鋼管內(nèi)無收縮混凝土施工技術(shù)的研究

偉基建設(shè)集團有限公司 杭州 310014

1 工程概況

杭州朝暉現(xiàn)代城三期（野風(fēng)現(xiàn)代大廈），位于杭州市紹興路，總建筑面積111 945.8 m2，地下3 層，地上寫字樓23 層，建筑高度97.4 m，結(jié)構(gòu)類型為鋼框架—鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)。寫字樓外框柱采用17 根矩形鋼管混凝土柱，截面尺寸為700 mm×700 mm×22 mm，灌注孔Φ350 mm，灌芯混凝土強度等級C50。1～2層層高4.79 m，3～23層層高3.95 m。

2 鋼管混凝土的性能特點

鋼管混凝土具有承載力高、塑性和韌性好、節(jié)省材料、方便施工等諸多優(yōu)點，在高層建筑和重點工程中得到廣泛應(yīng)用[1]。但鋼管混凝土柱管內(nèi)混凝土的澆筑屬于隱蔽工程，混凝土的澆筑質(zhì)量是無法直觀檢查的。當(dāng)采用人工澆灌并振搗時，只能依靠操作人員的責(zé)任心和嚴(yán)密的施工組織管理來保證施工質(zhì)量。其中質(zhì)量控制上最為關(guān)鍵的在于內(nèi)芯混凝土，若達不到密實度要求，就會存在蜂窩、細(xì)孔、氣泡等缺陷[2,3]；另外，混凝土在硬化過程中會產(chǎn)生收縮變形，而鋼管內(nèi)混凝土一般情況下強度都比較高，其收縮變形會更大，這些都會大幅度削弱鋼管混凝土整體結(jié)構(gòu)的承載力。

鋼管混凝土的澆灌方法有3 種[4-6]，即底部頂升法、高位拋落法和立式澆搗法?；炷恋妮斔头绞接斜盟秃同F(xiàn)場塔式起重機運輸?shù)?。底部頂升法和高位拋落法要求混凝土必須要有較大的坍落度，且極易產(chǎn)生管壁與混凝土粘結(jié)不緊密等質(zhì)量缺陷。立式澆搗法則由于振動棒振搗等因素，在管頂容易產(chǎn)生泌水層和砂漿層。為了保證鋼管與管內(nèi)混凝土共同作用，必須保證混凝土的密實度，減少混凝土的收縮。

本工程采用了分層澆注、分層振搗的施工方法，且在鋼管混凝土中摻入微膨脹抗裂膨脹劑和高效減水劑等，配制成補償收縮混凝土，使之既滿足施工工藝要求，又滿足了鋼管混凝土柱對混凝土的特定要求。

在施工中，我們還用高頻振動器代替普通振動器可顯著提高混凝土密實度，其振動頻率高達12 000次/min，其激振力強，具有普通振動器無法達到的高密實度，可促使鋼管內(nèi)混凝土被鋼管完全約束，使抗壓強度進一步提高；同時鋼管由于內(nèi)部得以充實，剛度增加，鋼管混凝土能夠承受的壓力相當(dāng)于兩者單獨受壓的壓力之和的2 倍，真正實現(xiàn)鋼管混凝土承載力強、耐久性高、經(jīng)濟性能優(yōu)越的特點。

圖1 分層振搗澆筑示意

3 施工操作要點

3.1 配合比試驗

由于鋼管內(nèi)混凝土性能有多方面的要求，混凝土的配合比優(yōu)化設(shè)計尤為重要。其中水膠比、粉煤灰和微膨脹抗裂膨脹劑摻量是鋼管混凝土的關(guān)鍵和重要因素。要在滿足強度下盡量降低水膠比，降低水泥用量。

首先，混凝土拌和物要求流動性和保水性能最佳，漿骨料比例適當(dāng)（若砂漿量太小，影響混凝土的流動性；砂漿量過大，混凝土自身收縮性增大；同時，粗骨料體積比例小，混凝土的彈性模量降低，混凝土的受壓變形增大）。

其次，在澆混凝土前，為優(yōu)化配合比并確定膨脹劑最優(yōu)摻量，要按不同膨脹劑摻量制作多組試驗試塊，標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護，測量初始長度及3 d、7 d、14 d、28 d、60 d的試件長度。本工程根據(jù)試驗結(jié)果，同時參考膨脹劑推薦摻加量，采用SY-G高性能抗裂膨脹劑，膨脹劑摻量為水泥用量的8%。并經(jīng)設(shè)計院認(rèn)可后按此配合比實施。

