钢管内无收缩混凝土施工技术的研究

伟基建设集团有限公司 杭州 310014

1 工程概况

杭州朝晖现代城三期（野风现代大厦），位于杭州市绍兴路，总建筑面积111 945.8 m2，地下3 层，地上写字楼23 层，建筑高度97.4 m，结构类型为钢框架—钢筋混凝土筒体结构。写字楼外框柱采用17 根矩形钢管混凝土柱，截面尺寸为700 mm×700 mm×22 mm，灌注孔Φ350 mm，灌芯混凝土强度等级C50。1～2层层高4.79 m，3～23层层高3.95 m。

2 钢管混凝土的性能特点

钢管混凝土具有承载力高、塑性和韧性好、节省材料、方便施工等诸多优点，在高层建筑和重点工程中得到广泛应用[1]。但钢管混凝土柱管内混凝土的浇筑属于隐蔽工程，混凝土的浇筑质量是无法直观检查的。当采用人工浇灌并振捣时，只能依靠操作人员的责任心和严密的施工组织管理来保证施工质量。其中质量控制上最为关键的在于内芯混凝土，若达不到密实度要求，就会存在蜂窝、细孔、气泡等缺陷[2,3]；另外，混凝土在硬化过程中会产生收缩变形，而钢管内混凝土一般情况下强度都比较高，其收缩变形会更大，这些都会大幅度削弱钢管混凝土整体结构的承载力。

钢管混凝土的浇灌方法有3 种[4-6]，即底部顶升法、高位抛落法和立式浇捣法。混凝土的输送方式有泵送和现场塔式起重机运输等。底部顶升法和高位抛落法要求混凝土必须要有较大的坍落度，且极易产生管壁与混凝土粘结不紧密等质量缺陷。立式浇捣法则由于振动棒振捣等因素，在管顶容易产生泌水层和砂浆层。为了保证钢管与管内混凝土共同作用，必须保证混凝土的密实度，减少混凝土的收缩。

本工程采用了分层浇注、分层振捣的施工方法，且在钢管混凝土中掺入微膨胀抗裂膨胀剂和高效减水剂等，配制成补偿收缩混凝土，使之既满足施工工艺要求，又满足了钢管混凝土柱对混凝土的特定要求。

在施工中，我们还用高频振动器代替普通振动器可显著提高混凝土密实度，其振动频率高达12 000次/min，其激振力强，具有普通振动器无法达到的高密实度，可促使钢管内混凝土被钢管完全约束，使抗压强度进一步提高；同时钢管由于内部得以充实，刚度增加，钢管混凝土能够承受的压力相当于两者单独受压的压力之和的2 倍，真正实现钢管混凝土承载力强、耐久性高、经济性能优越的特点。

图1 分层振捣浇筑示意

3 施工操作要点

3.1 配合比试验

由于钢管内混凝土性能有多方面的要求，混凝土的配合比优化设计尤为重要。其中水胶比、粉煤灰和微膨胀抗裂膨胀剂掺量是钢管混凝土的关键和重要因素。要在满足强度下尽量降低水胶比，降低水泥用量。

首先，混凝土拌和物要求流动性和保水性能最佳，浆骨料比例适当（若砂浆量太小，影响混凝土的流动性；砂浆量过大，混凝土自身收缩性增大；同时，粗骨料体积比例小，混凝土的弹性模量降低，混凝土的受压变形增大）。

其次，在浇混凝土前，为优化配合比并确定膨胀剂最优掺量，要按不同膨胀剂掺量制作多组试验试块，标养室养护，测量初始长度及3 d、7 d、14 d、28 d、60 d的试件长度。本工程根据试验结果，同时参考膨胀剂推荐掺加量，采用SY-G高性能抗裂膨胀剂，膨胀剂掺量为水泥用量的8%。并经设计院认可后按此配合比实施。

3.2 混凝土制备

（a）严格按混凝土配合比通知单下料，严格控制混凝土的配料顺序，确保配料准确无误。

（b）对搅拌站微机控制系统及自动计量系统严格认真监控，经常检查其工作状况是否正常。投料时确保原材料品种使用无误，计量允许偏差不应超过下列规定：水泥、掺合料、水为±1%；粗细骨料为±2%；外加剂为±1%。

3.3 混凝土运输

（a）混凝土搅拌运输车装料前应冲洗拌筒，并清除筒内积水后方能装料。混凝土出厂前必须经质检员检查合格后才能签证放行。

（b）运输途中拌筒以1～3 r/min速度进行搅动。搅拌车到达现场卸料前应使拌筒以8～12 r/min再转1～2 min，然后进行反转卸料。

（c）混凝土搅拌车到达工地卸料前，如检查发现混凝土的和易性、坍落度不符合要求，需进行处理时，应由搅拌站驻现场技术代表进行处理，如需加外加剂，在添加后要再快速搅拌3 min才能卸料。如该车混凝土达到初凝时间，应作报废处理。

