某超高层建筑位于常年平均气温约33℃的东南亚地区, 高度超过300m, 主塔楼地下4层, 地上77层, 框架-核心筒结构。竖向构件自B4~L35层为C80高强度等级混凝土, 泵送高度达到193.5m, 使用量为43 770m³;36层以上为C60混凝土, 泵送高度达到338.5m, 使用量为13 767m³。对施工中混凝土质量的全时程多方法探析, 可有效保证高强度等级混凝土在高温多雨地区的质量。

混凝土弹性模量≥40k N/mm², f_{cu, 0}=95MPa, W/C=0.23, 含气量<2.0%, 坍落度为 (225±20) mm, 扩展度为580~650mm, 混凝土水化峰值温度不超过75℃ (纯冰代替水拌制, 5~20mm级配石) 。

经过多次试配, 最终对优选的3个配合比做了1.5m×1.5m×1.5m实体试验模块, 并进行了温度监测, 通过强度、弹性模量、工作性能等各方面的测试结果, 满足要求。

依据BS5328, BS8110和CEB/FIP modal concrete code, 同时参考GB50107—2010《混凝土强度评定标准》, 均表明混凝土强度按150mm立方体试件在标准制作、养护和标准试验方法条件下测得, 其28d龄期测得的混凝土抗压强度总体分布符合正态分布, 其中的某一个值强度低于该值的概率为5%。

对本项目建立混凝土强度数据库, 分层对7d, 28d, 56d标准立方体试件强度的统计汇总形成混凝土强度发展分布, 如图1所示。结果显示B4层混凝土1区段、4区段强度低于设计值80MPa, 远低于配制强度95MPa。

每个混凝土试件编号确定对应于工程的实体位置, 发现B4层竖向结构C1, C2, C3, C7, C9, C11, C13, C15共8根混凝土柱混凝土强度存疑, 平面位置如图2所示, 实验室强度值如表1所示。

基于对高强泵送混凝土的认识, 原材料性能参数和高强混凝土的配合比是第1步, 且已经过试验验证是可行的。针对出现的混凝土强度低的问题, 对混凝土的质量探析在方法上以施工现场实体结构问题构件原位探析多方法运用, 反推以下3个环节并进行分析: (1) 控制商品混凝土搅拌站进场的各批次原材料性能参数满足设计参数, 搅拌站提供满足原材料储存的条件; (2) 对搅拌站混凝土制备过程的计量、单盘拌制时间、出料口肉眼观察、出场前各性能指标试验进行全程质量监控; (3) 混凝土运输及可泵时间指标控制、泵送现场浇筑工艺、泵送环境、绝热温升电子监控、养护方法。

对于同一个搅拌站按照相同的搅拌工艺、各原材料来源于单独的各厂家、同一个品牌、现场浇筑工艺相同的情况下, 对单个项目在一定周期内可建立超声波声速值与混凝土强度、弹性模量之间的对应关系, 并依据声速值推测混凝土的强度和弹性模量。

依据混凝土试件编号确定对应于工程的实体位置, 对每个构件采用超声波探测 (UPV) , 一方面探测混凝土是否存在浇筑不密实、混凝土冷缝等质量缺陷评估现场施工的问题, 更重要的一点通过建立波速与强度的关系可快速判别结构薄弱部位, 可整体评价构件质量质量的均衡性, 当发现相对薄弱位置时可为进一步现场原位钻芯取样提供准确位置。探测点位分布以C3柱为例, 如图3所示。

根据UPV试验结果, 2015年1月13日选取C1, C2, C3, C7, C9, C11, C13, C15最薄弱部位钻取芯样, 送实验室检测抗压强度, 试验强度值如表2所示。

本项目根据大量的UPV测得值与现场混凝土钻芯取样强度值的对比, 剔除离散数值, 在样本曲线基础上结合现场值拟合两者之间的曲线关系, 建立了UPV波速值与强度的拟合曲线, 如图4所示。

用光学显微镜进行混凝土岩相分析, 分为体视光学显微镜和透射偏光显微镜2种, 前者对试件采取切片打磨的制作方法相对简单, 观察放大倍数小于后者。后者试件需先切割成1~2mm厚切片, 然后在真空条件下用环氧树脂浸渍与玻璃贴片后打磨至0.02~0.04mm厚薄片。

体视光学显微镜可分析混凝土搅拌均匀性, 气泡形状、尺寸和均匀性, 鉴定骨料类型、塑性和干缩裂缝等。透射偏光显微镜可分析混凝土骨料级配、水泥浆体水泥水化程度、掺和料颗粒, 同时可测得混凝土中水灰比和浆体中的微裂纹。

本次岩相分析4个芯样分别从C2, C11, C12, W8现场钻取并取得其芯样强度, 如表3所示。主要采用透射偏光显微镜法, 从宏观到细观再到微观的步骤逐步分析芯样及薄片。

