闡述超高層鋼管柱高拋自密實砼施工技術

沈育龍 丁恩亮 楊統元

上海寶冶集團有限公司 上海 201900

前言

自密實混凝土是于20世紀80年代首先在日本發明和應用的，而后推廣至歐美等發達國家，進而傳入我國。這一概念最早由日本學者Okamum于1986年提出，該混凝土能夠在自重作用下，均勻、密實地填充至試模空間，而且不發生離析，因此在成型過程中不需要振搗，減小噪音，減少環境污染，給施工帶來方便，給周圍居民帶來安寧和諧的環境。

近20年來，鑒于自密實混凝土的優越性，自密實混凝土的研究與應用實踐在世界范圍內廣泛展開，但是在我國，由于高效減水劑的開發較晚，自密實混凝土的研究時間也較短，在實際工程中未得到廣泛運用。

1 工程概況

武漢某超高層項目由一棟塔樓及裙樓組成，地下3層，塔樓地上46層，裙房地上7層，總建筑面積為119243.5m2，建筑高度為229.1m，標準層層高為4.15m。

主樓結構采用“圓鋼管混凝土柱、鋼梁-鋼筋混凝土核心筒”混合結構體系，鋼管柱共20根，自下而上外徑依次為Ф1500mm、Ф1400mm、Ф1300mm、Ф1200mm、Ф1100mm、Ф1000mm。混凝土等級從C60到C40。

根據施工安排，每根鋼管柱按2～3個標準層高分節加工，即每節鋼管柱高度為8.3～12.5m，如采用一般的混凝土施工，混凝土易產生離析且振搗不易，無法保證混凝土施工質量，設計采用自密實混凝土[1]。

圖1 塔樓標準層結構軸側示意圖

2 試驗原因

為完善市場上鋼管柱自密實砼使用率不高、施工工藝不成熟、商砼站供應質量不可控、超高層建筑在鋼管柱自密實砼質量驗收方法的針對性不足等情況，也為下一步現場和商砼站鋼管柱自密實砼施工提供可操作的針對性指導意見，確保自密實砼施工質量[2]，選取標準節Ф1300×28mm的第一節鋼管柱（高度6m，標準層高為4.15m，加上標準層的2個節點各1m）進行1:1鋼管柱自密實砼高拋施工模擬試驗，混凝土等級C60。

圖2 -1 試驗鋼管柱

圖2 -2 鋼管柱橫斷面

3 施工準備

3.1 人員準備

現場成立以項目經理為組長的混凝土澆筑檢查領導小組，下轄工長、質檢員、技術員、試驗員、測量員，全程跟蹤檢查混凝土澆筑，收集實驗數據。

勞動力組織砼工4人、吊車司機1人、信號工1人、司索工1人、鋼構加工10人。

3.2 材料準備

試驗工具：相應數量的混凝土抗壓、小型振動臺和坍落度試驗設備（坍落度桶、試模、卷尺等）、標準養護箱、1m3吊斗（下口帶開關）等。實驗鋼管柱選取一段標準節作為實驗依據。

表3 .2 材料計劃表

3.3 基礎準備

鋼柱安裝前，應先制作試驗柱基礎。基礎大小為2m×2m×1.5m，并根據圖紙預埋地腳螺栓。基礎底面和表面均設置一層C16@200的鋼筋。混凝土基礎采用C30加早強劑。

鋼管柱長度6m，混凝土密度2400kg/m3。

實驗鋼管柱自重7.4 9 9噸，管內混凝土自重3.14×0.652×6×2.4=19.1t。

C30混凝土設計值14.3MPa＞（7.499+19.1）×10/（3.14×0.652）=0.20MPa，滿足要求。

圖3 基礎配筋圖

圖3 .3 試驗柱安裝前調平

3.4 操作平臺準備

圖3 .4-1 操作平臺立面圖

圖3 .4-2 操作平臺平面圖

試驗柱周邊應按要求用鋼管搭設操作平臺。如上圖所示。操作平臺高度不宜低于12.65m，上面鋪設腳手板。并設置剛網片及踢腳板，踢腳板高度不小于200mm。操作平臺四邊搭設斜撐固定。斜撐角度45°～60°之間[3]。

圖7 完成的操作平臺

4 自密實混凝土拌制和運輸

原材料品種與規格對自密實混凝土的施工性能影響非常大，嚴格控制原材料的品種與規格是確保自密實混凝土施工質量的前提。為了保證自密實混凝土生產質量，滿足現場施工要求，對原材料品種及質量做一定要求。

