高強(qiáng)混凝土置換技術(shù)在超高層建筑中的應(yīng)用

黃體波

(十九冶成都建設(shè)有限公司，四川成都 610091；中國(guó)十九冶集團(tuán)有限公司，四川成都 610031))

高強(qiáng)混凝土在超高層建筑當(dāng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,但在超高層建筑施工過(guò)程中難免會(huì)因人為、材料、環(huán)境、技術(shù)等因素，出現(xiàn)超高層建筑施工質(zhì)量缺陷和質(zhì)量事故。如因超高層建筑含鋼量大、鋼筋密集、型鋼混合結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)混凝土性能不穩(wěn)定等，造成混凝土澆筑不密實(shí)或強(qiáng)度不夠等問(wèn)題。本文結(jié)合實(shí)例對(duì)超高層混凝土質(zhì)量缺陷和質(zhì)量事故原因進(jìn)行分析及加固方案進(jìn)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(jié)構(gòu)形式為框架核心筒，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30～C70；一層框柱混凝土強(qiáng)度為C70。該工程在一層柱拆除模板后，發(fā)現(xiàn)一層1～3號(hào)柱身出現(xiàn)蜂窩、孔洞等外觀質(zhì)量缺陷。其中1號(hào)、3號(hào)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(hào)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(gòu)件大樣如圖1所示，框柱平面布置如圖2所示。

圖1 框柱構(gòu)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(cè)評(píng)估

為清楚缺陷柱內(nèi)部缺陷嚴(yán)重程度，制定處理方案，特委托檢測(cè)單位根據(jù)《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》，用ZBL-U510非金屬超聲檢測(cè)儀對(duì)1～3號(hào)框柱進(jìn)行檢測(cè)。在待測(cè)構(gòu)件的相對(duì)測(cè)試面上分別畫(huà)等間距的網(wǎng)格并編號(hào)確定對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)位置(圓柱采用徑內(nèi)對(duì)測(cè))。各柱測(cè)區(qū)檢測(cè)點(diǎn)平面布置及檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

(a)1號(hào)框柱

(b)2號(hào)框柱

(c)3號(hào)框柱●為異常點(diǎn) ○為非異常點(diǎn)圖3 1～3號(hào)框柱測(cè)區(qū)測(cè)點(diǎn)布置及檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)數(shù)據(jù)分析：1號(hào)框柱的缺陷在柱腳以上約1.0～4.9 m區(qū)域，缺陷深度在550 mm范圍內(nèi)。2號(hào)框柱的缺陷在柱腳以上約0.46～2.7 m區(qū)域，缺陷深度在300 mm范圍內(nèi)且絕大多數(shù)缺陷深度在60～100 mm之間。3號(hào)框柱的缺陷集中在柱身下部約1.5 m區(qū)域，缺陷深度在550 mm范圍內(nèi)；缺陷實(shí)例如圖4所示。

圖4 框柱外觀缺陷

為準(zhǔn)確對(duì)1～3號(hào)柱缺陷區(qū)域內(nèi)部混凝土密實(shí)性情況做出評(píng)估和判斷；根據(jù)超聲法的檢測(cè)結(jié)果，對(duì)1～3號(hào)框架柱存在超聲檢測(cè)異常的部位采用鉆芯法進(jìn)行鉆取小芯樣進(jìn)行驗(yàn)證檢查；取樣實(shí)例如圖5所示。

圖5 框柱取芯芯樣情況實(shí)例

檢查結(jié)果表明，1號(hào)、3號(hào)框柱的部分檢測(cè)點(diǎn)位處存在內(nèi)部混凝土孔洞或疏松。1號(hào)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(zhǎng)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(zhǎng)的孔洞。2號(hào)框柱外觀質(zhì)量缺陷區(qū)域內(nèi)部的混凝土密實(shí)性正常。3號(hào)框柱在1.5～2列/4～5行處的芯樣自外表面起135 mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)均存在疏松、孔洞。

3 缺陷產(chǎn)生的原因分析

(1)直接原因：通過(guò)框柱表面缺陷觀察及框柱原始設(shè)計(jì)資料分析，框柱內(nèi)配筋較多，且為型鋼混凝土柱；混凝土入模時(shí)混凝土的流動(dòng)性和自密實(shí)性差，入模后混凝土振搗不密實(shí)或局部位置未進(jìn)行振搗是本次框柱缺陷產(chǎn)生的直接原因。

