小截面鋼管內(nèi)自密實(shí)混凝土澆筑技術(shù)研究

劉志光 孫云星 趙憲策

0 引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，住宅產(chǎn)業(yè)化逐漸成為建筑業(yè)發(fā)展的方向，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)出現(xiàn)許多鋼結(jié)構(gòu)多層、高層住宅的示范工程，表明我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化在逐步發(fā)展，小截面鋼管混凝土澆筑技術(shù)將有十分廣闊的應(yīng)用前景。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

滄州市?？导覉@公租房工程是滄州市保障性住房項(xiàng)目，是河北省首例高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅項(xiàng)目，共8 棟樓，總占地面積 44 550.95m，總建筑面積 130 193.21m.建筑每層高度為2.95m，建筑物總高度為75.5m，結(jié)構(gòu)采用異形方鋼管混凝土組合柱+H 型鋼梁結(jié)構(gòu)，方鋼管截面有200mm×150mm，200mm×300mm 等多種截面，組合形成L 型、T 型、十字型等截面形式，柱內(nèi)澆筑C40 自密實(shí)混凝土，鋼管在每層梁柱連接位置設(shè)有水平貫通隔板，隔板中心預(yù)留直徑80mm 的澆筑孔，梁采用熱軋H 型鋼，支撐采用人字形和十字形方鋼管。

1.2 工程特點(diǎn)難點(diǎn)

本項(xiàng)目矩形鋼管柱截面小，一節(jié)鋼柱澆筑高度11.5m，采用高拋澆筑方式時(shí)防止自密實(shí)混凝土澆筑過程中發(fā)生離析是施工控制的重點(diǎn)；其次鋼管柱內(nèi)梁柱連接節(jié)點(diǎn)處均設(shè)置了水平貫通板處，易產(chǎn)生集中氣泡，造成空洞等不密實(shí)現(xiàn)象，因此采取措施保證自密實(shí)混凝土流動(dòng)性，使鋼管柱內(nèi)自密實(shí)混凝土充滿每個(gè)角落，保證自密實(shí)混凝土的密實(shí)度是施工重點(diǎn)和難點(diǎn)；同時(shí)也要考慮現(xiàn)場(chǎng)氣候、氣溫、持續(xù)時(shí)間等對(duì)自密實(shí)混凝土性能的影響。

要想解決自密實(shí)混凝土澆筑時(shí)的難點(diǎn)，必須解決自密實(shí)混凝土的配合比和施工工藝方法。自密實(shí)混凝土的配合比通過查閱相關(guān)資料分析工程狀況后，進(jìn)行試配后確定混凝土的基礎(chǔ)配合比，再通過多組對(duì)比試驗(yàn)最終確定符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的自密實(shí)混凝土配合比，最后通過現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)確定施工工藝方法。

2 設(shè)計(jì)自密實(shí)混凝土配合比

2.1 材料選用原則

自密實(shí)混凝土拌合物應(yīng)具有良好流動(dòng)性、填充性和保水性。通過骨料的級(jí)配控制以及高效減水劑來(lái)實(shí)現(xiàn)混凝土的高流動(dòng)性、高填充性。

免振搗自密實(shí)混凝土制備的原理是通過外加劑、膠結(jié)材料和粗細(xì)骨料的選擇搭配和精心的配合比設(shè)計(jì)，使屈服剪切應(yīng)力減小到適宜范圍，同時(shí)又具有足夠的塑性粘度，使骨料懸浮于水泥漿中，不出現(xiàn)離析和泌水問題，能自由流淌充分填充模型內(nèi)的空間，形成密實(shí)且均勻的結(jié)構(gòu)。采用高減水劑，可獲得自密實(shí)混凝土高流動(dòng)性，同時(shí)保證力學(xué)性能和耐久性。

2.2 原料的選擇

2.2.1 粗骨料

擬選用滿城碎石，顆粒級(jí)配5～20mm 連續(xù)極配。碎石含泥量≤1.0%，泥塊含量≤0.5%，針片狀顆粒含量≤8%；表觀密度經(jīng)檢測(cè)2.82g/cm。滿足國(guó)家現(xiàn)行《建設(shè)用砂》（GB/T14684-2011）標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.2 細(xì)骨料

