高強混凝土置換技術在超高層建筑中的應用

黃體波

(十九冶成都建設有限公司，四川成都 610091；中國十九冶集團有限公司，四川成都 610031))

高強混凝土在超高層建筑當中的應用越來越廣泛,但在超高層建筑施工過程中難免會因人為、材料、環境、技術等因素，出現超高層建筑施工質量缺陷和質量事故。如因超高層建筑含鋼量大、鋼筋密集、型鋼混合結構、高強混凝土性能不穩定等，造成混凝土澆筑不密實或強度不夠等問題。本文結合實例對超高層混凝土質量缺陷和質量事故原因進行分析及加固方案進行研究。

1 工程概況

某超高層建筑由核心筒和外框16根框架柱組成，總高度200 m，建筑結構形式為框架核心筒，混凝土設計強度為C30～C70；一層框柱混凝土強度為C70。該工程在一層柱拆除模板后，發現一層1～3號柱身出現蜂窩、孔洞等外觀質量缺陷。其中1號、3號框架柱截面為圓形，直徑為2 000 mm，柱中布置有一根φ900×30 mm焊接鋼管。2號框架柱截面為矩形，截面尺寸為1 850 mm×1 850 mm，柱中布置有焊接型鋼(1 100×200×48×48)。構件大樣如圖1所示，框柱平面布置如圖2所示。

圖1 框柱構件大樣(單位:mm)

圖2 核心筒及框架柱平面布置

2 缺陷框柱檢測評估

為清楚缺陷柱內部缺陷嚴重程度，制定處理方案，特委托檢測單位根據《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》，用ZBL-U510非金屬超聲檢測儀對1～3號框柱進行檢測。在待測構件的相對測試面上分別畫等間距的網格并編號確定對應的測點位置(圓柱采用徑內對測)。各柱測區檢測點平面布置及檢測結果如圖3所示。

(a)1號框柱

(b)2號框柱

(c)3號框柱●為異常點 ○為非異常點圖3 1～3號框柱測區測點布置及檢測結果

通過數據分析：1號框柱的缺陷在柱腳以上約1.0～4.9 m區域，缺陷深度在550 mm范圍內。2號框柱的缺陷在柱腳以上約0.46～2.7 m區域，缺陷深度在300 mm范圍內且絕大多數缺陷深度在60～100 mm之間。3號框柱的缺陷集中在柱身下部約1.5 m區域，缺陷深度在550 mm范圍內；缺陷實例如圖4所示。

圖4 框柱外觀缺陷

為準確對1～3號柱缺陷區域內部混凝土密實性情況做出評估和判斷；根據超聲法的檢測結果，對1～3號框架柱存在超聲檢測異常的部位采用鉆芯法進行鉆取小芯樣進行驗證檢查；取樣實例如圖5所示。

圖5 框柱取芯芯樣情況實例

檢查結果表明，1號、3號框柱的部分檢測點位處存在內部混凝土孔洞或疏松。1號框柱在1～1.5列/13～14行處的芯樣距外表面300 mm、500 mm處存在孔洞。8列/12～13行處的芯樣距外表面500 mm處存在疏松、孔洞，芯樣末端存在70 mm長的孔洞。在6.5～7列/11行處的芯樣距外表面110 mm、155 mm處存在疏松、孔洞，芯樣末端存在100 mm長的孔洞。2號框柱外觀質量缺陷區域內部的混凝土密實性正常。3號框柱在1.5～2列/4～5行處的芯樣自外表面起135 mm長度范圍內均存在疏松、孔洞。

3 缺陷產生的原因分析

(1)直接原因：通過框柱表面缺陷觀察及框柱原始設計資料分析，框柱內配筋較多，且為型鋼混凝土柱；混凝土入模時混凝土的流動性和自密實性差，入模后混凝土振搗不密實或局部位置未進行振搗是本次框柱缺陷產生的直接原因。

