帶橫隔板鋼管柱內(nèi)自密實混凝土高拋澆筑施工技術(shù)

劉揚喜

廈門海投工程建設(shè)有限公司（361000）

0 前言

在鋼結(jié)構(gòu)施工中，對于多勁肋橫隔板的鋼管混凝土柱，采用頂升的施工方法極易造成隔板及構(gòu)件變形或破壞，且超高層建筑鋼管柱頂升時高度超高，雖可采用分段頂升工藝，但泵多設(shè)置于地面，頂升時泵及泵管將承受巨大壓力， 極易出現(xiàn)質(zhì)量問題。柱頂高拋澆筑法施工方便， 且鋼管無需開孔和補焊，但是混凝土在下落過程中容易產(chǎn)生離析、多隔板處混凝土的密實性也較難保證。自密實混凝土[1-2]的流動性與黏聚性的平衡是自密實混凝土工程運用的一大難題，普通自密實混凝土往往通過添加高效減水劑提高了新拌混凝土的流動性，但是也降低了混凝土的黏聚性，容易產(chǎn)生離析現(xiàn)象。 對于自密實混凝土的高拋施工，如何克服混凝土在超高自由下落過程中的離析問題也是至關(guān)重要的。通過調(diào)整高效減水劑和增黏劑的比例，使自密實混凝土的流動性和黏聚性得到匹配，保證了新拌自密實混凝土在超高下落過程中不產(chǎn)生離析現(xiàn)象。

經(jīng)過項目實踐和不斷改進，本自密實混凝土高拋澆筑技術(shù)的應(yīng)用質(zhì)量與效益都取得了預(yù)期成果。2014 年1 月至2017 年9 月，廈門某辦公及商業(yè)建筑施工， 方形鋼管混凝土柱截面最小1 000 mm2，最大1 200 mm2， 鋼管柱內(nèi)高拋澆筑自密實混凝土總量為 6 120 m3，強度等級為 C50、C60。 2017 年 6月至2018 年10 月，廈門某辦公建筑施工，方形鋼管混凝土柱截面最小 650 mm2， 最大 1 100 mm2，鋼管柱內(nèi)高拋澆筑自密實混凝土總量為 2 710.4 m3，強度等級為 C40。

1 自密實混凝土高拋施工的特點

1）施工操作簡單，施工工期短。 從施工裝置上看，泵送頂升法要有止流裝置、短管等，并需要開設(shè)進料口、卸壓空洞等。 而采用高拋的方法直接從柱頂高拋自密實混凝土，無需在鋼管柱上開孔和進行補焊。

2）在普通自密實混凝土的基礎(chǔ)上，摻加增黏劑防止高拋過程中出現(xiàn)離淅現(xiàn)象，實現(xiàn)良好流動性與抗離析性的匹配。

3）鋼管柱一般1～2 層為一節(jié)，鋼管柱長度一般都超過9.0 m，利用自密實混凝土良好的黏聚性，克服混凝土超高下落過程的離析現(xiàn)象，從而減少了鋼管柱的接長工作。

4）自密實混凝土高拋澆筑是從柱頂通過勁肋橫隔板的澆筑孔自由下落，對隔板、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件影響小。

5）除了在橫隔板上設(shè)置澆筑孔外，還在橫隔板的四周設(shè)置排氣孔，防止雙層橫隔板之間或橫隔板下方混凝土出現(xiàn)孔洞。

6）通過摻加大摻量的粉煤灰和礦渣、抗離析劑，使自密實混凝土的流動性和黏聚性得到匹配，保證了新拌自密實混凝土在超高下落過程中不產(chǎn)生離析現(xiàn)象，而且可以不經(jīng)振搗或少振搗而填充鋼管內(nèi)部腔體。

