双层劲性钢板剪力墙结构中高强混凝土施工工艺的研究与应用

 叶浩文1，邹  俊1，孙  晖2，冯伟东2，李  杰2

 （1．中国建筑股份有限公司，北京  100037；2．中国建筑第四工程局有限公司，广东广州  510000）

[摘要]创新研发了一套适用于双层劲性钢板剪力墙高强混凝土的施工工艺，并创新研发具有低发热量、低收缩、高强度、高保塑、高泵送、自密实、自养护特点的高适应性绿色混凝土，以及“少穿墙上下对锁大钢模板”，确保了高强混凝土与双层劲性钢板协同工作，避免了裂缝的产生，满足了超高层建筑施工需求。

[关键词]高层建筑；钢板剪力墙；高强混凝土；裂缝；力学特性；施工技术

[中图分类号]TU528  [文章编号]1002-8498(2016)12-0015-04

 对于超高层建筑而言，双层劲性钢板剪力墙是一种全新的结构形式，墙体厚度一般为1 200~1800mm，双层钢板间距600~800mm，钢板外侧有栓钉，混凝土强度等级不超过C50。双层劲性钢板剪力墙搭配高强混凝土适用于500m以上超高层核心筒墙体。

1  双层劲性钢板剪力墙高强混凝土施工难点分析

 1)强约束以致出现裂缝  结构浇完混凝土后，由于钢板及钢板外栓钉、埋件的强约束，混凝土的收缩全部集中于墙体表面，高强混凝土体积稳定性差、早期强度低，极易从墙体表面向内发展裂缝。

 2)高强混凝土特性与双层劲性钢板剪力墙施工要求存在诸多矛盾  如高黏度与泵送良好流动性能需求的矛盾，保塑性能差与泵送高保塑需求的矛盾，早期剧烈水化反应与低热需求的矛盾，收缩率极高与双层劲性钢板剪力墙结构体系强约束的矛盾，凝结速度快、流动性差与结构内构件密集、浇捣困难的矛盾，养护需求与养护困难之间的矛盾。

3)模板施工困难对于双层劲性钢板剪力墙，常规的对拉螺杆无法施工，而且普通模板对拉螺杆数量多、施工时间长，难以满足超高层施工工期紧、任务重的要求。为此，需要研发一套适用于双层劲性钢板剪力墙高强混凝土的施工工艺，采用具有低发热量、低收缩、高强度、高保塑、自密实、自养护特点的高强高适应性绿色混凝土配以“少穿墙上下对锁大钢模板”施工技术，确保高强混凝土与双层劲性钢板协同工作，并有效避免裂缝的产生。

2  工艺特点

 1)创新研发应用以下性能特点的高强混凝土：①低发热量符合大体积混凝土要求；②超低收缩3d早期收缩控制在0.105‰；③保塑时间高达3h在近600m的密闭管道内承载20MPa压力仍然不离析；④具有自密实、自养护性能。