(2)間接原因：該柱混凝土屬于高強(qiáng)混凝土C70，屬高性能混凝土，各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)其混凝土構(gòu)件成型質(zhì)量的好壞起至關(guān)重要的作用，在混凝土澆筑時(shí)，未對(duì)其基本性能指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格檢查如擴(kuò)展度。其次是施工現(xiàn)場(chǎng)管理經(jīng)驗(yàn)不足，施工時(shí)未充分考慮柱內(nèi)型鋼及鋼筋密集等影響因素；同時(shí)，對(duì)于高強(qiáng)混凝土施工，缺乏經(jīng)驗(yàn)，在施工時(shí)按照普通混凝土進(jìn)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(hào)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(duì)四種方案進(jìn)行了對(duì)比分析(表1)。

表1 四種方案對(duì)比分析

最終，根據(jù)各方意見(jiàn)，采用C75微膨脹性混凝土對(duì)1～3號(hào)框柱缺陷進(jìn)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(qiáng)高性能混凝土，各指標(biāo)對(duì)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(guān)重要。為達(dá)到該性能指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)室通過(guò)多次試驗(yàn)配比及試驗(yàn)，最終測(cè)得C75微膨脹混凝土28 d的強(qiáng)度84.7 MPa，限制膨脹率大于0.03 %，限制收縮率應(yīng)不小于-0.020 %。滿足要求。因此選擇該組配比做為缺陷區(qū)域置換材料，配合比各參數(shù)詳見(jiàn)表2。

4.3 置換加固實(shí)施方案

4.3.1 加固支撐體系

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，塔樓主體結(jié)構(gòu)施工至5層，各構(gòu)件在其自重作用下，已經(jīng)產(chǎn)生內(nèi)力，如直接剔除缺陷柱中缺陷混凝土，柱即被掏空，結(jié)構(gòu)極易發(fā)生變形呈現(xiàn)裂縫。因此，對(duì)框柱進(jìn)行卸載非常關(guān)鍵，即采用臨時(shí)支撐體系代替柱受力。根據(jù)缺陷框柱所處位置及荷載分布情況，對(duì)1號(hào)框架采取剛性支撐系統(tǒng)，在需要處理框柱相鄰區(qū)域內(nèi)搭設(shè)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(shè)范圍如圖6所示；在梁柱接頭位置離梁柱節(jié)點(diǎn)50 cm、80 cm處位置分別設(shè)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(hào)框架柱連接梁處均需搭設(shè)滿堂腳手架，以保證結(jié)構(gòu)安全。2號(hào)、3號(hào)框柱支撐體系加固方案同1號(hào)框柱。

表2 配合比各參數(shù)

圖6 鋼筒及千斤頂布置示意

為確保支撐體系穩(wěn)定、牢固，在實(shí)施過(guò)程中務(wù)必嚴(yán)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(shè)置點(diǎn)位，做好監(jiān)測(cè)變形并記錄。若發(fā)現(xiàn)梁或支架有變形，應(yīng)立即通知相關(guān)人員，對(duì)其結(jié)構(gòu)采取加固措施。

4.3.2 C70混凝土鑿除

在保證剛性支撐系統(tǒng)的可靠的境況下，用風(fēng)鎬將1～3號(hào)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(guò)程中，注意鋼筋的保護(hù)，使鋼筋無(wú)應(yīng)力、不變形。對(duì)已破壞的鋼筋應(yīng)在界面處理前將鋼筋恢復(fù)到位，并在鋼筋缺失或箍筋間距大的部位作加強(qiáng)處理。

鑿除混凝土區(qū)域應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)質(zhì)量缺陷檢測(cè)的點(diǎn)位及鉆芯取樣的情況，將混凝土不密實(shí)的缺陷區(qū)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(jié)合。

將大面松散缺陷混凝土剔除后，用電鎬對(duì)缺陷區(qū)域周邊進(jìn)行修正、鑿毛，以便后續(xù)灌注材料與原結(jié)構(gòu)混凝土緊密結(jié)合。

4.3.3 新老混凝土結(jié)合面的處理

澆筑混凝土前24 h對(duì)原混凝土表面進(jìn)行濕潤(rùn)、沖洗；澆筑C75補(bǔ)償收縮性混凝土前，為增加新舊混凝土粘結(jié)力，新老混凝土結(jié)合面處涂刷專(zhuān)用界面處理劑。