(2)間接原因：該柱混凝土屬于高強混凝土C70，屬高性能混凝土，各項指標對其混凝土構件成型質量的好壞起至關重要的作用，在混凝土澆筑時，未對其基本性能指標進行嚴格檢查如擴展度。其次是施工現場管理經驗不足，施工時未充分考慮柱內型鋼及鋼筋密集等影響因素；同時，對于高強混凝土施工，缺乏經驗，在施工時按照普通混凝土進行施工和管理。

4 加固處理方案

4.1 加固方案的選擇

1～3號框柱混凝土缺陷及其原因查清后，初步擬定了四種處理方案，并對四種方案進行了對比分析(表1)。

表1 四種方案對比分析

最終，根據各方意見，采用C75微膨脹性混凝土對1～3號框柱缺陷進行置換加固處理。

4.2 置換材料的選擇及C75混凝土材料研究

C75微膨脹混凝土屬于高強高性能混凝土，各指標對其性能都具有較高要求，特別是限制膨脹率、限制收縮率控制至關重要。為達到該性能指標，實驗室通過多次試驗配比及試驗，最終測得C75微膨脹混凝土28 d的強度84.7 MPa，限制膨脹率大于0.03 %，限制收縮率應不小于-0.020 %。滿足要求。因此選擇該組配比做為缺陷區域置換材料，配合比各參數詳見表2。

4.3 置換加固實施方案

4.3.1 加固支撐體系

根據現場情況，塔樓主體結構施工至5層，各構件在其自重作用下，已經產生內力，如直接剔除缺陷柱中缺陷混凝土，柱即被掏空，結構極易發生變形呈現裂縫。因此，對框柱進行卸載非常關鍵，即采用臨時支撐體系代替柱受力。根據缺陷框柱所處位置及荷載分布情況，對1號框架采取剛性支撐系統，在需要處理框柱相鄰區域內搭設立桿間距為450 mm，橫桿間距900 mm；步距1.8 m的滿堂腳手架，搭設范圍如圖6所示；在梁柱接頭位置離梁柱節點50 cm、80 cm處位置分別設置20 t千斤頂、鋼托板及100 mm鋼筒。地下一層、二層、三層同一位置與1號框架柱連接梁處均需搭設滿堂腳手架，以保證結構安全。2號、3號框柱支撐體系加固方案同1號框柱。

表2 配合比各參數

圖6 鋼筒及千斤頂布置示意

為確保支撐體系穩定、牢固，在實施過程中務必嚴格控制千斤頂、支架的變形情況；在框架梁底顯眼部位、梁、柱間用紅油漆或黑色鉛筆設置點位，做好監測變形并記錄。若發現梁或支架有變形，應立即通知相關人員，對其結構采取加固措施。

4.3.2 C70混凝土鑿除

在保證剛性支撐系統的可靠的境況下，用風鎬將1～3號框柱松散混凝土完全鑿除，保留原始鋼筋不被破壞，在混凝土鑿除的過程中，注意鋼筋的保護，使鋼筋無應力、不變形。對已破壞的鋼筋應在界面處理前將鋼筋恢復到位，并在鋼筋缺失或箍筋間距大的部位作加強處理。

鑿除混凝土區域應嚴格根據質量缺陷檢測的點位及鉆芯取樣的情況，將混凝土不密實的缺陷區域鑿除；剔除的混凝土至少為6 cm厚，以保證混凝土置換新舊混凝土的結合。

將大面松散缺陷混凝土剔除后，用電鎬對缺陷區域周邊進行修正、鑿毛，以便后續灌注材料與原結構混凝土緊密結合。

4.3.3 新老混凝土結合面的處理

澆筑混凝土前24 h對原混凝土表面進行濕潤、沖洗；澆筑C75補償收縮性混凝土前，為增加新舊混凝土粘結力，新老混凝土結合面處涂刷專用界面處理劑。

4.3.4 支設模板

將松散混凝土完全鑿除，保留鋼筋，將新舊混凝土結合部位用界面劑處理后；為保證柱子成型質量及混凝土置換后的構件尺寸，本次置換加固框柱采用“定型模板+新型緊固件”支撐體系。為保證模板不變形，鋼片每隔300 mm用緊固件固定一道。模板支設前需將基層不平整的位置用砂輪機磨平，模板基層涂刷隔離劑。