3.2 混凝土制備

（a）嚴(yán)格按混凝土配合比通知單下料，嚴(yán)格控制混凝土的配料順序，確保配料準(zhǔn)確無誤。

（b）對攪拌站微機控制系統(tǒng)及自動計量系統(tǒng)嚴(yán)格認(rèn)真監(jiān)控，經(jīng)常檢查其工作狀況是否正常。投料時確保原材料品種使用無誤，計量允許偏差不應(yīng)超過下列規(guī)定：水泥、摻合料、水為±1%；粗細(xì)骨料為±2%；外加劑為±1%。

3.3 混凝土運輸

（a）混凝土攪拌運輸車裝料前應(yīng)沖洗拌筒，并清除筒內(nèi)積水后方能裝料。混凝土出廠前必須經(jīng)質(zhì)檢員檢查合格后才能簽證放行。

（b）運輸途中拌筒以1～3 r/min速度進行攪動。攪拌車到達現(xiàn)場卸料前應(yīng)使拌筒以8～12 r/min再轉(zhuǎn)1～2 min，然后進行反轉(zhuǎn)卸料。

（c）混凝土攪拌車到達工地卸料前，如檢查發(fā)現(xiàn)混凝土的和易性、坍落度不符合要求，需進行處理時，應(yīng)由攪拌站駐現(xiàn)場技術(shù)代表進行處理，如需加外加劑，在添加后要再快速攪拌3 min才能卸料。如該車混凝土達到初凝時間，應(yīng)作報廢處理。

（d）必須按發(fā)貨單注明的工程名稱、部位、混凝土強度等級，及時、準(zhǔn)確地運送到施工現(xiàn)場，攪拌車運送頻率和運送時間必須符合施工要求，混凝土在運送途中及至施工現(xiàn)場均嚴(yán)禁加水。

3.4 混凝土澆筑準(zhǔn)備

（a）鋼管柱已安裝完畢，達到澆筑混凝土要求。

（b）混凝土澆筑操作平臺搭設(shè)完成，滿足施工操作需求。

（c）施工現(xiàn)場已架設(shè)足夠的照明設(shè)施，滿足夜間施工照明要求。

（d）將鋼管柱內(nèi)的雜物、積水清理干凈，不能有明水。

（e）安裝串筒或溜槽。

3.5 混凝土澆筑

（a）選用高頻低噪聲環(huán)保型電機內(nèi)裝插入式振動器及成套設(shè)備代替普通插入式振搗棒，本工程選用型號為ZDN36/50/56型（3 種型號振動棒），其振動頻率高，振動棒長度達15 m，能保證混凝土振搗到位。

（b）在鋼柱每個分段（2～3個樓層一段）安裝完成并焊接、樓層全部鋼梁安裝完成，除懸挑梁外全部校正緊固焊接后，開始澆灌本段鋼管內(nèi)混凝土。

（c）為保證有良好的工作面，在澆灌鋼管內(nèi)混凝土前鋪好樓承板。天氣不好時，應(yīng)增設(shè)局部照明，以保證能看清鋼管內(nèi)混凝土振搗情況。

（d）混凝土采用塔式起重機吊運，澆筑混凝土前檢查料斗口開啟、關(guān)閉是否順利，料斗內(nèi)是否清除干凈。

（e）澆筑前對鋼管安裝質(zhì)量進行確認(rèn)，并檢查鋼管內(nèi)壁干凈、無油污、塵土、雜物等，符合后再澆筑混凝土。

（f）鋼管內(nèi)混凝土選用人工逐段澆筑法澆筑，混凝土自鋼管上口灌入，采取分層澆注、分層振搗，一次澆灌高度不大于1.5 m，現(xiàn)場操作圖及直管段、節(jié)點處混凝土振搗系統(tǒng)布置如圖2、圖3所示。

（g）采用新型插入式高頻振動機代替普通插入式振搗器進行鋼管內(nèi)混凝土的振搗，啟動時應(yīng)先確定機組旋轉(zhuǎn)方向和棒頭的偏擺方向與箭頭標(biāo)示一致（棒體在啟動的第一時間呈逆時針偏擺），振搗時要快插慢拔，插點沿梅花型布置，逐點移動，按順序進行，移動間距≤800 mm，每點振搗時間不小于30 s，以混凝土表面已呈現(xiàn)浮漿及石子不再沉落、不冒出氣泡為止。不得漏振。