4.1 粗骨料

骨料粒徑要求嚴格，骨料的粒徑對屈服剪應力影響最大，粒徑越大，配制出來的混凝土的屈服剪應力越大，粗骨料的最大粒徑應為20mm，實驗選用的是陽新5～16mm青石。含泥量與泥塊含量滿足混凝土設計施工規范要求，具體指標如下：

表4 .1 粗骨料檢測指標

4.2 細骨料

根據試配結果，細骨料采用岳陽中砂，檢測指標接近試配用細骨料，河砂中需篩除大于5mm的卵石，含泥量與泥塊含量滿足自密實混凝土設計施工規范要求，具體指標如下：

表4 .2 細骨料檢測指標

4.3 水泥

采用亞東P.O42.5水泥，水泥進場后要進行取樣檢測，檢測指標必須滿足混凝土設計施工規范要求；水泥入罐溫度不得超過60℃，具體指標如下：

表4 .3 水泥檢測指標

4.4 硅灰

硅灰采用朗天硅灰改善混凝土的和易性，提高自密實混凝土的勻致性和自密實性能，自密實混凝土生產時硅灰的檢驗指標不低于混凝土試配時用硅灰檢驗指標，具體情況如下：

表4 .4 硅灰檢驗指標

4.5 粉煤灰

粉料采用麻城電廠生產的Ⅰ級粉煤灰，檢測指標有細度、燒失量、需水量，檢測指標宜接近試配材料指標，詳細指標如下：

表4 .5 粉煤灰檢驗指標

4.6 外加劑

外加劑采用中建聚羧酸高效減水劑，減水率要求大，具有良好的工作性保持能力，外加劑需和水泥具有良好的適應性，根據所用的水泥選擇適合的外加劑。

自密實混凝土生產用每批次原材料進場后，由試驗室對原材料性能進行檢測，依據檢測結果評定原材料是否可以用于自密實混凝土生產。

本工程混凝土采用商品混凝土，性能等級為SF1級，澆筑前應提前通知攪拌站根據原材料和混凝土等級進行自密實混凝土的試配，確定配合比，以下是C60配合比，坍落度為240±20mm。

表7 自密實砼C60配合比（單位:kg/m3）

鋼管自密實混凝土結構要求澆筑硬化后的混凝土與鋼管壁結合緊密。要求采取降低自密實混凝土收縮變形的措施。

4.7 運輸

混凝土運輸采用小容量混凝土攪拌運輸車運輸，并做好防曬防凍措施。自密實混凝土運輸過程中保持勻速轉動，速度控制在3r/min～5r/min,并嚴禁向車內加水。運輸車從開始接料到卸料，時間不得大于120min。卸料前保持運輸車罐體高速旋轉20s以上。自密實混凝土的供應速度應保證澆筑作業的連續性[4]。

5 混凝土澆筑

本實驗混凝土澆筑采用高拋法施工。采用汽車吊吊裝料斗（后續的正式施工采用塔吊吊裝），混凝土采用自密實C60。

澆筑前鋼管柱安裝完做好交接，柱底內焊渣、鐵銹等垃圾應清理干凈。試驗柱軸線、垂直度偏差應符合要求，且試驗柱須固定牢固，并用鋼管搭設斜撐支撐牢靠。

澆筑前對砼坍落度、擴展度等性能進行檢測，并做好詳細記錄。目測自密實砼無骨料堆積、泌水、離析現象。澆筑自密實混凝土時，現場有專人進行監控。

當運抵現場的混凝土坍落度擴展度低于550mm時，現場不得使用。自密實性能不滿足要求時，可加入適量與原配合比相同成分的外加劑。外加劑加入后，運輸車罐筒應快速旋轉。外加劑參量和運輸車罐筒旋轉時間應通過實驗驗證。

吊重計算：料斗1m3，自重0.5t。料斗自重+混凝土重=0.5+1×2.4（混凝土密度）=2.9t。查25噸QY25A汽車吊性能表，工作幅度10m、臂長17.6m時，起重量6.38t，滿足要求。料斗下口設置開關，方便混凝土下料。

高溫施工時，自密實混凝土入模溫度不宜超過35℃；冬季施工時自密實混凝土入模溫度不低于5℃，在降雨降雪期間不宜露天澆筑混凝土。

混凝土分層澆筑，每層澆筑厚度控制在500mm左右。上下層混凝土澆筑的間隔時間不能超過混凝土的初凝時間。

本工程實際混凝土拋落高度達到12m，超過規范允許最大傾落高度9m，設置4m長串筒輔助混凝土澆筑，使串筒出口距澆筑面小于9m。

圖5 -3 自密實混凝土澆筑

自密實混凝土澆筑時宜避開高溫時段澆筑。澆筑時水分蒸發速率過快時，在施工作業面采取擋風、遮陽等措施[5]。

6 質量要求

（1）混凝土工程施工須符合現行國標GB50204-2015的要求。

（2）混凝土自密實性能指標檢驗應包括坍落擴展度和T500擴展時間，塌落擴展度控制在550～655mm之間，T500擴展時間大于等于2s。其他自密實性能指標檢驗及頻率按合同規定進行。

