有利于制备高性能混凝土。
3.1.7 外加剂（KJ-JS）：
选用广东柯杰科技实业有限公司生产的高性能减水剂KJ-JS，其性能指标详见前述。
3.2 混凝土配合比试验
针对东塔工程对C60~C80HPC严格的技术要求与大量需要，做了大量的配合比试验，选择优良外加剂、掺合材料与较佳配合比的确定等。由于篇幅关系，现仅选择C80HPC介绍如下：
3.2.1 以C80HPC为代表的配合比：
注: 1. NO1没有用微珠 ,
2.NO2，NO3均用微珠，但用量不同,
3.NO3，NO4均用微珠，但水泥用量不同，
4. NO4与NO5材料用量相同，但外加剂不同。
3.2.2 试验结果
(1) 电通量和氯离子扩散系数
对试验的C80HPC56天的电通量≤500库仑/6h ；根据实测氯离子扩散系数1.235747×10-8cm2/s。
(2) 抗硫酸盐腐蚀
按美国ASTMC1202标准，2.5×2.5×28.5cm的试件，在硫酸盐溶液中浸泡14周，膨胀率≤0.5% ，具有很高的抗硫酸盐腐蚀性能。
(3) 碱-骨料反应
C80高性能混凝土中，只有320kg/m3水泥，而微珠、粉煤灰、矿粉总量≥260 kg/m3，抑制碱骨料反应是完全可行的。
(4) 抗裂性能(断裂能)
C80高性能混凝土在生产施工过程中，由于水化热低，自收缩及早期收缩小，降低了早期收缩开裂，对硬化混凝土检测断裂能时，普通C80混凝土的特征长度40.9 cm，而C80高性能混凝土的特征长度达59.5 cm，提高了40%左右。
3.2.5 结论
（1）通过控制胶凝材料的数量与质量，以及混凝土的合理配合比，比较容易的配制高性能混凝土；
（2）由于使用KJ-JS高性能减水剂，提高了掺合料用量，混凝土的工作性及力学性能、耐久性能都得到较大改善；
（3）通过降低水泥用量，釆用低发热量的掺合料，微珠和粉煤灰；可降低混凝土的绝热温升≤78℃。
通过重复验证及其他试验，配方4均能满足高工作性、高强度、高耐久性和低水化热、低收缩等技术与施工要求。
该配方具有稳定性和可操作性，完全可以应用到工程实际中。
4 C60~C80HPC在广州东塔工程超高泵送实际应用
混凝土配方基本确认后，于2012年8月C80~C60HPC正式应用到广州东塔工程项目中。
- 4.1 混凝土生产工艺
- 4.1.1 原材料投料顺序：
先下砂、水泥、粉煤灰、矿粉、微珠等粉料，搅拌15s后，再加水和外加剂搅拌60-90s后，再下碎石搅拌90-120S，这样保证混凝土的均匀性。
- 4.1.2 混凝土生产设备：采用公司日常生产使用的混凝土搅拌机
- 4.1.3 混凝土性能观察及调整：在混凝土生产过程中要不断观察混凝土的性能变化，以便及时调整。
- 4.2 混凝土取样、检测内容：
- 4.2.1 取样：混凝土充分搅拌均匀后，即可取样，取样数量为300L；
- 4.2.2 测温：用电子测温仪或水银温度计进行测温，并做好记录；
- 4.2.3 混凝土工作性能检测：检测混凝土的出机坍落度、扩展度、倒筒时间、目测混凝土是否有泌水及抓底现象；测混凝土水化热、容重。
- 4.2.4 抗压强度试件（150×150）试模：龄期分别为3d、7d、28d、60d、90d
- 4.2.5 收缩试验：全部做接触式混凝土收缩试验。
- 4.2.6 弹性模量试验：按批次做试件1组（6 块）（100×100×300）
- 4.2.7 劈裂抗拉试验：按批次做试件1组 （100×100×100）
- 4.2.8 电通量及Cl-扩散系数：按批次做试件1组
- 4.2.9 抗硫酸盐腐蚀：按批次做试件1组
- 4.2.10 耐火性能
- 4.3 泵送设备
选用三一重工，HBT90CH-2150D超高压泵，其泵送混凝土20万立方米中，C60HPC~C80HPC约14万多立方米，占20万立方米总量的七成多。泵送工作稳定，运转正常，泵送性能完全能够满足工程要求。
4.4 混凝土现场抽查检测
C60~C80HPC运输到现场后，在现场对混凝土进行工作性能检测，检测主要内容为坍落度、扩展度、倒筒时间等；工作性能、各项力学性能及耐久性指标等均完全满足设计与施工要求。在此仅介绍C80、C70、C60HPC的强度统计。
4.4.1 C80HPC的强度统计：C80高性能混凝土于2012年8月开始应用，至2013年11月23日结束，历时1年多时间，从地面至320米，C80HPC使用量约8万立方米，混凝土抗压试件各齡期试件总数近4000组，其统计结果如表4-1:
其它力学及耐久性能指标也完全满足设计要求。
4.4.2 C70HPC的强度统计：C70HPC使用量约3000立方米，泵送高度约为325米至340米高。混凝土抗压各龄期试件总数为35组，统计结果如表4-2：
4.4.3 C60HPC的强度统计：C60HPC使用量约6万立方米，泵送高度约为345-530米。混凝土各龄期试件总数约500组，统计结果如表4-2
4 结束语
- 1 C60~C80高性能混凝土在广州东塔工程泵送高度为530米，使用量约14万多立方米，取得显著的技术效果与经济效益，为超高泵送施工积累了宝贵经验。
- 2 KJ-JS性能优良、质量稳定，可大量掺用活性掺合料(30~40%)；通过试验选择较优配合比，选用优质高性能减水剂与掺合料，并提高掺合料用量，改善混凝土的工作性能及力学性能，取得高强度、高工作性、高耐久性、低水化热、低收缩等显著技术效果。
- 3 使用C80HPC 强度高、弹性模量大，可减少结构尺寸（墙体厚度与巨柱截面），减轻结构自重，从而增加建筑使用面积和减小地震力。与C60混凝土相比，强度提高了约30%，弹性模量增大5.6%。用在墙体中，可有效提高墙体承载力，将最大墙厚由1800mm减为1500mm；用在巨柱中，可增大柱的轴向刚度和结构侧向刚度[3]。
- 4 在主结构中大量使用C60~C80高性能混凝土，是普通C30~C40混凝土强度的两倍，可节省混凝土的体积，不但可节材料、节能源和人力成本、充分利用矿物掺合料，还可增加建筑物的使用面积和空间，是一种节能、环保的绿色混凝土，经济效益与社会效益显著。
[参考资料] ：
[1] 徐立斌、叶浩文等，“高性能混凝土的配制及其超高泵送技术在超高层建筑中的应用简介”，《混凝土》；2012.08
[2] 叶浩文，“广州周大福金中心(东塔)施工关键技术”，2013.09.26
[3] Arup,赵宏等，“八柱巨型结构在广州东塔超限设计的工程应用”，《建筑结构》第42卷，第10期，2012年
[4] 柯科杰、李桂青等，“配制C20~C100高性能混凝土的试验与在广州西塔等应用”，《超高层混凝土泵送与超高性能混凝土技术的研究与应用国际研讨会》（中文版），2008年4月22-23日，P142-200
作者简介：覃善总（1976--）男（汉族），广东广州人，总工，高级工程师，主要从事混凝土技术研发工作。