圖2 直管段混凝土振搗系統(tǒng)布置示意

圖3 節(jié)點段混凝土振搗系統(tǒng)布置示意

（h）當(dāng)混凝土澆注至鋼管內(nèi)環(huán)肋板位置時，停止灌注混凝土，此時應(yīng)沿內(nèi)環(huán)肋板方向加強振動，使混凝土內(nèi)氣泡通過內(nèi)環(huán)肋板排氣孔排出，防止內(nèi)環(huán)肋板下氣泡聚集，使混凝土在內(nèi)環(huán)肋板下產(chǎn)生孔洞現(xiàn)象。

（i）鋼管內(nèi)混凝土澆筑應(yīng)連續(xù)進行，不得中斷，必須間歇時，應(yīng)在前層混凝土初凝前將次層混凝土澆筑完畢。

（j）每段鋼管柱的混凝土，只澆筑到離鋼管頂端500 mm 處，以防焊接高溫影響混凝土的質(zhì)量。若表面出現(xiàn)少量浮漿，可用人工刮除浮漿至完成面標(biāo)高，并將混凝土表面刮花處理。

（k）澆筑后對管口進行封閉，防止水等雜物進入?；炷翝仓蟛坏迷賹︿摴苓M行任何調(diào)整。

（l）冬期施工時，采取在鋼管外包毯子等進行保溫養(yǎng)護，防止受凍。

3.6 混凝土養(yǎng)護

為了減少混凝土的水分散失和塑性開裂，應(yīng)加強養(yǎng)護?；炷脸跄蠹皶r蓄水養(yǎng)護，以使混凝土能夠及時散熱，降低水化放熱的峰值溫度。

3.7 鋼管內(nèi)混凝土超聲波檢測

用超聲波檢測鋼管混凝土的完整性。根據(jù)合理布設(shè)檢測點對鋼管混凝土的密實程度和均勻性。檢測鋼管混凝土是否存在缺陷及缺陷位置，做好詳細(xì)的記錄和標(biāo)記，對不密實的部位采用局部鉆孔、壓漿法進行補強，然后將鉆孔補焊封閉牢固。

4 質(zhì)量控制

4.1 工程質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

（a）《鋼管混凝土工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB 50628—2010）；

（b）《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》（GB 50666—2011）；

（c）《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB 50204—2002）；

（d）《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50164—2011）；

（e）《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB 50119—2013）

（f）《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB 50205—2001）；

（g）《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 138—2001）；

（h）《補償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 178—2009）；

（i）《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ 55—2011）；

（j）《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 159：2004）。

4.2 施工質(zhì)量控制要求

（a）鋼管內(nèi)混凝土的強度等級應(yīng)符合設(shè)計要求。

（b）鋼管內(nèi)混凝土的工作性能和收縮性應(yīng)符合設(shè)計要求和國家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。鋼管柱內(nèi)混凝土與鋼管壁應(yīng)粘結(jié)緊密，無收縮空隙。

（c）鋼管內(nèi)混凝土運輸、澆筑及間歇的全部時間不應(yīng)超過混凝土的初凝時間，同一施工段鋼管內(nèi)混凝土應(yīng)連續(xù)澆筑。當(dāng)需要留置施工縫時應(yīng)按專項施工方案留置。

（d）鋼管內(nèi)混凝土澆筑應(yīng)密實，包括鋼管內(nèi)環(huán)肋板下混凝土應(yīng)振搗密實，無空鼓現(xiàn)象。

（e）鋼管柱頂混凝土表面密實，無浮漿，無松散顆粒，無龜裂現(xiàn)象。

4.3 質(zhì)量保證措施

（a）混凝土的各種原材料，包括水泥、磨細(xì)礦渣、粉煤灰、砂、石、外加劑等按國家規(guī)范和有關(guān)規(guī)定檢驗，在每項技術(shù)指標(biāo)符合要求后方能使用。

（b）對已安裝好的鋼管柱柱頭立即加蓋保護蓋板，以防雨水、油、異物落入。并進行中間環(huán)節(jié)驗收，確保鋼管柱在澆筑前干凈，無積水。檢查混凝土澆筑設(shè)備完好，防止在澆筑過程中出現(xiàn)故障。

（c）混凝土在入模前，應(yīng)對拌合物的工作性能進行檢驗，主要檢測坍落度等，不得發(fā)生外沿冒漿和中心骨料堆積現(xiàn)象。

（d）混凝土現(xiàn)場取樣制作試塊，應(yīng)以攪拌車卸料1/4后至3/4前的混凝土為代表?；炷寥印⒃嚰谱?、養(yǎng)護，均應(yīng)由攪拌站、施工現(xiàn)場雙方人員及見證取樣員共同簽證認(rèn)可?？刂迫肽囟仍?0 °C～30 °C范圍，鋼管柱局部溫度不超過40 °C。

