鋼管混凝土技術的應用

張振棟

（北京方圓工程監理有限公司，北京 100036）

1 工程概況

本工程采用矩形焊接鋼管柱，鋼板采用 Q345C，每節鋼管柱 3 層樓層，高 9.45m（圖1），柱外截面（圖2）400mm×400mm，每層鋼梁連接處設置三層隔板（圖3）（增加鋼管柱的側向抗力，避免鋼管柱安裝過程中變形），隔板中間預留 150mm 洞口澆筑混凝土，采用 C60 自密實混凝土澆筑。

圖1 鋼柱立體圖

圖2 鋼柱隔板俯視圖

圖3 鋼柱牛腿處隔板設置圖

2 原材及配合比設計

結合本工程矩形鋼管柱的內部結構及澆筑高度，自密實混凝土設計采用雙摻粉煤灰和礦粉，以提高膠凝材料的用量，達到較理想的擴展度、流動性，實現良好的填充效果。

水泥：自密實混凝土水泥宜采用普通硅酸鹽水泥或硅酸鹽水泥，并符合現行國家標準，本工程采用金隅北水生產的 P·O42.5 水泥，質量穩定，進場復試合格，其性能見表1。

粉煤灰選用 F 類Ⅱ級，礦渣粉選用 S95，性能符合現行國家標準，且均是攪拌站長期固定廠家供貨，質量穩定，進場復試合格。粉煤灰燒失量 1.06%，細度20.3%，需水比 98%。礦粉比表面積 430m2/kg，7d 活性指數 88%，28d 活性指數 105%。

砂：灤平Ⅱ區中砂，細度模數 2.8，含泥量 2.0%；石：威克冶金 5～25mm 天然砂，連續級配，含泥量0.5%。砂石料供貨廠家穩定，進場進行抽查，并進行周檢查，均符合現行標準的要求。

外加劑：天津冶建聚羧酸減水劑，含固量14.73%，減水率 27%，pH 值 4.4。

表1 水泥性能

依據 JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規程》及其他現行標準，經計算確定 C60 自密實混凝土施工配合比如表2。

表2 配合比 kg/m3

對配合比進行試配，混凝土出機狀態符合要求，和易性良好，無離析現象，擴展度可達 670mm。

3 工藝試驗過程

結合工程實際情況調整施工方案，施工工藝如下：檢查鋼管柱→澆筑準備→澆筑→養護→檢驗、分析。

3.1 檢查鋼管柱

（1）鋼管柱吊裝前應檢查鋼管內是否有雜物、污物，有雜物、內壁污物應在吊裝前清理干凈，且在鋼柱吊裝過程中，嚴禁向鋼管內丟棄螺栓、包裝紙箱等。

（2）試驗矩形焊接鋼管運送到現場后，采用塔吊吊裝到指定位置，下部采用限位螺栓進行固定，上部采用三道均布的鋼管與主體結構柱進行拉結。柱周邊按相關要求搭設操作架，以便進行澆筑施工。

（3）檢查鋼管柱內是否有積水，積水必須采取措施排出。

（4）檢查鋼管柱排氣孔，確保排氣孔通氣順暢。

3.2 澆筑準備

（1）按要求對澆筑工人進行安全技術交底，確保施工安全，并按技術交底要求進行澆筑。

（2）澆筑漏斗（漏斗下導管長約 3m，避免混凝土高拋，圖4）、吊斗吊放到位。

圖4 漏斗

（3）與攪拌站溝通，確定供應混凝土時間、混凝土強度等級及方量。

3.3 澆筑

（1）按配合比生產的 C60 自密實混凝土運輸到現場后，進行檢測試驗：和易性符合要求，無離析現象，擴展度實測為 660mm，符合要求。

（2）混凝土自罐車卸入吊斗內，塔吊調運至漏斗上方滯留，打開吊斗下料口，控制出料口混凝土速度，避免澆筑過快導致鋼管內局部存留氣體而無法排出。

（3）澆筑過程中，發現混凝土黏度大，流動較慢，且時處夏季高溫時節，混凝土坍落度損失較快，經敲擊檢查，發現在隔板處混凝土不密實。經研究決定，在矩形鋼管外每層鋼梁與鋼柱節點處安裝附著式振搗器（圖5），同時可以根據振搗器聲音、排氣孔是否泛出灰漿、自密實混凝土表面是否下沉來判斷自密實混凝土是否密實。

