鋼管柱高拋?zhàn)悦軐?shí)混凝土灌注的質(zhì)量控制

郝為峰（江蘇建科工程咨詢有限公司， 江蘇 南京 210019）

0 引 言

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)由于兼具混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，承載能力高、剛度大、塑性和韌性好，被廣泛應(yīng)用于高層建筑中，有人稱之為土木工程的第五大結(jié)構(gòu)體系。近年來，困擾鋼管混凝土施工的混凝土灌注工藝問題也大獲突破，高拋?zhàn)悦軐?shí)免振混凝土施工工藝日臻完善，大大增加了鋼管混凝土施工的便捷性。 蘇州工業(yè)園圓融星座工程自密實(shí)混凝土施工過程中，有效地解決了諸多施工難題，保障了結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量、施工的進(jìn)度和效率。筆者參與了該工程鋼管自密實(shí)混凝土施工過程，試以該項(xiàng)目為例，介紹鋼管自密實(shí)混凝土施工方法、質(zhì)量控制等，供各位同仁參考和討論。

1 工程概況

蘇州工業(yè)園圓融星座項(xiàng)目地處蘇州工業(yè)園旺墩路與鐘園路交叉口，集商業(yè)零售、湖景精裝公寓、商務(wù)寫字樓于一體，是金雞湖東岸商務(wù)區(qū)的重要地標(biāo)建筑之一。工程總建筑面積 297 990.79 m2（其中地下面積 99 083.66 m2），地下 4 層、地上 28 層～34 層，最大建筑高度 147.25 m。裙房以上的主樓部分由 3 棟塔樓構(gòu)成，即南公寓塔、北公寓塔、辦公樓塔。公寓樓為鋼筋混凝土框架＋芯筒剪力墻結(jié)構(gòu)，辦公樓為芯筒＋鋼管混凝土外圍立柱＋勁性框架結(jié)構(gòu)。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)概況如下。

辦公塔樓高 147.25 m，屬超高層建筑，其外圍框架柱為 24 根圓形鋼管混凝土柱，截面尺寸為 1 100 mm×30 mm～800 mm×16 mm（外徑×板厚），鋼管內(nèi)灌注無收縮混凝土強(qiáng)度等級(jí) C40～C60。 根據(jù)建筑層高和施工實(shí)際需要，鋼管柱主要采用兩層一節(jié)進(jìn)行制作、吊裝，柱節(jié)長(zhǎng)度多為 8.30 m～11.10 m。

辦公樓核心筒剪力墻轉(zhuǎn)角處共設(shè) 8 根“L 狀”“T 狀”箱型鋼管混凝土柱，箱型柱截面尺寸為（外包長(zhǎng)×寬×鋼板厚）600 mm×600 mm×20 mm、600 mm×500 mm×20 mm、500 mm×500 mm×20 mm， 根據(jù)實(shí)際需要，劃分的柱節(jié)長(zhǎng)度為 8 m～11 m。箱型鋼管柱內(nèi)灌注 C40～C60無收縮混凝土。

為方便施工，根據(jù)鋼柱實(shí)際分節(jié)情況，保證每節(jié)鋼柱出樓面 1 m 左右，混凝土灌注應(yīng)連續(xù)、不間斷進(jìn)行。本節(jié)鋼管柱范圍內(nèi)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不同的，按高強(qiáng)度等級(jí)要求灌注混凝土。

2 保證施工質(zhì)量的重點(diǎn)及難點(diǎn)分析

結(jié)合本工程實(shí)際情況和高拋?zhàn)悦軐?shí)混凝土灌注的特點(diǎn)，我們認(rèn)為，應(yīng)從混凝土配合比設(shè)計(jì)、鋼管柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)優(yōu)化、現(xiàn)場(chǎng)規(guī)范化施工等方面采取措施，以確?；炷凉嘧①|(zhì)量。

優(yōu)化配方、選擇成熟的配合比設(shè)計(jì)，是自密實(shí)免振混凝土質(zhì)量的重要保障。一方面免振混凝土需要有大坍落度、良好流動(dòng)性、自填充性、抗離析性等基本工作性能；另一方面，其凝結(jié)硬化后，能確保體積穩(wěn)定、無收縮。良好的工作性能需要較大的水泥量和漿體量，而大水泥量和大漿體量勢(shì)必會(huì)影響混凝土的體積穩(wěn)定性，因而在混凝土配合比設(shè)計(jì)期間需要不斷進(jìn)行優(yōu)化，平衡兩者之間的矛盾和沖突。