擬選用潔凈、級(jí)配良好的天然中砂，含泥量≤3.0%，泥塊含量≤1.0%，Mx=2.0～3.0；表觀密度經(jīng)檢測(cè)2.64g/cm，滿足國(guó)家現(xiàn)行《建設(shè)用砂》（GB/T14684-2011）標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.3 水泥

擬選用P·O42.5R 太行硅酸鹽水泥，28d 標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度達(dá)50MPa，該水泥屬低堿水泥，強(qiáng)度穩(wěn)定，與外加劑適應(yīng)性強(qiáng)。表觀密度經(jīng)檢測(cè)3.14 g/cm。滿足國(guó)家現(xiàn)行《通用硅酸鹽水泥》（GB/175-2007）標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.4 礦渣粉

擬選用S105 級(jí)?；郀t礦渣粉，28 天活性≥105%，表觀密度經(jīng)檢測(cè)為3.20g/ cm。滿足國(guó)家現(xiàn)行《用于水泥、砂漿和混凝土中的?；郀t礦渣粉》（GB/T18046-2017）標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.5 膨脹劑

擬選用滿足國(guó)家現(xiàn)行《混凝土膨脹劑》（GB/T 23439-2017）標(biāo)準(zhǔn)要求的UEA-2 型膨脹劑。

2.2.6 減水劑

擬選用滿足國(guó)家現(xiàn)行《混凝土外加劑》（GB/8076-2008）標(biāo)準(zhǔn)要求的聚羧酸系高效減水。

2.3 配合比選用

2.3.1 根據(jù)《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 283-2012）、《高拋免振搗混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 296-2013）和本工程的特點(diǎn)，選用了原材料，依據(jù)自密實(shí)混凝土的目標(biāo)性能，通過多次試驗(yàn)反復(fù)確認(rèn)配合比并進(jìn)行性能測(cè)試，最終確定自密實(shí)混凝土的配合比。

2.3.2 初步試驗(yàn)配合比

按初步設(shè)計(jì)試驗(yàn)配合比（如表1 所示）進(jìn)行試配，根據(jù)自密實(shí)混凝土成型狀況，控制塌落度，調(diào)整水膠比和外加劑的摻量，保證適配混凝土不會(huì)發(fā)生泌水和離析現(xiàn)象，形成基準(zhǔn)配合比。

表1 初步試驗(yàn)配合比

為保證自密實(shí)混凝土流動(dòng)性和強(qiáng)度，以基準(zhǔn)配合比為基礎(chǔ)，調(diào)整水膠比（±5%），確定最優(yōu)外加劑摻量、

經(jīng)過多次試配、多次澆筑試件樣品，最終確定C40 自密實(shí)混凝土配合比（下表2 所示）。

表2 最終配合比報(bào)告

性能指標(biāo)：強(qiáng)度等級(jí)C40，塌落度SIP ≥250，擴(kuò)展度為680mm，流動(dòng)性≥700。

3 混凝土施工

3.1 混凝土質(zhì)量保證措施

依據(jù)《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》要求：混凝土最大傾落高度不宜大于9m，傾落高度＞9m 時(shí)，應(yīng)采用串筒、溜槽、溜管等輔助裝置進(jìn)行澆筑。本項(xiàng)目鋼管混凝土的澆筑高度為11.5m，超出技術(shù)規(guī)程的高度允許值，且采用高拋澆筑，因此鋼管柱內(nèi)自密實(shí)混凝土的澆筑成型和密實(shí)度成為質(zhì)量控制的要點(diǎn)和難點(diǎn)。

高拋澆筑混凝土下落過程中容易發(fā)生離析；尤其鋼管截面150mm×150mm，3 層6 個(gè)貫通隔板，貫通隔板下側(cè)特別是角部側(cè)容易聚集氣泡，產(chǎn)生空腔，很難保證澆筑密實(shí)，為解決以上問題，采取以下自密實(shí)混凝土施工措施：

