阐述超高层钢管柱高抛自密实砼施工技术

沈育龙 丁恩亮 杨统元

上海宝冶集团有限公司 上海 201900

前言

自密实混凝土是于20世纪80年代首先在日本发明和应用的，而后推广至欧美等发达国家，进而传入我国。这一概念最早由日本学者Okamum于1986年提出，该混凝土能够在自重作用下，均匀、密实地填充至试模空间，而且不发生离析，因此在成型过程中不需要振捣，减小噪音，减少环境污染，给施工带来方便，给周围居民带来安宁和谐的环境。

近20年来，鉴于自密实混凝土的优越性，自密实混凝土的研究与应用实践在世界范围内广泛展开，但是在我国，由于高效减水剂的开发较晚，自密实混凝土的研究时间也较短，在实际工程中未得到广泛运用。

1 工程概况

武汉某超高层项目由一栋塔楼及裙楼组成，地下3层，塔楼地上46层，裙房地上7层，总建筑面积为119243.5m2，建筑高度为229.1m，标准层层高为4.15m。

主楼结构采用“圆钢管混凝土柱、钢梁-钢筋混凝土核心筒”混合结构体系，钢管柱共20根，自下而上外径依次为Ф1500mm、Ф1400mm、Ф1300mm、Ф1200mm、Ф1100mm、Ф1000mm。混凝土等级从C60到C40。

根据施工安排，每根钢管柱按2～3个标准层高分节加工，即每节钢管柱高度为8.3～12.5m，如采用一般的混凝土施工，混凝土易产生离析且振捣不易，无法保证混凝土施工质量，设计采用自密实混凝土[1]。

图1 塔楼标准层结构轴侧示意图

2 试验原因

为完善市场上钢管柱自密实砼使用率不高、施工工艺不成熟、商砼站供应质量不可控、超高层建筑在钢管柱自密实砼质量验收方法的针对性不足等情况，也为下一步现场和商砼站钢管柱自密实砼施工提供可操作的针对性指导意见，确保自密实砼施工质量[2]，选取标准节Ф1300×28mm的第一节钢管柱（高度6m，标准层高为4.15m，加上标准层的2个节点各1m）进行1:1钢管柱自密实砼高抛施工模拟试验，混凝土等级C60。

图2 -1 试验钢管柱

图2 -2 钢管柱横断面

3 施工准备

3.1 人员准备

现场成立以项目经理为组长的混凝土浇筑检查领导小组，下辖工长、质检员、技术员、试验员、测量员，全程跟踪检查混凝土浇筑，收集实验数据。

劳动力组织砼工4人、吊车司机1人、信号工1人、司索工1人、钢构加工10人。

3.2 材料准备

试验工具：相应数量的混凝土抗压、小型振动台和坍落度试验设备（坍落度桶、试模、卷尺等）、标准养护箱、1m3吊斗（下口带开关）等。实验钢管柱选取一段标准节作为实验依据。

表3 .2 材料计划表

3.3 基础准备

钢柱安装前，应先制作试验柱基础。基础大小为2m×2m×1.5m，并根据图纸预埋地脚螺栓。基础底面和表面均设置一层C16@200的钢筋。混凝土基础采用C30加早强剂。

钢管柱长度6m，混凝土密度2400kg/m3。

实验钢管柱自重7.4 9 9吨，管内混凝土自重3.14×0.652×6×2.4=19.1t。

C30混凝土设计值14.3MPa＞（7.499+19.1）×10/（3.14×0.652）=0.20MPa，满足要求。

图3 基础配筋图

图3 .3 试验柱安装前调平

3.4 操作平台准备

图3 .4-1 操作平台立面图

图3 .4-2 操作平台平面图

试验柱周边应按要求用钢管搭设操作平台。如上图所示。操作平台高度不宜低于12.65m，上面铺设脚手板。并设置刚网片及踢脚板，踢脚板高度不小于200mm。操作平台四边搭设斜撑固定。斜撑角度45°～60°之间[3]。

图7 完成的操作平台

4 自密实混凝土拌制和运输

原材料品种与规格对自密实混凝土的施工性能影响非常大，严格控制原材料的品种与规格是确保自密实混凝土施工质量的前提。为了保证自密实混凝土生产质量，满足现场施工要求，对原材料品种及质量做一定要求。