圖5 附著式振搗器

3.4 養護

混凝土澆筑完成后，不宜采用柱端澆水養護，以免造成端部積水無法排出，進而影響鋼管柱內混凝土施工縫澆筑效果，本工程根據實際情況，采用薄膜覆蓋，柱體采取適當的遮陽措施。

4 檢驗、分析及解決方法

4.1 剖開工藝柱

鋼管混凝土澆筑完成至同條件試塊達到設計值，經敲擊檢查，初步判定管內混凝土與矩形鋼管緊貼密實，無空音。檢查后采用塔吊輔助放倒工藝試驗柱，利用繩鋸切斷工藝柱（圖6），并按要求剖開有隔板的節段。

圖6 切割工藝柱

4.2 檢驗

（1）自密實混凝土整體與鋼管柱鋼板緊貼、密實，無明顯間隙。

（2）同條件試塊經試壓達到設計要求，采用高強回彈儀對混凝土強度進行回彈，經計算強度達到63.7MPa，符合設計要求。

（3）發現問題：通過對剖面進行檢驗，發現隔板處存在空隙，未完全填充（圖 7），且隔板灌漿孔處有裂縫（圖 8）。

圖7 隔板處空隙

圖8 隔板灌漿孔處裂縫

4.3 分析

產生縫隙處是隔板與矩形柱鋼板連接處，是鋼管混凝土結構中混凝土結構的薄弱位置。由于混凝土的自重，且 C60 自密實混凝土黏度大，致使混凝土難以達到該處，且混凝土初凝后逐漸失去流動性，并硬化收縮，導致該處混凝土面下沉，隔板阻隔上部混凝土下沉，最終導致角部產生空隙，并在灌漿孔處產生裂縫。

4.4 解決方法

針對現場問題，主要從黏度、硬化收縮兩個方面對配合比進行調整。影響黏度、硬化收縮的主要因素有：水膠比、砂率、粉煤灰摻量。

4.4.1 調整水膠比

水膠比直接影響混凝土黏度、強度等級，調高水膠比可以明顯降低黏度，但由于水膠比增大，用水量的增加使得混凝土強度也會有較為明顯的下降，而 C60 混凝土強度相較于 C50 及以下強度等級的強度比較難以保證，因此不適合采用調高水膠比。

4.4.2 調整砂率

在水泥用量和水膠比一定的條件下，砂率增加可以優化骨料的級配，降低黏度，改善混凝土的內部受力體系，且在混凝土澆筑過程中，加大砂率可以有效減小骨料間的摩擦力，提高混凝土的流動性，從而達到很好的填充效果，解決混凝土無法填充密實的問題。

4.4.3 調整粉煤灰摻量

粉煤灰可以減小水化熱，降低溫度應力，減小硬化收縮。有關研究表明[1]：隨著摻加粉煤灰量的增加可以減少開裂，摻加粉煤灰對混凝土開裂的抑制作用對不同強度等級混凝土是一致的。同時，粉煤灰含有的大量玻璃微珠，具有良好的形態效應、微集料效應及活性效應[2]，能優化混凝土膠凝材料的級配，改善混凝土的和易性、可泵性，在一定程度上降低黏度。故本工程采用的配合比應適當加大粉煤灰的摻量。

經計算確定，砂率由 0.39 調整為 0.45，固定水膠比 0.28，粉煤灰摻量由 94kg/m3調整為 132kg/m3，確定配合比見表3。

表3 調整后配合比 kg/m3

試配檢驗：擴展度 670mm，無離析、扒底現象，且混凝土試塊強度滿足 C60 要求。

再次進行工藝檢驗，隔板處填充密實，且隔板灌漿孔處無裂縫，如圖 9。同條件試塊強度 65.4MPa，滿足設計要求，故該配合比滿足施工要求。

5 工藝調整及保障措施

5.1 工藝調整

（1）依據工藝試驗，結合工程實際情況，調整施工方案，施工工藝過程如下：檢查鋼管柱→澆筑準備→澆筑→養護→檢驗，并在澆筑時采用附著式振搗器（附著式振搗器可采用角鐵＋螺栓連接方式固定，并在角鐵、振搗器的內側加設一層橡膠墊）振搗隔板處。

（2）鋼管柱按坐標進行校正后，應及時焊接，并組織探傷檢驗，檢驗合格后方可組織混凝土澆筑，避免因鋼管柱對接焊接不合格，返工焊接時造成混凝土與鋼管柱之間形成間隙，并且焊接高溫也直接影響混凝土質量。