2 適用范圍

本自密實混凝土高拋澆筑施工技術(shù)適用于鋼管直徑或矩形管短邊邊長>0.45 m 且高度≤12 m 的鋼管自密實混凝土柱。

3 工藝原理

高拋自密實無振搗施工工藝的基本原理為:在柱頂澆筑口處直接進行混凝土澆筑，利用自密實混凝土良好的黏聚性，克服超高鋼管混凝土柱內(nèi)高拋澆筑可能產(chǎn)生的離析現(xiàn)象；利用自密實混凝土良好的流動性，在自重作用下可以不經(jīng)振搗或少振搗地流滿鋼管內(nèi)部的腔體，解決了超高鋼管混凝土無法振搗的問題，降低了多橫隔板處混凝土不密實的概率。 從本質(zhì)上來看，自密實混凝土利用較低的水量，在低水膠比條件下疊加高效的減水劑、復(fù)合礦物摻合料，以此來對新拌混凝土的高流動性與高抗離析性匹配度進行有效控制。 在自密實混凝土高拋施工中除了采用添加粉煤灰等礦物摻和料以及高效減水劑外，同時添加適量的增黏劑對粗集料與砂漿間界面黏聚性進行補償, 使新拌混凝土的高流動性和抗離析性之間有適宜的匹配性，同時有效地控制預(yù)拌自密實混凝土在運輸過程中的工作性損失。

自密實混凝土從下往上溢的過程中，為保證橫隔板下方混凝土的密實度，在橫隔板四周設(shè)置排氣孔并且放慢澆筑速度，為結(jié)構(gòu)狹窄部位空氣的有效排除提供時間， 這樣能夠避免混凝土內(nèi)部出現(xiàn)空洞。 在鋼管壁不同高度處設(shè)置若干排氣孔，排除自密實混凝土上溢過程中的氣泡，同時也可以通過排氣孔的流漿情況判斷相應(yīng)位置自密實混凝土的密實度。

4 工藝流程及操作要點

4.1 工藝流程

4.1.1 主體結(jié)構(gòu)施工工藝流程

自密實混凝土配合比的確定→試驗柱的施工及檢測→安裝第K～K+1 層的空鋼管體系→連接第K 層的鋼梁→連接第K+1 層的鋼梁→鋼管柱內(nèi)自密實混凝土高拋澆筑→安裝第K 層的鋼筋桁架樓承板→綁扎K 層的樓板鋼筋→澆筑第K 層樓板混凝土→安裝第K+1 層的鋼筋桁架樓承板→綁扎第K+1 層的樓板鋼筋→澆筑第K+1 層樓板混凝土→安裝第K+2～K+3 層的空鋼管體系→ ……如此循環(huán)。

4.1.2 帶橫隔板鋼管柱內(nèi)混凝土高拋澆筑施工流程如圖1 所示

圖1 帶橫隔板鋼管柱內(nèi)混凝土高拋澆筑施工流程

4.1.3 自密實混凝土高拋澆筑流程

澆筑一層100～200 mm 厚且與自密實混凝土強度相同的水泥砂漿→澆筑混凝土至橫隔板下方，緩慢澆筑、鋼管外壁振動→繼續(xù)澆筑混凝土，期間觀察出漿口的出漿情況→循環(huán)進行（每車自密實混凝土要求在30 min 內(nèi)使用完畢， 防止自密實混凝土流動性的經(jīng)時損失）....→澆筑到距離柱口500 mm位置→刮掉表面浮漿→用土工布或塑料薄膜將管口封閉→澆水養(yǎng)護。

4.2 操作要點

1）施工準備:①綜合考慮多種影響因素來確定混凝土的配合比，包括強度等級及性能要求、施工條件、作業(yè)環(huán)境等，并委托實力較強、信譽好的混凝土公司進行生產(chǎn)和供應(yīng)。 ②明確施工順序和澆筑分區(qū)、澆筑方式、施工機械、澆筑方法等，分級進行交底。③統(tǒng)計人力、物力的需求量，并做好施工前的準備工作，及時清理場地，滿足施工需要。 ④為滿足養(yǎng)護標準，需進一步確定混凝土試塊制作組數(shù)。 ⑤澆筑工藝開始前兩個小時，對鋼管柱內(nèi)的混凝土連接部位已經(jīng)做好鑿毛（在上節(jié)柱安裝前應(yīng)完成）的混凝土接觸面進行濕潤工作。