（d）必须按发货单注明的工程名称、部位、混凝土强度等级，及时、准确地运送到施工现场，搅拌车运送频率和运送时间必须符合施工要求，混凝土在运送途中及至施工现场均严禁加水。

3.4 混凝土浇筑准备

（a）钢管柱已安装完毕，达到浇筑混凝土要求。

（b）混凝土浇筑操作平台搭设完成，满足施工操作需求。

（c）施工现场已架设足够的照明设施，满足夜间施工照明要求。

（d）将钢管柱内的杂物、积水清理干净，不能有明水。

（e）安装串筒或溜槽。

3.5 混凝土浇筑

（a）选用高频低噪声环保型电机内装插入式振动器及成套设备代替普通插入式振捣棒，本工程选用型号为ZDN36/50/56型（3 种型号振动棒），其振动频率高，振动棒长度达15 m，能保证混凝土振捣到位。

（b）在钢柱每个分段（2～3个楼层一段）安装完成并焊接、楼层全部钢梁安装完成，除悬挑梁外全部校正紧固焊接后，开始浇灌本段钢管内混凝土。

（c）为保证有良好的工作面，在浇灌钢管内混凝土前铺好楼承板。天气不好时，应增设局部照明，以保证能看清钢管内混凝土振捣情况。

（d）混凝土采用塔式起重机吊运，浇筑混凝土前检查料斗口开启、关闭是否顺利，料斗内是否清除干净。

（e）浇筑前对钢管安装质量进行确认，并检查钢管内壁干净、无油污、尘土、杂物等，符合后再浇筑混凝土。

（f）钢管内混凝土选用人工逐段浇筑法浇筑，混凝土自钢管上口灌入，采取分层浇注、分层振捣，一次浇灌高度不大于1.5 m，现场操作图及直管段、节点处混凝土振捣系统布置如图2、图3所示。

（g）采用新型插入式高频振动机代替普通插入式振捣器进行钢管内混凝土的振捣，启动时应先确定机组旋转方向和棒头的偏摆方向与箭头标示一致（棒体在启动的第一时间呈逆时针偏摆），振捣时要快插慢拔，插点沿梅花型布置，逐点移动，按顺序进行，移动间距≤800 mm，每点振捣时间不小于30 s，以混凝土表面已呈现浮浆及石子不再沉落、不冒出气泡为止。不得漏振。

图2 直管段混凝土振捣系统布置示意

图3 节点段混凝土振捣系统布置示意

（h）当混凝土浇注至钢管内环肋板位置时，停止灌注混凝土，此时应沿内环肋板方向加强振动，使混凝土内气泡通过内环肋板排气孔排出，防止内环肋板下气泡聚集，使混凝土在内环肋板下产生孔洞现象。

（i）钢管内混凝土浇筑应连续进行，不得中断，必须间歇时，应在前层混凝土初凝前将次层混凝土浇筑完毕。

（j）每段钢管柱的混凝土，只浇筑到离钢管顶端500 mm 处，以防焊接高温影响混凝土的质量。若表面出现少量浮浆，可用人工刮除浮浆至完成面标高，并将混凝土表面刮花处理。

（k）浇筑后对管口进行封闭，防止水等杂物进入。混凝土浇筑后不得再对钢管进行任何调整。

（l）冬期施工时，采取在钢管外包毯子等进行保温养护，防止受冻。

3.6 混凝土养护

为了减少混凝土的水分散失和塑性开裂，应加强养护。混凝土初凝后及时蓄水养护，以使混凝土能够及时散热，降低水化放热的峰值温度。

3.7 钢管内混凝土超声波检测

用超声波检测钢管混凝土的完整性。根据合理布设检测点对钢管混凝土的密实程度和均匀性。检测钢管混凝土是否存在缺陷及缺陷位置，做好详细的记录和标记，对不密实的部位采用局部钻孔、压浆法进行补强，然后将钻孔补焊封闭牢固。