（3）出廠坍落擴展度和T500擴展時間檢驗時，同配合比的混凝土檢驗不應少于1次。

（4）進場時的自密實混凝土坍落擴展度和T500擴展時間檢驗頻率應與強度檢驗頻率一致。

（5）實測坍落擴展度應符合設計要求，混凝土拌和物不得發生外沿泌漿和中心骨料堆積現象。

（6）砼強度試件制作：將混凝土攪拌均勻后直接倒入試模內，不得使用振動臺和插搗方法成型。試塊的留置參照《混凝土結構工程施工質量驗收規范》GB50204-2015。

（7）嚴禁混凝土攪拌車在施工現場臨時加水。

（8）澆筑過程中，要隨時注意觀察鋼管柱是否變形、傾倒，確保試驗柱垂直度偏差符合要求[6]。

7 混凝土檢測

混凝土齡期達到60天后或累計溫度達到600℃天后進行檢測，驗證混凝土質量是否符合設計要求。

（1）可以用敲擊鋼管的方法進行初步檢查。

（2）超聲波進行檢測。

（3）標養試塊檢測。標養試塊留置6組。

（4）鉆芯取樣檢測。混凝土齡期達到60天或累計溫度達到600℃天后，鉆芯檢測混凝土強度。鉆芯部位應抽取不易填充密實的部位和有代表性的部位。本實驗抽取部位見下圖。

圖7 -1 同條件試塊留置

圖7 -2 標養試塊留置

圖7 -3 鋼管柱取樣立面圖

圖7 -4 鋼管柱取樣剖面圖

8 檢測結果

主要進行超聲波檢測與鉆芯取樣，具體檢測項目如下：

表8 自密室混凝土檢測項目

8.1 超聲波檢測

超聲波檢測經過分析，本次所檢測各檢測剖面的每一測點聲速、波幅均未超過臨界值（Cv＜5）；混凝土均勻性等級為A級，完整性結果為I類。

8.2 豎向鉆芯檢測

豎向鉆芯共檢測3個截面，本次檢測3個截面編號為（L1、L2、L3），芯樣完整連續，粗細骨料均勻，膠結較好，表面僅見輕微氣泡，柱長與提供長度相同，砼強度代表值滿足C60的設計要求，混凝土與鋼板交接處光滑平整。

圖8 .2-1 豎向鉆芯取樣

圖8 .2-3 豎向鉆芯樣本

8.3 橫向鉆芯檢測

橫向鉆芯共檢測5個截面，本次檢測5個截面編號為（H1、H2、H3、H4、H5），砼強度代表值滿足C60的設計要求，混凝土與鋼板交接處光滑平整。

圖8 .3-1 橫向鉆芯取樣

圖8 .3-2 橫向鉆芯樣本

8.4 混凝土芯樣強度

表8 .4 混凝土芯樣抗壓強度匯總表

從表中可知，C60自密實混凝土的抗壓強度代表值達到了預期要求。

9 結束語

圖9 -1 正式施工時用塔吊吊砼

圖9 -2 正式施工時砼澆筑

本工程通過鋼管柱自密實砼進行高拋實驗，總結了自密實混凝土施工的技術要點，在一定程度上確保了自密實砼的施工質量。在后期的聲波檢測與鉆芯取樣中，靠近加勁板的位置混凝土外觀質量良好，無大量氣孔出現。本次針對鋼管柱自密實高拋施工工藝的研究，豐富了自密實高拋施工在行業領域的內容，為自密實砼施工提供了確切依據與經驗積累。

[1]GB50300-2013.建設工程施工質量驗收統一標準[S].北京:中國標準出版社,2013.

[2]GB50204-2015.混凝土結構工程施工質量驗收規范[S].北京:中國標準出版社,2015.

[3]GB50936-2014.鋼管混凝土結構技術規范[S].北京:中國標準出版社,2014.

[4]JGJ/T283-2012.自密實混凝土應用技術規程[S].北京:中國標準出版社,2012.

[5]GB/T50107-2010.混凝土強度檢驗評定標準[S].北京:中國標準出版社,2010.

[6]建筑施工手冊編委會.建筑施工手冊(第五版)[S].北京:中國建筑工業出版社,2013:8.