2）提前制作1∶1 鋼管混凝土試驗柱，對鋼管內(nèi)壁進行除銹。 根據(jù)試驗柱模擬復(fù)雜節(jié)點段的試驗原則，試驗柱設(shè)置排列密集的隔板，并根據(jù)設(shè)計圖紙要求將隔板間距控制在400 mm 及以上， 將工藝隔板間距控制在2 000 mm 左右。

3）試驗場地選擇在現(xiàn)場較為空曠的位置，開挖并澆筑鋼管試驗柱的獨立基礎(chǔ)，并預(yù)埋好柱腳螺栓。

4）鋼管試驗柱模型制作完成并運至試驗場地后， 即采用汽車吊或塔吊進行卸車和安裝就位，鋼管柱安裝時利用四根φ20 攬風(fēng)繩加以固定。攬風(fēng)繩拉點在鋼管柱四周對稱設(shè)置。

5）搭設(shè)操作平臺。 可以采用搭設(shè)滿堂腳手架的形式，也可在試驗柱上設(shè)置外伸鋼梁，然后在鋼梁上搭設(shè)操作平臺，平臺四周設(shè)1.2 m 高的防護欄桿。

6）與混凝土攪拌站一起完成自密實混凝土配合比的試配工作，著重控制增黏劑的添加比例，一般控制在膠凝材料用量的0.035%左右。

7）進行試驗柱內(nèi)混凝土澆筑。 試驗柱與工程柱的澆筑要點相同，后續(xù)的澆筑要點同時適用于試驗柱和工程柱的自密實混凝土高拋澆筑。 試驗柱施工完成后，通過敲擊、剖開、超聲波、取芯等方式檢驗其澆筑質(zhì)量。 對施工工藝進行優(yōu)化，并根據(jù)試驗結(jié)果最終確定自密實混凝土配合比及施工方法。

8）鋼管柱一般為兩層一節(jié)左右，每節(jié)高度超出樓層高度500 mm 左右，如圖2 所示。

圖2 鋼管柱分節(jié)示意圖

9）根據(jù)鋼管柱的不同規(guī)格來設(shè)置混凝土澆筑孔的大小， 如:1 800 mm 鋼管柱的澆筑孔通常為600 mm，650 mm 鋼管柱的澆筑孔通常為 250 mm。 同時，要根據(jù)隔板形式的不同，保證排氣孔數(shù)量的合理性。

10）由于橫隔板上已經(jīng)設(shè)置了澆筑孔和排氣孔，當鋼管柱的截面直徑或邊長小于600 mm 時， 可以不埋設(shè)超聲波管；當直徑大于600 mm 時，圓形鋼柱需布置2 根超聲波檢測管，方形鋼柱需布置3 根超聲波管檢測管，超聲波管采用φ48 mm 的鍍鋅鋼管，底部封口。

11）在每段鋼管柱底部開設(shè)泄水小孔，或頂部做防雨覆蓋，以及時清除鋼管柱內(nèi)積水。

12）在鋼管頂部安裝漏斗，漏斗導(dǎo)管的直線長度≥300 mm，漏斗直徑為預(yù)留澆筑孔的2/3，并且其中心對準橫隔板的中心，保證自密實混凝土在下落過程中不碰到橫隔板，避免混凝土與橫向板碰撞導(dǎo)致分散、離析。 嚴禁自密實混凝土直接從塔吊的料斗下落。

13）每車自密實混凝土均需進行坍落度和擴展度現(xiàn)場檢測，每臺班自密實混凝土試塊按《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》(GB 50666)要求留設(shè)；達不到要求的自密實混凝土應(yīng)退場處理，嚴禁在現(xiàn)場向自密實混凝土中加水。

14）罐車須高速運轉(zhuǎn)1 min 以上方可卸料，并進行自密實混凝土坍落擴展度測試。制作一張厚度3 mm 的不銹鋼板， 并在鋼板上事先畫上不等直徑的圓環(huán)，方便判斷擴展度的大小。 地面要平整或者事先澆筑一塊平整的混凝土地面，圖3 和圖4 為現(xiàn)場測試情況。