 2)双层劲性钢板剪力墙结构体系下的高强高适应性绿色混凝土，采用内外腔先后浇筑的施工方法，使内外腔大体积混凝土发热高峰错峰出现，有效避免厚大墙体温度裂缝的产生。

 3)创新采用“内浇外绑”同步施工工艺，双层劲性钢板剪力墙腔内混凝土浇筑与腔外钢筋绑扎同步进行，提高了施工效率，节省工期。

 4)首次提出适用于双层劲性钢板剪力墙高强高适应性绿色混凝土的收缩性能指标——混凝土3d早期收缩0.3%0，可以避免高强混凝土在双层钢板墙约束结构施工时产生裂缝。

 5)首次提出高强高适应性绿色混凝土的生产和泵送施工的关键预判指标，为高强混凝土的施工质量控制提供宝贵的参考依据和数据支持。

 6)创新研发应用“少穿墙上下对锁大钢模板”，解决双层劲性钢板剪力墙模板对拉螺杆无法对穿和普通钢模板平面外刚度低的核心问题。

3  工艺原理

 1)应用高强混凝土超低收缩组合技术  试验中逐渐降低水泥和矿粉的比例，增加粉煤灰及微珠组分，控制混凝土早期收缩。采用沸石粉作为自养护粉体掺入胶凝材料体系中，通过沸石粉与拌合水的吸附和释放，提供内养护水源，减少高强混凝土早期水化过程的毛细孔壁张力，降低水泥在低水胶比环境下早期水化过程中产生的自收缩值。掺入微膨胀剂，在自养护剂提供充足反应水源的条件下，有效补偿混凝土的早期自收缩。

 2)应用多组分胶凝材料组合技术  利用不同粒径级别的粉煤灰、微珠、矿渣粉形成连续级配的粒子组合，减小胶凝材料粒子间的空隙率，增加强度。利用粉煤灰、微珠和硅粉等在高温成型过程中形成球状的颗粒体，发挥轴承“滚珠”效应，提高混凝土的流动性。

 3)应用多组分复合高效外加剂  利用沸石超细粉作为载体流化剂吸附减水剂，将减水剂在混凝土拌合后一定时间内缓慢释放，使混凝土和易性在3h内不变。低掺量萘系减水剂复配聚羧酸外加剂，可以充分发挥萘系“静电吸附”和聚羧酸高效减水剂的“空间位阻作用”，对混凝土流动性有一定帮助。同时，减水剂分子吸附于超细粉体上，产生“尖劈”点，进一步分散水泥颗粒，有效打开水泥浆体的网状结构，充分释放出自由水，提高减水率。

 4)应用“少穿墙上下对锁大钢模板”  采用空间桁架背楞，大幅提高模板平面外刚度，提高了浇筑完成面平整度，增大对拉螺杆间距，减少对拉螺杆数量，大幅减少了其遇到墙内钢构件需处理的工作量，简化了模板装配及拆除的操作流程。

 5)采用“内浇外绑”同步施工工艺，双层劲性钢板腔内混凝土浇筑与腔外钢筋绑扎同步进行，使内外腔混凝土浇筑间隔约10h，有效错开温升高峰，降低混凝土核心温度。

 6)采用冰屑代替拌合水，一方面降低混凝土入模温度，另一方面，与冰块相比，冰屑分布更均匀，融化快，能与胶凝材料有效接触，参与水化反应。4施工工艺流程（见图1）

5  工艺操作要点

5.1  混凝土材料选择

 1)骨料粗骨料应选用质地坚硬、最大粒径≤20mm碎石。细骨料应选用细度模数为2.6~3.0骨料。

 2)掺和料采用高炉矿渣粉、硅粉和微珠。

 3)外加剂  增稠剂以天然沸石超细粉与微珠按1：(0. 15~0.2)的质量比均匀混合制成，代替常规的甲基纤维素，可实现混凝土的自密实和自流平。减水剂由聚羧酸系高效减水剂和萘系减水剂合理掺配制成。保塑剂采用增稠剂与复合高效减水剂进行复配。自养护减缩剂采用超细沸石粉掺配硫铝酸盐膨胀剂，按1：0.5~1：1复合而得。

5.2验证配合比

 在实验室多次试配，并进行强度试验、工作性能试验、温度检测、压力泌水、自密实性能检测、早期收缩率检测、大机试拌、L形箱试验、小型模拟构件试验。在实验室研究阶段获得低收缩、低发热、高强度、高保塑、自密实、自养护的高强高适应性绿色混凝土后，选取典型的双层劲性钢板剪力墙按施工图制作1：1等尺寸试件进行模拟试验（见图2）。

 腔内预先浇筑完普通混凝土，腔外从墙体两端中部采取分隔措施隔开，采用2种配合比，一侧浇筑普通高强混凝土，另一侧浇筑高强高适应性绿色混凝土，通过对比分析，验证多功能混凝土的优异性能及浇筑施工方法的可行性。