4 质量控制

4.1 工程质量控制标准

（a）《钢管混凝土工程施工质量验收规范》（GB 50628—2010）；

（b）《混凝土结构工程施工规范》（GB 50666—2011）；

（c）《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB 50204—2002）；

（d）《混凝土质量控制标准》（GB 50164—2011）；

（e）《混凝土外加剂应用技术规范》（GB 50119—2013）

（f）《钢结构工程施工质量验收规范》（GB 50205—2001）；

（g）《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ 138—2001）；

（h）《补偿收缩混凝土应用技术规程》（JGJ/T 178—2009）；

（i）《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）；

（j）《矩形钢管混凝土结构技术规程》（CECS 159：2004）。

4.2 施工质量控制要求

（a）钢管内混凝土的强度等级应符合设计要求。

（b）钢管内混凝土的工作性能和收缩性应符合设计要求和国家现行有关标准的规定。钢管柱内混凝土与钢管壁应粘结紧密，无收缩空隙。

（c）钢管内混凝土运输、浇筑及间歇的全部时间不应超过混凝土的初凝时间，同一施工段钢管内混凝土应连续浇筑。当需要留置施工缝时应按专项施工方案留置。

（d）钢管内混凝土浇筑应密实，包括钢管内环肋板下混凝土应振捣密实，无空鼓现象。

（e）钢管柱顶混凝土表面密实，无浮浆，无松散颗粒，无龟裂现象。

4.3 质量保证措施

（a）混凝土的各种原材料，包括水泥、磨细矿渣、粉煤灰、砂、石、外加剂等按国家规范和有关规定检验，在每项技术指标符合要求后方能使用。

（b）对已安装好的钢管柱柱头立即加盖保护盖板，以防雨水、油、异物落入。并进行中间环节验收，确保钢管柱在浇筑前干净，无积水。检查混凝土浇筑设备完好，防止在浇筑过程中出现故障。

（c）混凝土在入模前，应对拌合物的工作性能进行检验，主要检测坍落度等，不得发生外沿冒浆和中心骨料堆积现象。

（d）混凝土现场取样制作试块，应以搅拌车卸料1/4后至3/4前的混凝土为代表。混凝土取样、试件制作、养护，均应由搅拌站、施工现场双方人员及见证取样员共同签证认可。控制入模温度在10 °C～30 °C范围，钢管柱局部温度不超过40 °C。

（e）浇筑过程中，混凝土下落速度时间宜慢不能快，要注意混凝土浇筑连续性。如间断浇筑时，浇筑间断时间不得超过混凝土的初凝时间。

（f）混凝土浇筑完毕后，混凝土表面会有气泡排出，并在混凝土表面泛起浮浆，应在混凝土初凝前将浮浆除去，并在混凝土终凝前，将混凝土表面剔毛，至外露石子为止。

（g）防止混凝土浇筑过程中溅到隔板，导致混凝土松散、离析，采用钢导管下料，有效防止混凝土离析。

（h）在施工现场对工人进行操作培训及技术交底。并加强操作人员质量意识教育，制订奖罚措施。

5 安全措施

（a）浇筑钢管柱前，在钢管周边应搭设临时操作平台，设防护栏杆；振捣、下料人员用的脚手架应稳固可靠并做好临边防护，同时佩戴好劳动保护用品。

（b）用塔式起重机吊运混凝土时，要经常检查料斗吊钩是否牢固可靠，料斗口开启及关闭是否灵活稳当，否则应及时更换、维修。

（c）机械设备、电动工具等必须有可靠的接地接零和漏电保护装置，建立安全生产保障体系，项目部设安全监督员和专职安全员，有相应的安全生产责任制。

（d）现场浇筑所产生的混凝土浆污染应及时清理。

6 环保措施

6.1 建筑垃圾及粉尘控制的技术措施

（a）施工现场应经常晒水和浇水，以降低粉尘对人体的危害。

（b）混凝土材料搅拌时，工人应佩戴橡胶手套、防毒口罩，阻止粉尘和外加剂对人体的危害。

（c）吊斗内混凝土不应装得过满，防止溢出。

6.2 噪声控制的技术措施

（a）施工中尽量采用低噪声的工艺和施工方法，必要时采取搭设隔音棚进行噪声防护。

（b）结构层表面进行处理的噪声可能超过建筑施工现场的噪声限值时，应在开工前向建设行政主管部门和环保部门申报，核准后再施工。

7 应用效益分析

7.1 技术效果

该工法解决了钢管内混凝土收缩不均及与钢管连接不紧密的技术难题，本工程采用敲击钢管法进行初步检查，结果表明其整体密实度均良好。其中对重要部位钢柱混凝土进行了超声波实体探测，均达到了钢管内混凝土与钢管结合紧密、混凝土密实无收缩的效果。

我们曾对普通振动器和高频振动器2 种设备振捣的混凝土进行密实度检测，通过检测图比对，高频振动器振捣的混凝土雷达反射波波幅较稳定，表明混凝土密实度较好。同时对混凝土取芯进行干表观密度检测对比，发现密实度进一步提高，耐久性增强。

7.2 经济效益

保证了混凝土灌芯的质量，节约了返修的费用，提高了经济效益。

7.3 社会效益

此工法可行性强，对施工速度无影响，工程质量好。特别是耗能小，施工噪声小，在施工现场同条件下，对普通振动器和高频振动器进行噪声检测，普通振动器的噪声为95 dB，而高频振动器的噪声为75.1 dB，大大降低了噪声对环境的影响。同样，在金隅·杭政储出18号2-D地块工程钢管混凝土柱、海宁长安大酒店工程矩形钢管混凝土柱施工中，应用钢管内无收缩混凝土工法，均收到了良好效果，凸显其广阔的应用与发展前景。