圖3 自密實混凝土坍落擴展度及T500 試驗

圖4 自密實混凝土坍落擴展度及T500 試驗

15）澆筑混凝土?xí)r應(yīng)控制好混凝土出料速度，不能過快。 澆筑速度宜控制在1.00 m/min 以內(nèi)。

16）為減少隔板下各類氣泡的產(chǎn)生和聚集，在混凝土澆筑過程中采用測繩測量液面高度的方法量測混凝土的澆筑高度，當混凝土液面高度達到鋼管柱內(nèi)隔板以下20～50 cm 位置時暫停澆筑， 停留至少5 min 方可繼續(xù)澆筑。

17）在各分節(jié)鋼管柱內(nèi)的自密實混凝土強度等級變化處，需要將高強度混凝土澆筑至變混凝土強度板底以下50 cm 處，待第二次澆筑時，先用高強度標號的自密實混凝土澆筑至板底以下50 cm 位置，之后用低標號混凝土澆筑上一節(jié)的鋼管柱內(nèi)混凝土。

18）浮漿處理。 澆筑完成后，由于大量氣泡逸出，會導(dǎo)致上部表面的浮漿泛起，因此，在混凝土初凝前，必須將浮漿用容器清理干凈。 在終凝后，將上表面鑿毛，直至露出石子為宜。

19）混凝土初凝后做好灌水養(yǎng)護，并用土工布將管口封住，避免異物落入。

4.3 勞動力組織

勞勞 動動 力力 配配 備備 見見 表表11。。

5 材料與設(shè)備

5.1 材料

1）膠凝材料。 硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥都是較好的膠凝材料。 同時要考慮到水泥的低需水性、與減水劑的相溶性等。

表1 勞動力組織情況

2）骨料。 骨料的影響較大。 高拋免振搗混凝土的骨料通常采用粒徑5 mm～25 mm 的石子、粒徑5 mm～10 mm 的小石子、細度模數(shù)為 3.0～2.6 的中砂。同時， 在施工過程中嚴格控制中分細顆粒含量、石子含泥量等參數(shù)。

3）外加劑。 外加劑必須要有較好的性能，如流化性、泵送性等。 同時，外加劑不應(yīng)對混凝土自身的性能產(chǎn)生不良影響。 在實際施工中，必須加入微膨脹劑，以避免鋼管與混凝土之間產(chǎn)生微小的空隙。

4）摻合料采用Ⅰ級粉煤灰，摻量控制在膠凝材料用量的30%左右。

5）采用羧甲基纖維素增黏劑，摻量控制在膠凝材料用量的0.035%左右。

5.2 設(shè)備

施工主要機具見表2

表2 主要施工機械

6 質(zhì)量控制

6.1 質(zhì)量控制標準

1）本技術(shù)主要執(zhí)行的是《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ/T 283—2012[3]，《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》CECS 28—90、《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》GB 50666—2011 的規(guī)定。

2）自密實混凝土現(xiàn)場坍落擴展性能指標：坍落度≥255 mm，擴展度≥600 mm。

3）當試驗柱完成后，還需要進行其他的檢測，如混凝土試件強度檢測、柱剖口觀察、混凝土完整性超聲波檢測、橫向抽芯檢測、縱向抽芯檢測等。

①剖口觀察

在完成混凝土澆筑的試驗柱的側(cè)面不同位置開設(shè)觀察窗口，觀察窗口設(shè)在橫向隔板節(jié)點復(fù)雜且混凝土不易密實的部位。 在試驗的過程中，分別在試驗柱的上、中、下部位進行剖口檢查，剖口主要集中在橫向隔板位置， 以直觀觀察混凝土的密實性，特別是橫向隔板處混凝土的密實性。 通過各個剖口窗的直觀觀察，剖口窗內(nèi)混凝土密實，各個剖口窗內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)混凝土麻面、孔洞、空腔及其他不密實情況。

②非橫隔板處超聲波檢測

每根試驗柱澆筑完成3 d 后，首先進行超聲波檢測，7 d 后再次進行超聲波檢測。超聲波檢測可以檢測到全柱內(nèi)的混凝土密實情況，通過對試驗柱的多次超聲波檢測， 柱內(nèi)混凝土密實無明顯缺陷，若橫向隔板出現(xiàn)不同波形，為該處混凝土與鋼板材質(zhì)不同引起。