4.1 粗骨料

骨料粒径要求严格，骨料的粒径对屈服剪应力影响最大，粒径越大，配制出来的混凝土的屈服剪应力越大，粗骨料的最大粒径应为20mm，实验选用的是阳新5～16mm青石。含泥量与泥块含量满足混凝土设计施工规范要求，具体指标如下：

表4 .1 粗骨料检测指标

4.2 细骨料

根据试配结果，细骨料采用岳阳中砂，检测指标接近试配用细骨料，河砂中需筛除大于5mm的卵石，含泥量与泥块含量满足自密实混凝土设计施工规范要求，具体指标如下：

表4 .2 细骨料检测指标

4.3 水泥

采用亚东P.O42.5水泥，水泥进场后要进行取样检测，检测指标必须满足混凝土设计施工规范要求；水泥入罐温度不得超过60℃，具体指标如下：

表4 .3 水泥检测指标

4.4 硅灰

硅灰采用朗天硅灰改善混凝土的和易性，提高自密实混凝土的匀致性和自密实性能，自密实混凝土生产时硅灰的检验指标不低于混凝土试配时用硅灰检验指标，具体情况如下：

表4 .4 硅灰检验指标

4.5 粉煤灰

粉料采用麻城电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，检测指标有细度、烧失量、需水量，检测指标宜接近试配材料指标，详细指标如下：

表4 .5 粉煤灰检验指标

4.6 外加剂

外加剂采用中建聚羧酸高效减水剂，减水率要求大，具有良好的工作性保持能力，外加剂需和水泥具有良好的适应性，根据所用的水泥选择适合的外加剂。

自密实混凝土生产用每批次原材料进场后，由试验室对原材料性能进行检测，依据检测结果评定原材料是否可以用于自密实混凝土生产。

本工程混凝土采用商品混凝土，性能等级为SF1级，浇筑前应提前通知搅拌站根据原材料和混凝土等级进行自密实混凝土的试配，确定配合比，以下是C60配合比，坍落度为240±20mm。

表7 自密实砼C60配合比（单位:kg/m3）

钢管自密实混凝土结构要求浇筑硬化后的混凝土与钢管壁结合紧密。要求采取降低自密实混凝土收缩变形的措施。

4.7 运输

混凝土运输采用小容量混凝土搅拌运输车运输，并做好防晒防冻措施。自密实混凝土运输过程中保持匀速转动，速度控制在3r/min～5r/min,并严禁向车内加水。运输车从开始接料到卸料，时间不得大于120min。卸料前保持运输车罐体高速旋转20s以上。自密实混凝土的供应速度应保证浇筑作业的连续性[4]。

5 混凝土浇筑

本实验混凝土浇筑采用高抛法施工。采用汽车吊吊装料斗（后续的正式施工采用塔吊吊装），混凝土采用自密实C60。

浇筑前钢管柱安装完做好交接，柱底内焊渣、铁锈等垃圾应清理干净。试验柱轴线、垂直度偏差应符合要求，且试验柱须固定牢固，并用钢管搭设斜撑支撑牢靠。

浇筑前对砼坍落度、扩展度等性能进行检测，并做好详细记录。目测自密实砼无骨料堆积、泌水、离析现象。浇筑自密实混凝土时，现场有专人进行监控。

当运抵现场的混凝土坍落度扩展度低于550mm时，现场不得使用。自密实性能不满足要求时，可加入适量与原配合比相同成分的外加剂。外加剂加入后，运输车罐筒应快速旋转。外加剂参量和运输车罐筒旋转时间应通过实验验证。

吊重计算：料斗1m3，自重0.5t。料斗自重+混凝土重=0.5+1×2.4（混凝土密度）=2.9t。查25吨QY25A汽车吊性能表，工作幅度10m、臂长17.6m时，起重量6.38t，满足要求。料斗下口设置开关，方便混凝土下料。

高温施工时，自密实混凝土入模温度不宜超过35℃；冬季施工时自密实混凝土入模温度不低于5℃，在降雨降雪期间不宜露天浇筑混凝土。

混凝土分层浇筑，每层浇筑厚度控制在500mm左右。上下层混凝土浇筑的间隔时间不能超过混凝土的初凝时间。

本工程实际混凝土抛落高度达到12m，超过规范允许最大倾落高度9m，设置4m长串筒辅助混凝土浇筑，使串筒出口距浇筑面小于9m。

图5 -3 自密实混凝土浇筑

自密实混凝土浇筑时宜避开高温时段浇筑。浇筑时水分蒸发速率过快时，在施工作业面采取挡风、遮阳等措施[5]。

6 质量要求

（1）混凝土工程施工须符合现行国标GB50204-2015的要求。

（2）混凝土自密实性能指标检验应包括坍落扩展度和T500扩展时间，塌落扩展度控制在550～655mm之间，T500扩展时间大于等于2s。其他自密实性能指标检验及频率按合同规定进行。