（1）在鋼柱兩側(cè)對(duì)稱柱壁上水平貫通板下側(cè)20mm 位置處設(shè)置孔徑15mm 的排氣孔。

（2）排氣孔處設(shè)置向上的排漿管，保證鋼管內(nèi)氣體排放和灰漿不污染鋼柱。

（3）采用自制帶計(jì)量刻度的布料斗裝運(yùn)自密實(shí)混凝土，布料斗容量按照單柱最大鋼管內(nèi)混凝土澆筑量設(shè)計(jì)，布料斗焊接成六邊形，并以6∶1 比例縮小，保證澆筑質(zhì)量和速度，可便于計(jì)量鋼管柱內(nèi)的澆筑量，同理論計(jì)算量進(jìn)行對(duì)比分析。

（4）在塔吊上安裝定速控制器，使自密實(shí)混凝土可以勻速澆筑，保證澆筑質(zhì)量。

為確保澆筑措施的可行性和自密實(shí)混凝土澆筑質(zhì)量，首先采用模擬試驗(yàn)方式確認(rèn)澆筑工藝。模擬試驗(yàn)采用1∶1 構(gòu)件進(jìn)行，鋼管柱截面尺寸為200mm×150mm，高度為11.5m，鋼管柱梁柱節(jié)點(diǎn)貫通板處按設(shè)計(jì)圖紙留置。

3.2 確定單根鋼柱澆筑時(shí)間

統(tǒng)計(jì)出單根矩形鋼柱澆筑時(shí)間，通過現(xiàn)場(chǎng)多次澆筑試驗(yàn)分析，6min 以上可以保證混凝土澆筑密實(shí)，但10 分鐘一根鋼柱，施工速度慢，效率低，因此選擇單根鋼柱的澆筑時(shí)間為6～8min。

3.3 塔吊勻速提升的速度

混凝土布料斗容積與鋼柱內(nèi)混凝土工程量相同，均為0.5m，混凝土自重1.25t，按照試驗(yàn)配合比中風(fēng)箱填充高度及漏斗通過時(shí)間確定自密實(shí)混凝土流動(dòng)速度大概為0.33/11=0.03m/s，同時(shí)根據(jù)矩形鋼管高度12m，需要在6～8min 內(nèi)完成單根鋼柱澆筑，12m/8×60s=0.0025m/s、12m/6×60s=0.034m/s。根據(jù)以上的數(shù)據(jù)，選擇0.1m/s、0.05m/s、0.04m/s、0.03m/s、0.02m/s 五種速度進(jìn)行試驗(yàn)。

經(jīng)過以上試驗(yàn)對(duì)比分析，按照密實(shí)程度及強(qiáng)度要求0.04m/s、0.03m/s 符合要求，0.04m/s 施工速度快且強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場(chǎng)使用0.04m/s 作為塔吊提升速度。

3.4 確定混凝土布料斗外形

根據(jù)澆筑方案，主要靠混凝土自重進(jìn)行澆筑，選擇“漏斗”形狀的布料斗，越接近圓形則布料斗內(nèi)混凝土流動(dòng)性越好。但考慮現(xiàn)場(chǎng)高空作業(yè)實(shí)際情況，圓形布料斗工人操作難度大，確定選擇六邊形布料斗。

布料斗容量為0.5m，布料斗下部的最小管徑為100～150mm，布料斗高度0.5m（矩形鋼管高出樓層1m，施工人員可以看到布料斗內(nèi)混凝土情況，1.5m-1m=0.5m），根據(jù)臺(tái)體體積計(jì)算公式V=1/3（s/+√s/s+s）h，面積S=√3×3/2×a×a，

底部管徑選擇150mm，s/=3.14×0.15×0.15=0.0765，s=1.2，a=0.45m，上下邊的比率=0.5/（0.45/2-0.15）≈6/1；

底部管徑選擇100mm，s/=3.14×0.1×0.1=0.0314，s=1.4，a=0.65m，上下邊的比率=0.5/（0.65/2-0.15）≈5/2；

針對(duì)兩種比例的布料斗進(jìn)行澆筑試驗(yàn)，試驗(yàn)顯示，5∶2布料斗自密實(shí)混凝土流動(dòng)性差，澆筑速度慢，易出現(xiàn)蜂窩等澆筑部不密實(shí)的現(xiàn)象；使用6∶1 布料斗進(jìn)行混凝土澆筑能夠滿足設(shè)計(jì)要求，決定使用6∶1 布料斗進(jìn)行混凝土澆筑。

