带横隔板钢管柱内自密实混凝土高抛浇筑施工技术

刘扬喜

厦门海投工程建设有限公司（361000）

0 前言

在钢结构施工中，对于多劲肋横隔板的钢管混凝土柱，采用顶升的施工方法极易造成隔板及构件变形或破坏，且超高层建筑钢管柱顶升时高度超高，虽可采用分段顶升工艺，但泵多设置于地面，顶升时泵及泵管将承受巨大压力， 极易出现质量问题。柱顶高抛浇筑法施工方便， 且钢管无需开孔和补焊，但是混凝土在下落过程中容易产生离析、多隔板处混凝土的密实性也较难保证。自密实混凝土[1-2]的流动性与黏聚性的平衡是自密实混凝土工程运用的一大难题，普通自密实混凝土往往通过添加高效减水剂提高了新拌混凝土的流动性，但是也降低了混凝土的黏聚性，容易产生离析现象。 对于自密实混凝土的高抛施工，如何克服混凝土在超高自由下落过程中的离析问题也是至关重要的。通过调整高效减水剂和增黏剂的比例，使自密实混凝土的流动性和黏聚性得到匹配，保证了新拌自密实混凝土在超高下落过程中不产生离析现象。

经过项目实践和不断改进，本自密实混凝土高抛浇筑技术的应用质量与效益都取得了预期成果。2014 年1 月至2017 年9 月，厦门某办公及商业建筑施工， 方形钢管混凝土柱截面最小1 000 mm2，最大1 200 mm2， 钢管柱内高抛浇筑自密实混凝土总量为 6 120 m3，强度等级为 C50、C60。 2017 年 6月至2018 年10 月，厦门某办公建筑施工，方形钢管混凝土柱截面最小 650 mm2， 最大 1 100 mm2，钢管柱内高抛浇筑自密实混凝土总量为 2 710.4 m3，强度等级为 C40。

1 自密实混凝土高抛施工的特点

1）施工操作简单，施工工期短。 从施工装置上看，泵送顶升法要有止流装置、短管等，并需要开设进料口、卸压空洞等。 而采用高抛的方法直接从柱顶高抛自密实混凝土，无需在钢管柱上开孔和进行补焊。

2）在普通自密实混凝土的基础上，掺加增黏剂防止高抛过程中出现离淅现象，实现良好流动性与抗离析性的匹配。

3）钢管柱一般1～2 层为一节，钢管柱长度一般都超过9.0 m，利用自密实混凝土良好的黏聚性，克服混凝土超高下落过程的离析现象，从而减少了钢管柱的接长工作。

4）自密实混凝土高抛浇筑是从柱顶通过劲肋横隔板的浇筑孔自由下落，对隔板、钢结构构件影响小。

5）除了在横隔板上设置浇筑孔外，还在横隔板的四周设置排气孔，防止双层横隔板之间或横隔板下方混凝土出现孔洞。

6）通过掺加大掺量的粉煤灰和矿渣、抗离析剂，使自密实混凝土的流动性和黏聚性得到匹配，保证了新拌自密实混凝土在超高下落过程中不产生离析现象，而且可以不经振捣或少振捣而填充钢管内部腔体。

2 适用范围

本自密实混凝土高抛浇筑施工技术适用于钢管直径或矩形管短边边长>0.45 m 且高度≤12 m 的钢管自密实混凝土柱。

3 工艺原理

高抛自密实无振捣施工工艺的基本原理为:在柱顶浇筑口处直接进行混凝土浇筑，利用自密实混凝土良好的黏聚性，克服超高钢管混凝土柱内高抛浇筑可能产生的离析现象；利用自密实混凝土良好的流动性，在自重作用下可以不经振捣或少振捣地流满钢管内部的腔体，解决了超高钢管混凝土无法振捣的问题，降低了多横隔板处混凝土不密实的概率。 从本质上来看，自密实混凝土利用较低的水量，在低水胶比条件下叠加高效的减水剂、复合矿物掺合料，以此来对新拌混凝土的高流动性与高抗离析性匹配度进行有效控制。 在自密实混凝土高抛施工中除了采用添加粉煤灰等矿物掺和料以及高效减水剂外，同时添加适量的增黏剂对粗集料与砂浆间界面黏聚性进行补偿, 使新拌混凝土的高流动性和抗离析性之间有适宜的匹配性，同时有效地控制预拌自密实混凝土在运输过程中的工作性损失。

自密实混凝土从下往上溢的过程中，为保证横隔板下方混凝土的密实度，在横隔板四周设置排气孔并且放慢浇筑速度，为结构狭窄部位空气的有效排除提供时间， 这样能够避免混凝土内部出现空洞。 在钢管壁不同高度处设置若干排气孔，排除自密实混凝土上溢过程中的气泡，同时也可以通过排气孔的流浆情况判断相应位置自密实混凝土的密实度。