③混凝土強度取芯測試

試驗柱端混凝土采用縱向取芯的方法測得混凝土的強度；其他位置鋼管切割后橫向取芯，測得相應(yīng)混凝土的強度。

4）工程鋼管混凝土柱的敲擊法檢查

該方法是通過聲音來分析管內(nèi)混凝土是否密實。 在實際工作中，需要沿柱周邊取等距離的若干個點，并從柱底敲擊至柱頂。 當柱的中間與兩端敲擊聲音不一致的時候，則視為出現(xiàn)異常情況，需進一步對其進行處理。

5）鋼管混凝土柱的超聲波檢查

①超聲波抽樣按檢測樓層鋼管柱總數(shù)的10%（不少于3 根）進行超聲波檢測。 測試頻率宜選擇在40～100 kHZ 范圍內(nèi)。

②數(shù)據(jù)整理分析

表3 超聲波檢測判定參考依據(jù)

A）測位混凝土聲學(xué)參數(shù)的平均值mx和標準差sx應(yīng)按式 1 計算:

式中:Xi——第i 點的聲學(xué)參數(shù)測量值；N——參與統(tǒng)計的測點數(shù)。

B）異常數(shù)據(jù)可按下列方法判別:

a）將各個檢測點的波幅、聲速或主頻值由大至小按順序分別排列，即 X1≥X2≥…Xn≥Xn+1≥…，并尋找數(shù)據(jù)中的可疑數(shù)據(jù)，如：排列在后面且數(shù)值明顯較小的數(shù)據(jù)作為可疑數(shù)據(jù)，然后將可疑數(shù)據(jù)中較大的數(shù)據(jù)（假定Xn）連同其前面的數(shù)據(jù)按上式計算出mx及sx值，并按式（2）計算異常情況的判斷值（X0）:

式中λ1的取值需按照《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》（CECS21）中的相關(guān)規(guī)定進行取值。

b）如果檢測位置中判斷出現(xiàn)異常點，那么可以根據(jù)異常檢測點的具體分布情況，按式（3）或式（4）進一步判別其相鄰測點是否異常:

式中λ2及λ3的取值需要按照 《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》（CECS21:2000）表3 取值。當檢測點布置為網(wǎng)格狀時，取λ2；當監(jiān)測點單排布置的時候，取 λ3。

C）當部分檢測點的聲學(xué)參數(shù)出現(xiàn)異常值的時候，需結(jié)合異常點的分布情況、波形等來確定混凝土的異常部位，可參考表3 進行判定。

7 注意事項

1）配備強有力的施工項目管理班組, 施工前編制詳細專項方案，并進行交底。

2）在混凝土攪拌的過程中要嚴格控制各項參數(shù)指標，包括粗細骨料的含泥量、級配、強度、粒徑等，保證混凝土的質(zhì)量滿足實際需求。

3）在混凝土澆筑過程中，需要專人專管，及時做好各項檢測工作。 混凝土每車必檢，檢查必須有記錄并由檢查人員簽字確認。 不符合要求的禁止使用，并且按規(guī)定留置試塊。

4）在施工的過程中，混凝土的澆筑方式要與混凝土的初凝時間相適應(yīng)，如同一根鋼管柱要進行混凝土連續(xù)澆筑、在底層混泥土初凝前完成上一層澆筑等。 同時，要合理控制混凝土的振搗質(zhì)量。

5）注重安全保障。 如操作平臺應(yīng)搭設(shè)牢固，作業(yè)人員需要做好安全防護，穿膠鞋、戴絕緣手套，使用帶有漏電保護的開關(guān)箱等。 對于高空作業(yè)的施工人員來說，需要佩戴不易掉落的工具包、安全帶、絕緣手套等各種安全防護用品。

6）要對施工現(xiàn)場進行有效管理，包括施工材料、設(shè)備等，并及時清除施工垃圾，做好現(xiàn)場的交通指揮，保證施工環(huán)境與條件的合理性。