為保證混凝土能夠澆筑密實，框柱四周增設澆筑口，方便振動棒振搗，模板開孔示意見圖7。待方孔下部混凝土澆筑完成即刻封堵并用發泡劑將縫隙堵塞。

圖7 缺陷區域模板開口平面及剖面

為保證混凝土內氣體逸出，在缺陷柱周邊缺陷區域最高位置預留一個斜向漏斗口用于C75混凝土灌注，漏斗口頂面模板高出缺陷區域150 mm，最頂上的漏斗口高出450 mm。漏斗口數量的設置至少設置6個，尺寸不小于200 mm×300 mm，以便于澆灌及振動棒的插入。

模板支設完成后，需用發泡劑將所有縫隙堵塞，以防漏漿；柱根部模板縫隙位置采用砂漿封堵。

4.3.5 補償收縮性混凝土澆筑

為確保C75各項指標滿足要求，在120 min內澆筑完成，采取分批次供料的方式。澆筑過程中1人控制微型振動棒，1人用木錘均勻敲擊定型模板周邊，以保證混凝土的澆筑密實。振動棒振搗時，必須快插慢撥，振搗均勻，以防過振造成混凝土離析。

C75補償收縮性混凝土澆灌時，必須將漏斗口澆灌滿，并高出缺陷區域15 cm左右；完成后將面層收平、抹壓。

4.3.6 試塊制作

C75微膨脹混凝土澆筑時需分別做2組100 mm×100 mm×100 mm混凝土試塊和2組100 mm×100 mm×300 mm測限制膨脹率試塊及強度試塊，將試塊分別置于同條件和標準養護條件下養護；以證明本次澆筑的混凝土各項參數滿足設計和施工要求。經試驗檢測結果，C75微膨脹混凝土各項指標滿足設計要求。

4.3.7 缺陷柱模板拆除

混凝土澆筑完成后8～12 h內，對模板外表進行澆水養護；每天3次，待兩天后拆除框架柱模板。模板拆除應注意不要碰壞邊角并觀察混凝土澆筑是否有缺陷。混凝土置換處理完成脫模后成型效果如圖8。

圖8 C75微膨脹混凝土成型實例

4.3.8 缺陷柱養護

為保證C75限制收縮性率和限制膨脹率，在模板拆除完成后，用毛氈、棉帶等保水性強的材料對缺陷區域新澆筑混凝土進行覆蓋并澆水養護，養護時間至少14 d。

5 加固結果分析

(1)加固方案實施過程中，通過對每個支撐點進行監測，未發現異常現象，保證了支撐系統的安全性。

(2)對置換材料的研究、試驗，最終保證了C75微膨脹混凝土的各項指標滿足設計和規范要求。特別是C75高強混凝土限制收縮率和限制膨脹率的控制滿足規范要求。

(3)模板支撐體系選擇定型模板系統以及對澆筑口的留設等關鍵工序，最終確保混凝土成型質量較好，保證了混凝土構件的完整性。

6 結束語

該案例應用C75微膨脹高強混凝土置換施工技術，經結構鑒定，該結構安全，滿足結構設計使用年限和耐久性，保證了構件的完整性和結構安全。該方案相較于注漿+包鋼加固方案節約成本20～30萬元；較傳統的返工處理方案節約工期15～30 d，成本節約15萬元。同時，通過C75高強混凝土置換技術在超高層建筑施工中的應用及研究，為超高層高強度混凝土施工質量嚴重缺陷問題的處理提供思路，積累了施工經驗。為高強混凝土結構加固和修補提供了一種加固處理方法，也為今后類似超高層高強混凝土質量相關問題的處理，提供參考和借鑒。