小直徑鋼管柱高拋免振搗混凝土施工技術(shù)

劉正勇 ,蘇志崗 ,曹俊杰

(1.浙江舜江建設(shè)集團(tuán)有限公司,浙江 紹興 312300；2.上海申昆混凝土集團(tuán)有限公司,上海201709；3.江蘇中南建筑產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司, 江蘇 海門 226100)

小直徑鋼管柱高拋免振搗混凝土施工技術(shù)

劉正勇1,蘇志崗2,曹俊杰3

(1.浙江舜江建設(shè)集團(tuán)有限公司,浙江 紹興 312300；2.上海申昆混凝土集團(tuán)有限公司,上海201709；3.江蘇中南建筑產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司, 江蘇 海門 226100)

小直徑鋼柱內(nèi)澆筑高拋?zhàn)悦軐?shí)混凝土,施工的安全和質(zhì)量難以得到保證。今通過對(duì)混凝土配比及工作性能的多次試驗(yàn)研究,確定了澆筑小直徑鋼柱自密實(shí)混凝土的最佳配比和工作性能；并且在澆筑過程中,采用了安全平臺(tái)、澆筑漏斗、控制澆筑時(shí)間等多種手段,確保了施工過程安全及鋼柱內(nèi)混凝土的澆筑質(zhì)量。

鋼結(jié)構(gòu)住宅；鋼管混凝土；高拋免振搗混凝土；建筑工業(yè)化

推進(jìn)建筑工業(yè)化,施工現(xiàn)場(chǎng)的裝配式施工技術(shù)是重要組成部分,而鋼結(jié)構(gòu)建筑是極其適合裝配式施工技術(shù)的：它是集合工廠制作、現(xiàn)場(chǎng)裝配、機(jī)械化操作、智能化控制的結(jié)構(gòu)體系。

為加快推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)在住宅建筑中的應(yīng)用,江蘇中南集團(tuán)在江蘇昆山建造江蘇省內(nèi)第一棟鋼結(jié)構(gòu)住宅。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

昆山中南世紀(jì)城21#樓為江蘇省內(nèi)第一棟鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑,位于昆山市微山湖路與太湖北路交匯處。建筑地下2層,地上33層,總高度96.7 m。標(biāo)準(zhǔn)層面積465 m2。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)體系及鋼柱簡(jiǎn)介

工程采用鋼框架中心支撐結(jié)構(gòu),鋼框架柱內(nèi)澆灌混凝土。主要鋼柱構(gòu)件尺寸規(guī)格見表1、圖1。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,對(duì)鋼柱及內(nèi)澆筑混凝土要求見表2。

表1 主要鋼柱截面尺寸

注：鋼柱內(nèi)隔板：設(shè)置于鋼柱與梁、支撐等連接部位,孔徑分別為100、120、150 mm三種。建筑高層,柱壁厚及截面有局部變化,對(duì)混凝土澆筑影響不大。

1.3 鋼管柱混凝土施工技術(shù)介紹

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的柱芯混凝土澆筑工藝[1- 2],在以往主要采用兩類方法：第一類是傳統(tǒng)的振搗澆筑法;第二類是免振搗澆筑法。在免振搗澆筑法中,又分為高位拋落法和泵送頂升法兩種。前者利用混凝土高位拋落的動(dòng)能來實(shí)現(xiàn)混凝土的密實(shí),后者利用混凝土在承壓狀態(tài)下成型來實(shí)現(xiàn)混凝土的密實(shí)。

圖1 鋼柱內(nèi)隔板位置及尺寸圖

表2 鋼柱內(nèi)灌混凝土標(biāo)號(hào)

本工程由于中間隔板的存在無法實(shí)現(xiàn)振搗,只能采取免振搗方法。通常的免振搗澆筑法中,可將其分為高位拋落法和泵送頂升法兩種。頂升法和高拋免振搗法在本工程中的應(yīng)用對(duì)比見表3。由于封頭板和水平隔板的存在，高位拋落實(shí)現(xiàn)困難；若采用頂升的方法,則要在箱形柱壁板開直徑200 mm的圓洞,設(shè)計(jì)單位持否定態(tài)度。

表3 頂升法和高拋免振搗法在本工程中的應(yīng)用對(duì)比

綜合工程的實(shí)際情況,決定采用高拋免振搗法澆筑。

1.4 鋼管內(nèi)澆筑高拋免振搗混凝土施工技術(shù)難點(diǎn)

采用塔吊吊運(yùn)高拋免振搗施工存在如下技術(shù)難點(diǎn)：

1)鋼柱為四層一節(jié)安裝,每節(jié)柱長(zhǎng)約12～12.5 m,中間5×2個(gè)橫隔板,采用漏斗接入。如采用短漏斗,混凝土拋落高度接近規(guī)范允許的極限值12 m;如用長(zhǎng)漏斗,混凝土從漏斗中流出慢。