（3）結合工程實際，制做作業平臺（圖10），以確保安全、連續澆筑。

圖10 焊接澆筑平臺

（4）每一節柱澆筑完成后方可安裝上一節柱，由于每節柱高達 9.45m，在無相關措施的情況下，嚴禁兩節柱一同澆筑。澆筑前應先澆筑 25～50L（鋼管柱內截面 360mm×360mm）同配比水泥砂漿，防止隔板阻擋及矩形鋼管柱內壁粘附砂漿，造成初始澆筑的混凝土缺少漿液，影響強度，且本工程高拋約 6.4m，造成自密實混凝土粗骨料沖擊施工縫處而成蜂窩，而先澆筑一部分砂漿，可以很好地解決該問題。

（5）鋼管混凝土澆筑施工縫按相關規定留在矩形鋼管柱連接焊縫下 500mm 左右，避開鋼管柱對接焊接時高溫影響混凝土質量，同時也可以方便清理柱內雜物及積水，保證施工質量。

（6）封堵柱頂灌漿孔：混凝土澆筑完成后，對柱端進行處理，并按設計要求，焊接封板進行封端，避免雨水等進入鋼管柱內部。

5.2 保障措施

5.2.1 混凝土原材

本工程采用的 C60 自密實混凝土，使用量比較大，周期較長（7 月下旬至 11 月下旬），強度必須達到設計強度等級，原材必須質量穩定，能夠確保混凝土強度，因此與供應攪拌站做好溝通，并溝通駐場監理做好混凝土生產管控，針對本工程采用原材進行重點管控。

5.2.2 澆筑前檢驗

在澆筑前對混凝土和易性進行檢查，發現和易性不符合要求的，嚴禁使用；嚴禁現場調試混凝土和易性，特別是現場加水調整，以免造成混凝土局部離析及強度不滿足要求。

5.2.3 試塊制作

考慮本工程是鋼管混凝土，混凝土在鋼管內部，其強度難以采用回彈、取芯的方法進行檢驗，因此混凝土試塊必須嚴格按照相關規范制作，具有代表性，其強度數值具有真實代表性，以免因混凝土試塊制作不規范，導致需要進行實體檢驗。

5.2.4 澆筑過程注意事項

（1）由于混凝土澆筑速度較慢，澆筑前與供應攪拌站溝通好，每車運輸量不宜過多，以免造成混凝土和易性不良，無法完成澆筑。超過初凝時間的混凝土嚴禁用于工程。

（2）夏季高溫季節應避開 10:00～16:00 高溫時段，以免矩形鋼管溫度過高，引起混凝土失水無法完成水化硬化。

（3）冬季施工時應采取保溫措施，宜對拌合水、骨料進行加熱，但拌合水溫度不宜超過 60℃、骨料不宜超過 40℃；水泥、外加劑、摻合料不得直接加熱，保證澆筑溫度不低于 10℃，同時在澆筑前對矩形鋼柱采用巖棉被進行包裹（圖11），必要時可以采用電伴熱加熱，確保混凝土受凍前達到臨界強度。

圖11 鋼管柱保溫

6 實體檢驗

6.1 混凝土強度

在澆筑點制作的混凝土標準養護試件，經中冶檢驗，抗壓強度在 65.4～81.6MPa 之間，混凝土強度符合設計要求。

6.2 密實性

（1）工藝試驗報告：工藝試驗經參建各方驗收，符合質量要求，填充密實，混凝土與鋼管柱無間隙，且隔板處無裂縫。

（2）現場實體檢測：經全數敲擊檢查，矩形鋼管混凝土柱無空音。

（3）檢查混凝土澆筑記錄，混凝土澆筑量與理論計算量比較：實際澆筑量略大于理論計算。

綜上判定鋼管混凝土柱密實性滿足要求，澆筑質量符合設計要求。

7 結論

（1）自密實混凝土應從原材、配合比試配等方面進行嚴格控制，并根據現場實際情況進行配合比調整，以實現設計要求的工程質量。

（2）自密實混凝土能夠滿足鋼管混凝土的技術要求，解決普通混凝土在鋼管柱的隔板處無法填充密實的問題，而且鋼管混凝土技術可以綜合鋼結構與混凝土結構的優點，實現小截面、大承載、節約建材、環保等方面的效益，建議推廣使用。

（3）粉煤灰的摻加不僅可以改善混凝土的和易性，在一定程度上可降低混凝土價格，而且在解決混凝土溫度應力、硬化收縮方面有明顯效果。