（e）澆筑過程中，混凝土下落速度時間宜慢不能快，要注意混凝土澆筑連續(xù)性。如間斷澆筑時，澆筑間斷時間不得超過混凝土的初凝時間。

（f）混凝土澆筑完畢后，混凝土表面會有氣泡排出，并在混凝土表面泛起浮漿，應(yīng)在混凝土初凝前將浮漿除去，并在混凝土終凝前，將混凝土表面剔毛，至外露石子為止。

（g）防止混凝土澆筑過程中濺到隔板，導(dǎo)致混凝土松散、離析，采用鋼導(dǎo)管下料，有效防止混凝土離析。

（h）在施工現(xiàn)場對工人進行操作培訓(xùn)及技術(shù)交底。并加強操作人員質(zhì)量意識教育，制訂獎罰措施。

5 安全措施

（a）澆筑鋼管柱前，在鋼管周邊應(yīng)搭設(shè)臨時操作平臺，設(shè)防護欄桿；振搗、下料人員用的腳手架應(yīng)穩(wěn)固可靠并做好臨邊防護，同時佩戴好勞動保護用品。

（b）用塔式起重機吊運混凝土?xí)r，要經(jīng)常檢查料斗吊鉤是否牢固可靠，料斗口開啟及關(guān)閉是否靈活穩(wěn)當(dāng)，否則應(yīng)及時更換、維修。

（c）機械設(shè)備、電動工具等必須有可靠的接地接零和漏電保護裝置，建立安全生產(chǎn)保障體系，項目部設(shè)安全監(jiān)督員和專職安全員，有相應(yīng)的安全生產(chǎn)責(zé)任制。

（d）現(xiàn)場澆筑所產(chǎn)生的混凝土漿污染應(yīng)及時清理。

6 環(huán)保措施

6.1 建筑垃圾及粉塵控制的技術(shù)措施

（a）施工現(xiàn)場應(yīng)經(jīng)常曬水和澆水，以降低粉塵對人體的危害。

（b）混凝土材料攪拌時，工人應(yīng)佩戴橡膠手套、防毒口罩，阻止粉塵和外加劑對人體的危害。

（c）吊斗內(nèi)混凝土不應(yīng)裝得過滿，防止溢出。

6.2 噪聲控制的技術(shù)措施

（a）施工中盡量采用低噪聲的工藝和施工方法，必要時采取搭設(shè)隔音棚進行噪聲防護。

（b）結(jié)構(gòu)層表面進行處理的噪聲可能超過建筑施工現(xiàn)場的噪聲限值時，應(yīng)在開工前向建設(shè)行政主管部門和環(huán)保部門申報，核準(zhǔn)后再施工。

7 應(yīng)用效益分析

7.1 技術(shù)效果

該工法解決了鋼管內(nèi)混凝土收縮不均及與鋼管連接不緊密的技術(shù)難題，本工程采用敲擊鋼管法進行初步檢查，結(jié)果表明其整體密實度均良好。其中對重要部位鋼柱混凝土進行了超聲波實體探測，均達到了鋼管內(nèi)混凝土與鋼管結(jié)合緊密、混凝土密實無收縮的效果。

我們曾對普通振動器和高頻振動器2 種設(shè)備振搗的混凝土進行密實度檢測，通過檢測圖比對，高頻振動器振搗的混凝土雷達反射波波幅較穩(wěn)定，表明混凝土密實度較好。同時對混凝土取芯進行干表觀密度檢測對比，發(fā)現(xiàn)密實度進一步提高，耐久性增強。

7.2 經(jīng)濟效益

保證了混凝土灌芯的質(zhì)量，節(jié)約了返修的費用，提高了經(jīng)濟效益。

7.3 社會效益

此工法可行性強，對施工速度無影響，工程質(zhì)量好。特別是耗能小，施工噪聲小，在施工現(xiàn)場同條件下，對普通振動器和高頻振動器進行噪聲檢測，普通振動器的噪聲為95 dB，而高頻振動器的噪聲為75.1 dB，大大降低了噪聲對環(huán)境的影響。同樣，在金隅·杭政儲出18號2-D地塊工程鋼管混凝土柱、海寧長安大酒店工程矩形鋼管混凝土柱施工中，應(yīng)用鋼管內(nèi)無收縮混凝土工法，均收到了良好效果，凸顯其廣闊的應(yīng)用與發(fā)展前景。