鋼管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，應(yīng)重點(diǎn)做好鋼管柱的水平肋板構(gòu)造的優(yōu)化工作。 鋼管柱水平肋板是影響高拋混凝土動(dòng)能的重要因素，特別是矩形鋼管柱橫向肋板對(duì)混凝土灌注質(zhì)量影響更大?；炷羷?dòng)能衰減將影響其流動(dòng)性和填充性，從而影響混凝土成品的密實(shí)度。只有合理確定肋板的寬度，在肋板轉(zhuǎn)角處留設(shè)排氣孔，才能確?；炷凉嘧⒚軐?shí)。

混凝土免振自密實(shí)的原理類似于噴射混凝土，混凝土拌合物只有在高動(dòng)能的驅(qū)使下，加之良好的流動(dòng)性，才能具有較好的填充性，獲得較高的密實(shí)度。高動(dòng)能來源于混凝土的高勢(shì)能，所以混凝土拌合物必須有合適的拋落高度。經(jīng)計(jì)算和試驗(yàn)，本工程自密實(shí)混凝土拋落高度應(yīng)不小于 4 m，即混凝土下料口距離澆筑面凈距不小于 4 m。澆筑期間，商品混凝土供應(yīng)必須保持連續(xù)不間斷，以保證澆筑混凝土的勻質(zhì)性。落實(shí)上述要求，需要承包單位科學(xué)組織、規(guī)范化操作和積極協(xié)調(diào)，這也是保證高拋混凝土質(zhì)量的重要措施之一。

3 混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)及工作性能檢測(cè)

高拋混凝土拌合物既要有高流動(dòng)性，又要確保體積穩(wěn)定無收縮。解決這一矛盾需要平衡水灰比，以及膨脹劑和減水劑的使用量。為保證混凝土良好的工作性能，要求混凝土廠家結(jié)合以往的工程經(jīng)驗(yàn)，在多個(gè)試配基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化配比。

3.1 優(yōu)化混凝土配合比應(yīng)遵循的主要原則

（1）增加用水量可以加強(qiáng)拌合物流動(dòng)性，但用水量過多勢(shì)必影響混凝土的粘聚性、保水性和體積穩(wěn)定性；適度用水量輔以混凝土外加劑，是混凝土獲得良好工作性能的重要途徑。

（2）高效減水劑、膨脹劑及其他混凝土外加劑的使用，必須選用優(yōu)質(zhì)、成熟產(chǎn)品，產(chǎn)品在當(dāng)?shù)貞?yīng)有多個(gè)成功案例。

（3）砂率對(duì)混凝土拌合物的工作性能有顯著影響，砂率過大或過小都將使混凝土拌合物干稠流動(dòng)性變小，合理選定砂率十分重要。

（4）高拋混凝土要防止粗骨料高處跌落離析，試配完成后做模擬試驗(yàn)，確?；炷脸尚唾|(zhì)量。

3.2 混凝土工作性能檢測(cè)

混凝土拌合料流動(dòng)性，采用坍落度試驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)。配合比中應(yīng)明確塌落度數(shù)值，用坍落度量化混凝土流動(dòng)性，凡小于坍落度規(guī)定值的混凝土均視為不合格。

在混凝土施工前，承包單位會(huì)同商品混凝土供應(yīng)單位提前進(jìn)行自密實(shí)混凝土配合比的試配工作，通過多次試配確定合理的混凝土（C60）配合比（見表 1）。

表 1 混凝土攪拌站試驗(yàn)室試配的 C60 自密實(shí)混凝土配合比

為驗(yàn)證拌合物工作性能和高拋混凝土實(shí)際成型質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了高拋混凝土模擬施工。首先按照 1:1 比例制作鋼管節(jié)，管節(jié)固定牢固后再搭設(shè)腳手架、綁扎管內(nèi)鋼筋、進(jìn)行高拋混凝土灌注；試件養(yǎng)護(hù) 7 d 后，割開鋼管，觀察混凝土成型質(zhì)量。試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土充填密實(shí)、質(zhì)量良好。