（3）出厂坍落扩展度和T500扩展时间检验时，同配合比的混凝土检验不应少于1次。

（4）进场时的自密实混凝土坍落扩展度和T500扩展时间检验频率应与强度检验频率一致。

（5）实测坍落扩展度应符合设计要求，混凝土拌和物不得发生外沿泌浆和中心骨料堆积现象。

（6）砼强度试件制作：将混凝土搅拌均匀后直接倒入试模内，不得使用振动台和插捣方法成型。试块的留置参照《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204-2015。

（7）严禁混凝土搅拌车在施工现场临时加水。

（8）浇筑过程中，要随时注意观察钢管柱是否变形、倾倒，确保试验柱垂直度偏差符合要求[6]。

7 混凝土检测

混凝土龄期达到60天后或累计温度达到600℃天后进行检测，验证混凝土质量是否符合设计要求。

（1）可以用敲击钢管的方法进行初步检查。

（2）超声波进行检测。

（3）标养试块检测。标养试块留置6组。

（4）钻芯取样检测。混凝土龄期达到60天或累计温度达到600℃天后，钻芯检测混凝土强度。钻芯部位应抽取不易填充密实的部位和有代表性的部位。本实验抽取部位见下图。

图7 -1 同条件试块留置

图7 -2 标养试块留置

图7 -3 钢管柱取样立面图

图7 -4 钢管柱取样剖面图

8 检测结果

主要进行超声波检测与钻芯取样，具体检测项目如下：

表8 自密室混凝土检测项目

8.1 超声波检测

超声波检测经过分析，本次所检测各检测剖面的每一测点声速、波幅均未超过临界值（Cv＜5）；混凝土均匀性等级为A级，完整性结果为I类。

8.2 竖向钻芯检测

竖向钻芯共检测3个截面，本次检测3个截面编号为（L1、L2、L3），芯样完整连续，粗细骨料均匀，胶结较好，表面仅见轻微气泡，柱长与提供长度相同，砼强度代表值满足C60的设计要求，混凝土与钢板交接处光滑平整。

图8 .2-1 竖向钻芯取样

图8 .2-3 竖向钻芯样本

8.3 横向钻芯检测

横向钻芯共检测5个截面，本次检测5个截面编号为（H1、H2、H3、H4、H5），砼强度代表值满足C60的设计要求，混凝土与钢板交接处光滑平整。

图8 .3-1 横向钻芯取样

图8 .3-2 横向钻芯样本

8.4 混凝土芯样强度

表8 .4 混凝土芯样抗压强度汇总表

从表中可知，C60自密实混凝土的抗压强度代表值达到了预期要求。

9 结束语

图9 -1 正式施工时用塔吊吊砼

图9 -2 正式施工时砼浇筑

本工程通过钢管柱自密实砼进行高抛实验，总结了自密实混凝土施工的技术要点，在一定程度上确保了自密实砼的施工质量。在后期的声波检测与钻芯取样中，靠近加劲板的位置混凝土外观质量良好，无大量气孔出现。本次针对钢管柱自密实高抛施工工艺的研究，丰富了自密实高抛施工在行业领域的内容，为自密实砼施工提供了确切依据与经验积累。

[1]GB50300-2013.建设工程施工质量验收统一标准[S].北京:中国标准出版社,2013.

[2]GB50204-2015.混凝土结构工程施工质量验收规范[S].北京:中国标准出版社,2015.

[3]GB50936-2014.钢管混凝土结构技术规范[S].北京:中国标准出版社,2014.

[4]JGJ/T283-2012.自密实混凝土应用技术规程[S].北京:中国标准出版社,2012.

[5]GB/T50107-2010.混凝土强度检验评定标准[S].北京:中国标准出版社,2010.

[6]建筑施工手册编委会.建筑施工手册(第五版)[S].北京:中国建筑工业出版社,2013:8.