2)內(nèi)部每層鋼梁位置處均設(shè)有兩塊加勁板,加勁板開口直徑為100、120、150 mm,柱底鐵板開口直徑為80 mm。鋼柱內(nèi)隔板的孔徑小,內(nèi)徑最小為100 mm,對(duì)混凝土的間隙通過率、流動(dòng)度及抗離析度等性能要求高。

3)本工程建筑總高96.7 m,頂層鋼柱澆筑混凝土,樓層高、應(yīng)用塔吊澆筑速度慢(增加漏斗數(shù)量、容積)；

4)高層混凝土澆筑時(shí)為高空作業(yè),根據(jù)施工流程,高層鋼管柱澆筑時(shí),周圍并未形成有效的安全圍護(hù),混凝土澆筑時(shí)的安全施工難度大。

2 高拋?zhàn)悦軐?shí)混凝土的研制

2.1 高拋免振搗混凝土要求

根據(jù)《高拋免振搗混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范(JGJ/T 296—2013)》《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程(JGJ/T 283—2012)》對(duì)混凝土的擴(kuò)展時(shí)間、擴(kuò)展度、離析度等性能規(guī)定和要求,結(jié)合本工程特點(diǎn),對(duì)混凝土性能有更高的要求：

1)高抗離析度 工程混凝土從近12 m高處拋落,鋼柱內(nèi)橫隔板類似于擋板,容易造成混凝土的離析。因此,工程應(yīng)用混凝土抗離析度要求高。

2)擴(kuò)展時(shí)間短 小口徑鋼管內(nèi)有較多橫隔板,橫隔板孔徑小(最小100 mm),如澆筑速度過快,橫隔板下方極易形成空腔,導(dǎo)致混凝土澆筑不密實(shí)。如混凝土澆筑時(shí)能在較短時(shí)間完成擴(kuò)展,同時(shí)控制橫隔板下部混凝土的澆筑速度,則可以達(dá)到比較好的密實(shí)度。

3)為避免澆筑時(shí)混凝土收縮產(chǎn)生局部空隙,要求混凝土保持無收縮或微膨脹。

2.2 實(shí)驗(yàn)調(diào)整及配比

實(shí)驗(yàn)室反復(fù)進(jìn)行混凝土配比并進(jìn)行性能測(cè)試,除符合前述兩項(xiàng)規(guī)范要求外,還參考相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了V形箱、L形槽等類似性能測(cè)試[3],制定的高拋免振搗混凝土配合比見表4。擴(kuò)展(流動(dòng))度試驗(yàn)見圖2，V型槽試驗(yàn)見圖3，L型箱試驗(yàn)見圖4，高拋抗離析度試驗(yàn)見圖5。

表4 C55高拋免振搗混凝土配合比

實(shí)驗(yàn)室測(cè)得高拋免振搗混凝土性能指標(biāo)表5。

表5 高拋免振搗混凝土性能檢測(cè)表

注：標(biāo)準(zhǔn)1為《高拋免振搗混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范(JGJ/T 296—2013)》；標(biāo)準(zhǔn)2為《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程(JGJ/T 283—2012)》；性能測(cè)試以標(biāo)準(zhǔn)1為主,主要通過流動(dòng)性、間隙通過性、填充性、抗離析性來表征。

圖2 擴(kuò)展(流動(dòng))度試驗(yàn)

圖3 V型槽試驗(yàn)(V型通過時(shí)間)

圖4 L形箱試驗(yàn)(間隙通過率)

圖5 高拋抗離析度試驗(yàn)

圖6 鋼管搭設(shè)操作平臺(tái)

3 工程施工技術(shù)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)小直徑鋼柱澆筑試驗(yàn)

在全面澆筑鋼柱混凝土前,選取結(jié)構(gòu)邊緣一根鋼柱進(jìn)行試驗(yàn)性澆筑。

3.1.1 技術(shù)準(zhǔn)備

1)對(duì)每一規(guī)格鋼柱進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算,計(jì)算單柱澆筑混凝土用量及每層澆筑量(分層考慮鋼柱內(nèi)隔板位置)。

2)施工操作平臺(tái)搭設(shè)：為確保澆筑時(shí)操作工人的安全可靠,施工現(xiàn)場(chǎng)采用鋁合金管及對(duì)拉螺栓搭設(shè)了簡(jiǎn)易的操作籠,對(duì)稱設(shè)置,澆筑時(shí),2名混凝土工人立于籠內(nèi),控制料斗的開關(guān)。