 普通高强混凝土配合比( kg/m3)为：水泥：微珠：矿粉：砂：碎石：水=350:60:150:710:1 015:130，减水剂掺量为1. 5%；高强高适应性绿色混凝土配合比( kg /m3)为：水泥：微珠：粉煤灰：矿粉：自养护剂：膨胀剂：砂：碎石：水= 320: 30:180: 40: 15:8.8：800: 900:  142，减水剂掺量为1.4%。两者均外掺1.5%保塑剂。

 混凝土均由商混站进行生产，并且采用专用的机器制作冰屑，在生产过程中投放冰屑，代替拌合水。对模拟墙进行免振、免养护施工时，在混凝土硬化后，对混凝土的自密实性能、实体温升情况、裂缝情况、自养护强度等进行检测。

 通过事先埋设的温度传感器对混凝土的温升情况进行检测并记录测试结果。进行浇筑试验的同时，对混凝土进行取样，检测并记录混凝土的收缩性能和不同养护制度下的强度发展情况。确认双层劲性钢板剪力墙高强高适应性绿色混凝土等尺寸试件的温度指标符合标准要求、标准试件3d早期收缩<0.3%0，且强度符合设计要求。确认脱模后由高强高适应性绿色混凝土浇筑的混凝土表面光滑平整。

5.3混凝土生产

 混凝土生产过程采用“裹石工艺”。先投放胶凝材料、砂、水、液体外加剂拌制砂浆，待砂浆搅拌均匀后投放粗骨料，最后投放保塑剂。此工艺可提高混凝土强度，同时减少原材料对机械造成的损耗。

 1)腔内混凝土浇筑及腔外钢筋绑扎  双层劲性钢板吊装、焊接完成后，浇筑腔内}昆凝土。根据剪力墙一次施工高度按500~600mm分层浇筑，在下层混凝土初凝前浇筑上层混凝土，以避免产生冷缝。若施工过程中自由跌落高度>3m，需采用串筒或软管等措施辅助下料。在腔内混凝土浇筑的同时绑扎腔外钢筋。钢筋绑扎应符合规范及设计要求。

 2)合模施工  采用“少穿墙上下对锁大钢模板”。该模板技术设计是通过在钢模板背部合理布置钢背楞桁架，大幅提高钢模板的平面外刚度，并有效降低对拉螺杆的排数。穿墙螺杆遇到剪力墙内钢板处，在钢板上预先焊接可焊性钢筋连接套筒，用于连接大直径螺纹钢制作而成的对拉螺杆。

 模板安装前应刷钢模板专用脱模剂。模板安装时，按照模板平面布置图进行分组吊装，并连续排列。合模时，要使两侧穿孔的模板对称放置，确保孔洞对准，以使穿墙螺栓与墙模保持垂直，做好临时固定。全部钢模板安装完毕，并校正好后，根据预留螺栓位置桁架背楞的顶部和底部耳板处穿ϕ20高强螺杆进行加固。图3为“少穿墙上下对锁大钢模板”施工现场。

 3)腔外混凝土浇筑  模板安装完成并验收后，浇筑腔外混凝土。腔外混凝土浇筑时间与腔内混凝土浇筑时间间隔约10h，内外腔混凝土放热高峰错开，降低墙体混凝土的温度，浇筑要求同腔内混凝土。

 4)双层劲性钢板剪力墙高强高适应性绿色混凝土超高泵送预判关键指标  通过判定指标，在超高层泵送施工中判定高强混凝土是否满足超高泵送施工、是否满足双层劲性钢板剪力墙结构的施工，降低泵送过程中因混凝土性能问题引起的堵管、爆管、泵送后离析等一系列施工问题。具体预判指标如表1所示，高强混凝土保塑时间≥4h，初凝时间≥8h，终凝时间10~12h，压力泌水为0，绝热温升< 75℃。1，3d高强混凝土收缩率分别≤0.2%0，3%0。 