4 鋼管柱混凝土施工方法

4.1 混凝土輸送方法選擇

混凝土水平及垂直運(yùn)輸首選汽車泵，優(yōu)點(diǎn)是拌合物直接輸送至澆筑面，泵管移動(dòng)方便、操作簡(jiǎn)單。裙房鋼管柱最大高度為 29 m，汽車泵即可滿足澆筑需要，故裙房以下部分鋼管混凝土澆筑選擇汽車泵。主樓區(qū)超過汽車泵輸送高度的，采用固定泵和塔吊相配合的方法解決混凝土的運(yùn)輸問題。

4.2 混凝土灌注方法選擇

高拋混凝土施工法一般適用于鋼管內(nèi)部?jī)舫叽绱笥?50 mm、拋落高度大于 4 m 的情況。本工程鋼格柱和箱型柱內(nèi)部尺寸均大于 350 mm，可選擇高拋混凝土施工方法。 依據(jù)鋼管柱分節(jié)的具體高度，滿足一次灌注高度大于4 m 的則選擇高拋混凝土工藝；靠近柱節(jié)頂部澆注高度不足 4 m 時(shí)，則采用常規(guī)的內(nèi)部振搗器施工。

采用高拋工藝施工時(shí)，一次拋落的混凝土量宜在 0.7 m3左右，施工前制作專門的料斗，料斗的下口尺寸應(yīng)比鋼管內(nèi)徑小 100 mm～200 mm， 以便混凝土下落時(shí)管內(nèi)空氣能夠排出。

4.3 施工注意事項(xiàng)

為確?；炷猎谑┕たp處結(jié)合良好，上段混凝土澆筑前宜先在鋼管底部鋪墊 100 mm 厚的同強(qiáng)度、同等級(jí)的水泥砂漿，墊底砂漿能避免高拋混凝土跌落時(shí)粗骨料的彈跳現(xiàn)象，避免混凝土離析危害以確保施工質(zhì)量。澆筑過程中宜連續(xù)進(jìn)行，若上下段澆筑因間隔時(shí)間過長(zhǎng)而形成冷縫，則應(yīng)按照上述措施進(jìn)行“接漿”。

混凝土澆筑的施工縫，一般留設(shè)在距管端 100 mm～150 mm 處；混凝土澆筑完成后，及時(shí)清除表層浮漿和殘余混凝土，為上層鋼管柱節(jié)安裝做好準(zhǔn)備。

在鋼管柱頂段混凝土澆筑時(shí)，一般采用插入式振搗器振搗。振搗應(yīng)“快插慢拔”，混凝土表面振搗孔不再下落時(shí)停止振搗；一次澆筑高度較大時(shí)，混凝土骨料下沉擠密耗時(shí)較長(zhǎng)，故應(yīng)在振搗完成 15 min～30 min 后進(jìn)行復(fù)振并補(bǔ)澆混凝土。

5 鋼管混凝土質(zhì)量控制

如上所述，混凝土充填密實(shí)、各向勻質(zhì)同性，才能保證鋼管與混凝土協(xié)同工作，發(fā)揮高承載力并具有良好的塑性和韌性。高拋鋼管混凝土施工質(zhì)量控制的核心依然是：抓好混凝土拌制過程，使混凝土具有良好的流動(dòng)性和體積穩(wěn)定性；加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)材料和工序管理，規(guī)范混凝土灌注流程；及時(shí)檢查混凝土成型情況，第一時(shí)間消除質(zhì)量缺陷。鋼管混凝土質(zhì)量保證措施如下。

5.1 原材料的質(zhì)量控制

原材料質(zhì)量情況將直接影響混凝土質(zhì)量，砂、石骨料的級(jí)配良好，含泥量小、雜質(zhì)少，石子無針刺狀。近年來，由于挖采受限，大量海砂、山砂流入市場(chǎng)，給混凝土質(zhì)量帶來嚴(yán)重隱患。本工程施工過程中，業(yè)主和監(jiān)理單位多次實(shí)地檢查，驗(yàn)收砂石骨料備貨情況，嚴(yán)禁使用不合格材料。