采用荧光透射各芯样混凝土薄片时, C2, C11, W8柱子各种孔隙中填的掺有荧光粉的环氧树脂发出黄光, 判定发黄光的区域为空洞部位。同时, 发现骨料级配较差, 缺少中间过渡粒径的骨料填充。水泥浆体包裹骨料分布均匀, 表明混凝土搅拌拌合较好。C12骨料四周均密实填充胶凝材料, 没有气泡空洞存在, 各骨料有着良好的级配, 如图5所示。

C2, C11, W8发现了硅粉掺和料的踪迹, 存在集簇状硅粉团;C12发现大量不同细度的球形粉煤灰, 表明粉煤灰的级配优良。

另外, 对比C2相同位置不同观察倍率的毛细孔率发现, 毛细孔率不同, 同样可见典型的混凝土干缩裂纹, 其水灰比为0.34。C11可见典型的混凝土干缩裂纹, 显示水泥浆体毛细孔隙率低, 其水灰比为0.29。C12显示水泥浆体毛细孔隙率低, 其水灰比为0.24。W8在正交偏振光投射下可见风化的云长石, 在荧光显微镜下观察到非常低毛细孔率, 其水灰比为0.25。

岩相分析结论: (1) 4组试件水泥浆体包裹骨料均较为密实; (2) 骨料选用常用的花岗岩石子和石英砂, 整体骨料的连续级配不好 (C12除外) , 应加强5~20mm石子骨料级配的控制; (3) 设计水胶比为0.23, 在荧光显微镜观察下分析出C12, W8水胶比与设计值接近。C2, C11水灰比过大是导致强度不合格的主要原因之一; (4) 水泥中掺加了硅粉和粉煤灰, 在C2, C11, W8中发现了大量的集簇状硅粉团, 主要原因是密实化处理的硅粉在搅拌时搅拌时间不足;大量的裂缝在C2, C11中可见, 此裂纹为典型的干缩裂纹, 常见于低水胶比高性能混凝土。

综合以上岩相分析结果:强度值低的C2, C11强度不足是由水灰比高于设计值和密实化处理的硅粉在搅拌时搅拌时间不足形成了集簇状硅粉团2个方面的原因;W8强度不足是硅粉在搅拌时搅拌时间不足形成了集簇状硅粉团。

查阅浇筑日期浇筑时间段的施工记录, 浇筑C2, C11时正好下雨, 由于当地雨量充沛, 单次下雨时间持续在1h左右, 早晚各1次, 所使用的砂石含水率未进行调整, 且现场浇筑作业面未对正浇筑过程中的作业面进行有效遮盖, 2个方面是造成水胶比过大的主要原因。

经过对搅拌站的现场深入调查, 同时发现工业冰上料措施 (冰遗撒) 导致的计量偏差造成高强度等级混凝土水灰比计量失准, 初步意见要求根据现状加强遗撒冰的控制, 人工二次计量补充冰用量。

实验室选用了级配良好的石子, 但存放过程中未将其他品种的石子清理干净 (堆场底部存在其他品种石子) , 使用中出现骨料级配差。

混凝土搅拌过程中考虑了工业冰溶解的困难, 已将单盘搅拌时间从常规的3~4min延长至5min, 但岩相分析依然出现没有分散均匀而聚集的硅粉团, 不但不能发挥其功效, 反而成为薄弱环节, 降低混凝土的强度和密实性。

后期根据大量的现场温度不间断监测, 发现混凝土的峰值温度均不超过68℃, 经过与工程师提议, 将混凝土入模温度不超过27℃调整为控制入模温度不超过30℃。

1) 原材料砂石分类确保全部堆放在全遮阳防雨篷下, 将沉底的砂石彻底清理干净, 保证使用材料的级配与实验室选用材料一致。水泥使用时温度≤60℃。

2) 浇筑时出现雨天, 应对地泵上料口和混凝土浇筑作业面的混凝土进行有效遮盖, 避免出现雨水二次补水, 造成水胶比过大。

3) 将每盘混凝土的搅拌时间从常规的3~4min增加至6min, 并将单盘一次搅拌量从3m³减少至2m³, 使得硅粉、粉煤灰充分分散到水泥浆体中。

3) 委派专业顾问公司混凝土专家、混凝土质量管理员对搅拌站的混凝土全程旁站。并定期检查计量系统确保准确。混凝土出厂前除检测坍落度、扩展度、温度外, 增加水胶比快速测定检查项。

4) 鉴于混凝土温度控制的放宽, 安装冷却塔制备冷冻水+冰的方式控制温度, 改变了由于冰直接在传输带上传输送料造成的计量偏差。

对混凝土质量管理不但要加强初期配合比优选, 还要对拌制过程全程监控, 使原材料品牌、储存、搅拌计量的各环节处于受控状态;旁站质量管理员应有足够的经验, 通过出机混凝土的外观初判混凝土的质量;对于现场浇筑的控制也应按照相关规定和程序组织进行;通过检测结果的印证, 科学调整混凝土的相关技术指标, 可更有利于混凝土的施工和质量保证。