3)漏斗準(zhǔn)備：混凝土澆筑漏斗采用鋼板焊接,下接500 mm長(zhǎng)鋼管,鋼柱上口孔徑為150 mm,漏斗管徑85 mm。

3.1.2 澆筑過程控制

1)澆筑前,對(duì)鋼柱內(nèi)進(jìn)行清理,清除垃圾雜物、排出積水。

2)正常澆筑時(shí),先澆筑一層 200 mm 厚與高拋免振搗混凝土強(qiáng)度等級(jí)相同的水泥砂漿,以防止自由下落的混凝土粗骨料產(chǎn)生彈跳。考慮鋼柱內(nèi)有多道內(nèi)隔板,在正常結(jié)漿厚度為200 mm的基礎(chǔ)上,增加50%漿料。

3)混凝土料斗放料至澆筑料斗內(nèi),利用混凝土下落產(chǎn)生的動(dòng)能來達(dá)到混凝土的自密實(shí)；確保漏斗的導(dǎo)向管位于鋼管加勁板孔的中心,以便可以直接進(jìn)行高拋灌注。

4)應(yīng)加強(qiáng)鋼管柱底部及鋼管柱管壁排氣孔的觀察。確認(rèn)漿體流出和澆搗密實(shí)后封堵排氣孔。

5)鋼管內(nèi)自密實(shí)混凝土澆灌工作宜連續(xù)進(jìn)行,若有間歇,時(shí)間不應(yīng)超過自密實(shí)混凝土的終凝時(shí)間。

6)澆筑過程連續(xù)進(jìn)行,每澆筑到隔板下沿時(shí)(根據(jù)外側(cè)木錘敲擊判斷),停留約15 s(根據(jù)混凝土擴(kuò)展時(shí)間),讓混凝土充分填充隔板下沿,然后繼續(xù)澆筑,若必須間歇時(shí),時(shí)間不應(yīng)超過自密實(shí)混凝土的終凝時(shí)間。

7)澆筑至鋼柱頂下600 mm,完成該鋼柱的混凝土澆筑；預(yù)留600 mm為避免鋼柱焊接連接時(shí)產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致混凝土受損。

8)混凝土澆筑完成后,用鋼蓋板蓋住,以防下雨時(shí)雨水進(jìn)入,導(dǎo)致下次混凝土澆筑時(shí)混凝土含水量過大。也能防止油和其他異物等落入。

3.1.3 澆筑時(shí)的安全措施

鋼柱高拋混凝土澆筑為高空作業(yè),普通混凝土工人難以適應(yīng),如何解決鋼柱澆筑時(shí)的高空安全作業(yè)問題,是澆筑施工的重要施工技術(shù)。

因采用的是高拋免振搗混凝土,對(duì)混凝土澆筑的技術(shù)要求不高,只需要控制混凝土下落速度,通過溝通,適應(yīng)高空作業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)安裝工人成為鋼柱混凝土澆筑的施工人員。

為確保施工安全,高空作業(yè)人員除系掛安全繩之外,采用了鋼管搭設(shè)澆筑簡(jiǎn)易平臺(tái)及焊接施工小籠的方式,進(jìn)行鋼柱混凝土澆筑。見圖6。

3.2 過程質(zhì)量控制

依據(jù)《鋼管混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范(GB 50628—2010)》,鋼管混凝土的密實(shí)度為主控項(xiàng)目,檢驗(yàn)方法主要為澆筑的試驗(yàn)工藝、試驗(yàn)報(bào)告及澆筑施工記錄。

施工過程中,主要采用如下幾種方法進(jìn)行過程控制。

1)鋼柱外敲擊：澆筑時(shí),安排1名工人在鋼柱外沿豎向用小木錘敲擊,敲擊時(shí),根據(jù)聲音判斷混凝土澆筑到達(dá)柱內(nèi)的高度,同時(shí)判斷澆筑是否密實(shí)。

2)透氣孔觀察：鋼柱制作時(shí),在梁上端100 mm左右鋼柱四側(cè)均開有直徑約10 mm的小孔,澆筑時(shí),小孔用于及時(shí)排出鋼柱氣體,同時(shí),根據(jù)氣孔內(nèi)出漿量,觀測(cè)澆筑密實(shí)情況。

3)計(jì)算加入混凝土量,與鋼柱內(nèi)容積進(jìn)行對(duì)比,判斷密實(shí)度。

4 質(zhì)量檢驗(yàn)及施工總結(jié)

基于對(duì)鋼柱內(nèi)混凝土密實(shí)度施工質(zhì)量的擔(dān)心,對(duì)小直徑鋼柱混凝土密實(shí)度情況進(jìn)行了如下幾種方式的檢查和驗(yàn)收：