以上參數(shù)確定之后，進(jìn)行模擬試驗(yàn)（見圖1），試驗(yàn)結(jié)果顯示鋼管柱內(nèi)自密實(shí)混凝土能自行充滿，且每層貫通板下側(cè)角部也沒有氣泡聚集；經(jīng)28d 鋼柱內(nèi)自密實(shí)混凝土取芯進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1 模擬試驗(yàn)

按照模擬試驗(yàn)的施工工藝進(jìn)行施工，鋼柱內(nèi)自密實(shí)混凝土能夠自行密實(shí)，強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

4 鋼管內(nèi)混凝土超聲波檢測(cè)

4.1 超聲波檢測(cè)原理

依據(jù)超聲波測(cè)線聲速值，計(jì)算測(cè)線聲速平均值（mx）和標(biāo)準(zhǔn)差（Sx）。

如果鋼管內(nèi)混凝土密實(shí)無(wú)氣孔，則超聲波傳播介質(zhì)就只有鋼管和混凝土兩種介質(zhì)中傳播，傳播速度值和回傳時(shí)間是相同的，反映到超聲波顯示曲線是均勻等值曲線；如果鋼管內(nèi)混凝土不密實(shí)存在氣孔，則超聲波傳播介質(zhì)就由鋼管、混凝土和空氣三種介質(zhì)中傳播，傳播速度值和回傳時(shí)間發(fā)生變化，反映到超聲波顯示曲線是不均勻等值曲線；從而發(fā)現(xiàn)鋼管內(nèi)混凝土的缺陷。

4.2 超聲波檢測(cè)方法

隨機(jī)抽取被檢測(cè)鋼柱兩個(gè)相對(duì)柱面，將柱面清潔干凈，保持柱面平整，然后在柱面中心對(duì)稱布置縱向檢測(cè)線，間隔200mm 布置橫向檢測(cè)線，縱橫檢測(cè)線的交點(diǎn)可作為測(cè)試點(diǎn)。

檢測(cè)時(shí)采用垂直對(duì)測(cè)和斜向測(cè)交替進(jìn)行，探頭運(yùn)行軌跡如圖2 所示。

圖2 超聲波檢測(cè)示意圖

超聲探頭宜選用50KHZ 的平面探頭，超聲儀宜選用非金屬超聲波探測(cè)儀（如圖3 所示）。進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，必須保證發(fā)射和接受換能器的軸線在同一縱軸上，采用黃油作為耦合劑，保證探頭與構(gòu)件表面充分接觸，依次逐點(diǎn)檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)做好聲時(shí)、聲速值的記錄，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖3 超聲波檢測(cè)

檢測(cè)時(shí)，以每根鋼柱為一個(gè)檢測(cè)單位。

抽查1#樓1～10 層鋼管內(nèi)混凝土密實(shí)度。超聲波法檢測(cè)柱芯混凝土聲速值見下標(biāo)，同條件的樣品構(gòu)件混凝土聲速值為4.55km/s，聲速標(biāo)準(zhǔn)差為0.19km/s

表3 超聲波檢測(cè)聲速值匯總表

根據(jù)超聲聲速平均值、聲速標(biāo)準(zhǔn)差和波幅等檢測(cè)結(jié)果綜合分析：所檢鋼管混凝土自身密實(shí)性較好。

5 結(jié)語(yǔ)

滄州市?？导覉@公租房項(xiàng)目獲得國(guó)家鋼結(jié)構(gòu)金獎(jiǎng)及河北省新技術(shù)應(yīng)用示范工程等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)證書，被收錄進(jìn)《建筑業(yè)十項(xiàng)新技術(shù)》應(yīng)用示范項(xiàng)目。自密實(shí)混凝土在小截面鋼管混凝土柱的施工中表現(xiàn)出優(yōu)良的工作性能，取消了振搗工序，提高了施工效率，節(jié)省了能源和人工成本，降低了施工噪聲污染，改善了附近有關(guān)人員的生活環(huán)境。自密實(shí)混凝土在小截面構(gòu)件和狹小空間的應(yīng)用具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但如何進(jìn)一步降低成本，提高施工效率，提升自密實(shí)混凝土的檢測(cè)方式并在高強(qiáng)等方面進(jìn)行應(yīng)用，需要更深層研究解決。