 低压泵送速度快，但是泵送力量小；高压泵送速度慢，但是泵送力量大。泵送过程中，具体排量的确定与混凝土的黏度、工作面的高度、混凝土的浇筑情况都有很大关系，具体原则如下：若浇筑面大，可持续泵送时间长，且泵送高度低、混凝土黏度低，则可优先选择低压泵送；若混凝土强度等级高、黏度大，泵送高度高，且布料机需要经常移位的条件下，优先选择高压泵送；在低压泵送的过程中，如果发现压力表的读数已经超过20MPa，则可调低排量，但当排量已经调低至50%，压力仍持续>20MPa，则需要换成高压。表2为高强混凝土超高泵送的泵机排量及压力值。

 《混凝土泵送施工技术规程》JGJ/T10-2011推荐的计算方法不适用于高强混凝土泵送压力损失的测算。通过对多个工程的泵机运行数据分析，对比得出适用于双层劲性钢板剪力墙混凝土结构的高强混凝土的每米水平管道沿程压力损失平均值为0. 011MPa/m。再根据工程中泵管长度，可以得到压力损失计算值。考虑选择超高泵送设备时，应留有一定的泵送压力富余量25%，因此现场实际泵送压力≥1. 25倍的计算值。通过以上两种计算方法的综合比选，可以对泵机的泵送压力进行选择，从而选择优良的泵机设备。

 5)混凝土浇筑过程控制  虽然高强高适应性绿色混凝土工作性能好，有自密实、自流平功能，但由于双层劲性钢板剪力墙钢筋密集，不利于混凝土自然流淌，浇筑点间隔不宜超过2m。

6  工艺适用范围与价值

 本工艺适用于对高强}昆凝土收缩性能和温升要求极为严格的工程，如墙厚1m以上的双层劲性钢板剪力墙结构中高强混凝土的浇筑施工，尤其适用于工期紧张的超高层建筑施工。本工艺克服了双层劲性钢板剪力墙高强混凝土墙体易开裂的缺点，超高层高适应性绿色混凝土可充分满足超高层项目建设的需要，可减小结构构件尺寸，有效减轻构件和结构自重。本工艺节能、节水、噪声小，有良好的环保效益。该成果具有技术先进性、取材广泛性、生产工艺通用性、施工过程简便性、工程质量可控性，将我国混凝土的研发技术、施工技术和超高泵送技术推向一个新高度，是我国混凝土技术的重大创新。

7应用实例

 广州周大福金融中心工程位于珠江新城CBD中心地段，集国际金融、贸易、商业、文化娱乐、行政和居住等城市一级功能设施于一体，是集中体现广州作为国际都市形象的窗口。该工程总用地面积约为2.6万m2，建筑高度530m，建筑面积50. 77万m2，地上111层，地下5层。本工程主塔楼核心筒为双层钢板剪力墙结构（B5~L30层），混凝土强度等级为C80。外筒为巨型钢框筒，外筒的8根巨柱采用巨型钢管内灌注高强度混凝土形式。

 针对本项目首次在超高层建筑中使用的双层劲性钢板剪力墙这种新型钢一混凝土组合结构，研发了具有低收缩、高强度、高稳定、高泵送的新型高适应性绿色混凝土，保证了C80高强混凝土与双层劲性钢板剪力墙结构联合工作，有效避免了双层钢板强约束下C80高强混凝土墙体裂缝的出现。

8  结语

 综上所述，本工艺采用具有低发热量、低收缩、高强度、高泵送、高保塑、自密实、自养护特点的高适应性绿色混凝土以及“少穿墙上下对锁大钢模板”，配以内外腔先后浇筑、“内浇外绑”同步施工的施工工艺，以创新提出的收缩性能指标和泵送性能指标为预判控制标准，满足了双层劲性钢板剪力墙结构体系下高强混凝土的施工要求。