1)密實(shí)度是鋼管混凝土質(zhì)量檢驗(yàn)的主控項(xiàng)目,但由于檢驗(yàn)的技術(shù)水平,現(xiàn)今尚無有效的非破損檢驗(yàn)技術(shù),超聲波檢測(cè)對(duì)于小直徑鋼管混凝土的成功率不高。

2)施工過程控制是鋼柱混凝土密實(shí)度的主要控制手段，采用的過程控制主要有以下幾種方法：①通過計(jì)算鋼柱內(nèi)空間容積,核對(duì)澆灌混凝土量,粗略判斷鋼柱混凝土是否密實(shí)；②鋼柱制作前,在橫隔板下沿柱翼緣對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)直徑約10 mm的圓孔,可排放氣體,也可作為混凝土密實(shí)度的觀測(cè)孔；③澆筑時(shí)采用木錘在鋼柱側(cè)邊敲擊,通過聲音判斷澆筑高度及密實(shí)度。

3)終凝后的檢測(cè)手段：①混凝土終凝后,可以采用超聲波進(jìn)行非破損檢測(cè),由于超聲波檢測(cè)的原理、儀器精度及后處理手段限制,超聲波檢測(cè)的可靠性和準(zhǔn)確性并不高,難以提供肯定的檢測(cè)結(jié)論；②采用取芯方式對(duì)鋼柱進(jìn)行破損檢測(cè),判斷鋼柱內(nèi)混凝土強(qiáng)度及密實(shí)度。

4)本工程施工時(shí),除過程控制手段外,混凝土終凝后,采用了取芯的檢測(cè)手段進(jìn)行密實(shí)度檢測(cè),取芯鋼柱取3根及總數(shù)1%的大值,取芯位置為柱底橫隔板下100 mm位置。結(jié)果表明,混凝土強(qiáng)度及密實(shí)度均滿足規(guī)范要求。

在鋼柱內(nèi)澆灌混凝土試驗(yàn)中,柱腳錨栓位置留有約100 mm空隙,原設(shè)計(jì)采用灌漿澆筑,試驗(yàn)時(shí),在柱腳用砂漿進(jìn)行封堵,柱頂高拋混凝土后,將柱腳封堵砂漿鉆孔,檢查,柱腳處混凝土密實(shí)。

據(jù)此可以判斷,施工時(shí),鋼柱內(nèi)的混凝土密實(shí)。

5 改進(jìn)措施

為增加鋼柱內(nèi)澆混凝土的施工質(zhì)量、便于施工操作、加快澆筑速度,在第一次澆筑鋼柱內(nèi)混凝土?xí)r,施工單位提出了以下幾點(diǎn)改進(jìn)措施：

1)與設(shè)計(jì)單位溝通,變更設(shè)計(jì),通過加大內(nèi)隔板厚度,增加內(nèi)隔板澆筑孔孔徑,特別是截面小的鋼柱,將內(nèi)隔板澆筑孔擴(kuò)大,使混凝土澆筑速度加快。變更前后的鋼管內(nèi)隔板孔徑見表6。

表6 變更前后的鋼管內(nèi)隔板孔徑

2)增加漏斗下導(dǎo)管截面,加快下料速度。

3)在鋼柱截面增加透氣觀察孔數(shù)量,特別在內(nèi)隔板下沿100 mm處對(duì)側(cè)增加透氣孔,用于直接觀察內(nèi)隔板下沿混凝土密實(shí)度。

4)探索頂升法澆筑小直徑鋼柱混凝土,爭(zhēng)取在下一層鋼柱澆筑中,選取一根鋼柱進(jìn)行頂升法澆筑試驗(yàn)。

[1] 馬雪英,彭春強(qiáng),楊欣,等. 高拋?zhàn)悦軐?shí)鋼管混凝土的配制與工程應(yīng)用[J].建筑技術(shù),2009,40(1):45- 47．

[2] 牟廷敏,宋曉波,范碧琨,等. C50高拋?zhàn)悦軐?shí)微膨脹鋼管混凝土的研究與應(yīng)用[J].混凝土, 2012(9):103- 105．

[3] 董文祥,王寧.鋼管柱高拋?zhàn)悦軐?shí)混凝土足尺工藝試驗(yàn)研究[J].施工技術(shù), 2014,43(增刊1):200- 202．

Construction Technology of the High Throwing Concrete without Vibration of the Steel Pipe Column with Small Diameter

LIUZhengyong,SUZhigang,CAOJunjie

2017- 02- 28

劉正勇(1971—)，男，江西豐城人，高級(jí)工程師，從事土木工程施工研究工作。

TU755.6

B

1008- 3707(2017)04- 0029- 06