5.2 摻加混凝土膨脹劑

高拋混凝土想要具有良好流動(dòng)性和填充性，減水劑和膨脹劑必不可少。 江蘇省建科院研制的 JM-Ⅲ 型膨脹劑、JMPCA 型減水劑是江蘇市場(chǎng)使用量最大的兩款外加劑產(chǎn)品，具有較多的工程按量推進(jìn)和良好的市場(chǎng)口碑。本工程也采用了上述兩款產(chǎn)品，較好地實(shí)現(xiàn)了混凝土高流動(dòng)、強(qiáng)填充、少泌水的施工目標(biāo)，可靠地保證了混凝土灌注質(zhì)量。

5.3 混凝土拌合物生產(chǎn)控制

配比準(zhǔn)確、拌制均勻、及時(shí)送達(dá)是混凝土拌合物生產(chǎn)的三項(xiàng)基本要求。首次供貨前，監(jiān)理單位檢查了攪拌站的各類計(jì)量?jī)x表，尚在標(biāo)定期內(nèi)的繼續(xù)使用，超出標(biāo)定期的，則無條件更換，確保計(jì)量準(zhǔn)確、配比準(zhǔn)確。混凝土拌制采取強(qiáng)制攪拌，攪拌時(shí)間要不少于 3 min，確保攪拌均勻；混凝土攪拌運(yùn)輸車從出廠到工地過程中罐體保持適度旋轉(zhuǎn)，30 min～40 min 內(nèi)運(yùn)至澆筑現(xiàn)場(chǎng)。

5.4 施工現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量控制

混凝土澆筑過程離不開科學(xué)組織、嚴(yán)格管理、高效調(diào)度協(xié)調(diào)。澆筑前要合理安排各工種勞動(dòng)力，調(diào)度適當(dāng)數(shù)量的混凝土運(yùn)輸車輛，使混凝土供應(yīng)與澆筑速度相匹配，既要避免混凝土供應(yīng)不及時(shí)，又要避免來不及澆筑。 澆筑期間要加強(qiáng)混凝土質(zhì)量管理，按規(guī)定檢查混凝土坍落度、泌水情況等，不合格的，必須堅(jiān)決退回，確保入模混凝土的各項(xiàng)指標(biāo)符合配合比設(shè)計(jì)要求。此外，還應(yīng)實(shí)地檢查砂石料和外加劑的質(zhì)量情況，確?；炷涟柚频馁|(zhì)量。

5.5 混凝土灌注質(zhì)量問題及處理

高拋混凝土灌注工藝雖然成熟可靠，但也無法保證鋼管混凝土 100% 無質(zhì)量缺陷。為確保鋼管內(nèi)混凝土成型質(zhì)量，一般采用以下幾項(xiàng)措施。

（1）在澆筑過程中，安排經(jīng)驗(yàn)豐富的瓦工師傅敲擊鋼管，通過回聲差異判定混凝土是否充填密實(shí)；確有異常情況的，通過進(jìn)一步敲擊鋼管外壁，迫使混凝土流動(dòng)充填密實(shí)。

（2）在混凝土灌注完成后，利用超聲波檢查混凝土成型質(zhì)量。對(duì)不密實(shí)的部位先精準(zhǔn)定位，再采用鉆孔壓漿法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，最后將鉆孔封堵牢固。

本工程施工過程中，采用第一種方法進(jìn)行過程質(zhì)量控制，澆筑完成輔之以超聲波檢查。實(shí)踐證明，其效果良好，無明顯質(zhì)量缺陷。

6 結(jié) 語

高拋灌注混凝土進(jìn)一步豐富了鋼管混凝土施工工藝，擴(kuò)大了鋼管混凝土的應(yīng)用范圍，有效保證了施工質(zhì)量，提高了工作效率，加快了施工進(jìn)度，獲得了更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。經(jīng)過近幾年的工程實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)積累，立式高拋免振自密實(shí)混凝土施工技術(shù)日臻完善，鋼管柱混凝土結(jié)構(gòu)也將得到越來越普遍的應(yīng)用，真正成為土木工程的第五結(jié)構(gòu)。