4.3.4 支設(shè)模板

將松散混凝土完全鑿除，保留鋼筋，將新舊混凝土結(jié)合部位用界面劑處理后；為保證柱子成型質(zhì)量及混凝土置換后的構(gòu)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(shè)前需將基層不平整的位置用砂輪機(jī)磨平，模板基層涂刷隔離劑。

為保證混凝土能夠澆筑密實(shí)，框柱四周增設(shè)澆筑口，方便振動(dòng)棒振搗，模板開(kāi)孔示意見(jiàn)圖7。待方孔下部混凝土澆筑完成即刻封堵并用發(fā)泡劑將縫隙堵塞。

圖7 缺陷區(qū)域模板開(kāi)口平面及剖面

為保證混凝土內(nèi)氣體逸出，在缺陷柱周邊缺陷區(qū)域最高位置預(yù)留一個(gè)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(qū)域150 mm，最頂上的漏斗口高出450 mm。漏斗口數(shù)量的設(shè)置至少設(shè)置6個(gè)，尺寸不小于200 mm×300 mm，以便于澆灌及振動(dòng)棒的插入。

模板支設(shè)完成后，需用發(fā)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(bǔ)償收縮性混凝土澆筑

為確保C75各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求，在120 min內(nèi)澆筑完成，采取分批次供料的方式。澆筑過(guò)程中1人控制微型振動(dòng)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(shí)。振動(dòng)棒振搗時(shí)，必須快插慢撥，振搗均勻，以防過(guò)振造成混凝土離析。

C75補(bǔ)償收縮性混凝土澆灌時(shí)，必須將漏斗口澆灌滿，并高出缺陷區(qū)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(shí)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(cè)限制膨脹率試塊及強(qiáng)度試塊，將試塊分別置于同條件和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)；以證明本次澆筑的混凝土各項(xiàng)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)和施工要求。經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，C75微膨脹混凝土各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3.7 缺陷柱模板拆除

混凝土澆筑完成后8～12 h內(nèi)，對(duì)模板外表進(jìn)行澆水養(yǎng)護(hù)；每天3次，待兩天后拆除框架柱模板。模板拆除應(yīng)注意不要碰壞邊角并觀察混凝土澆筑是否有缺陷?；炷林脫Q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(shí)例

4.3.8 缺陷柱養(yǎng)護(hù)

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(qiáng)的材料對(duì)缺陷區(qū)域新澆筑混凝土進(jìn)行覆蓋并澆水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間至少14 d。

5 加固結(jié)果分析

(1)加固方案實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)對(duì)每個(gè)支撐點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，保證了支撐系統(tǒng)的安全性。

(2)對(duì)置換材料的研究、試驗(yàn)，最終保證了C75微膨脹混凝土的各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。特別是C75高強(qiáng)混凝土限制收縮率和限制膨脹率的控制滿足規(guī)范要求。

(3)模板支撐體系選擇定型模板系統(tǒng)以及對(duì)澆筑口的留設(shè)等關(guān)鍵工序，最終確?；炷脸尚唾|(zhì)量較好，保證了混凝土構(gòu)件的完整性。

6 結(jié)束語(yǔ)

該案例應(yīng)用C75微膨脹高強(qiáng)混凝土置換施工技術(shù)，經(jīng)結(jié)構(gòu)鑒定，該結(jié)構(gòu)安全，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限和耐久性，保證了構(gòu)件的完整性和結(jié)構(gòu)安全。該方案相較于注漿+包鋼加固方案節(jié)約成本20～30萬(wàn)元；較傳統(tǒng)的返工處理方案節(jié)約工期15～30 d，成本節(jié)約15萬(wàn)元。同時(shí)，通過(guò)C75高強(qiáng)混凝土置換技術(shù)在超高層建筑施工中的應(yīng)用及研究，為超高層高強(qiáng)度混凝土施工質(zhì)量嚴(yán)重缺陷問(wèn)題的處理提供思路，積累了施工經(jīng)驗(yàn)。為高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)加固和修補(bǔ)提供了一種加固處理方法，也為今后類(lèi)似超高層高強(qiáng)混凝土質(zhì)量相關(guān)問(wèn)題的處理，提供參考和借鑒。