4 工艺流程及操作要点

4.1 工艺流程

4.1.1 主体结构施工工艺流程

自密实混凝土配合比的确定→试验柱的施工及检测→安装第K～K+1 层的空钢管体系→连接第K 层的钢梁→连接第K+1 层的钢梁→钢管柱内自密实混凝土高抛浇筑→安装第K 层的钢筋桁架楼承板→绑扎K 层的楼板钢筋→浇筑第K 层楼板混凝土→安装第K+1 层的钢筋桁架楼承板→绑扎第K+1 层的楼板钢筋→浇筑第K+1 层楼板混凝土→安装第K+2～K+3 层的空钢管体系→ ……如此循环。

4.1.2 带横隔板钢管柱内混凝土高抛浇筑施工流程如图1 所示

图1 带横隔板钢管柱内混凝土高抛浇筑施工流程

4.1.3 自密实混凝土高抛浇筑流程

浇筑一层100～200 mm 厚且与自密实混凝土强度相同的水泥砂浆→浇筑混凝土至横隔板下方，缓慢浇筑、钢管外壁振动→继续浇筑混凝土，期间观察出浆口的出浆情况→循环进行（每车自密实混凝土要求在30 min 内使用完毕， 防止自密实混凝土流动性的经时损失）....→浇筑到距离柱口500 mm位置→刮掉表面浮浆→用土工布或塑料薄膜将管口封闭→浇水养护。

4.2 操作要点

1）施工准备:①综合考虑多种影响因素来确定混凝土的配合比，包括强度等级及性能要求、施工条件、作业环境等，并委托实力较强、信誉好的混凝土公司进行生产和供应。 ②明确施工顺序和浇筑分区、浇筑方式、施工机械、浇筑方法等，分级进行交底。③统计人力、物力的需求量，并做好施工前的准备工作，及时清理场地，满足施工需要。 ④为满足养护标准，需进一步确定混凝土试块制作组数。 ⑤浇筑工艺开始前两个小时，对钢管柱内的混凝土连接部位已经做好凿毛（在上节柱安装前应完成）的混凝土接触面进行湿润工作。

2）提前制作1∶1 钢管混凝土试验柱，对钢管内壁进行除锈。 根据试验柱模拟复杂节点段的试验原则，试验柱设置排列密集的隔板，并根据设计图纸要求将隔板间距控制在400 mm 及以上， 将工艺隔板间距控制在2 000 mm 左右。

3）试验场地选择在现场较为空旷的位置，开挖并浇筑钢管试验柱的独立基础，并预埋好柱脚螺栓。

4）钢管试验柱模型制作完成并运至试验场地后， 即采用汽车吊或塔吊进行卸车和安装就位，钢管柱安装时利用四根φ20 揽风绳加以固定。揽风绳拉点在钢管柱四周对称设置。

5）搭设操作平台。 可以采用搭设满堂脚手架的形式，也可在试验柱上设置外伸钢梁，然后在钢梁上搭设操作平台，平台四周设1.2 m 高的防护栏杆。

6）与混凝土搅拌站一起完成自密实混凝土配合比的试配工作，着重控制增黏剂的添加比例，一般控制在胶凝材料用量的0.035%左右。

7）进行试验柱内混凝土浇筑。 试验柱与工程柱的浇筑要点相同，后续的浇筑要点同时适用于试验柱和工程柱的自密实混凝土高抛浇筑。 试验柱施工完成后，通过敲击、剖开、超声波、取芯等方式检验其浇筑质量。 对施工工艺进行优化，并根据试验结果最终确定自密实混凝土配合比及施工方法。

8）钢管柱一般为两层一节左右，每节高度超出楼层高度500 mm 左右，如图2 所示。

图2 钢管柱分节示意图

9）根据钢管柱的不同规格来设置混凝土浇筑孔的大小， 如:1 800 mm 钢管柱的浇筑孔通常为600 mm，650 mm 钢管柱的浇筑孔通常为 250 mm。 同时，要根据隔板形式的不同，保证排气孔数量的合理性。

10）由于横隔板上已经设置了浇筑孔和排气孔，当钢管柱的截面直径或边长小于600 mm 时， 可以不埋设超声波管；当直径大于600 mm 时，圆形钢柱需布置2 根超声波检测管，方形钢柱需布置3 根超声波管检测管，超声波管采用φ48 mm 的镀锌钢管，底部封口。

11）在每段钢管柱底部开设泄水小孔，或顶部做防雨覆盖，以及时清除钢管柱内积水。

12）在钢管顶部安装漏斗，漏斗导管的直线长度≥300 mm，漏斗直径为预留浇筑孔的2/3，并且其中心对准横隔板的中心，保证自密实混凝土在下落过程中不碰到横隔板，避免混凝土与横向板碰撞导致分散、离析。 严禁自密实混凝土直接从塔吊的料斗下落。

13）每车自密实混凝土均需进行坍落度和扩展度现场检测，每台班自密实混凝土试块按《混凝土结构工程施工规范》(GB 50666)要求留设；达不到要求的自密实混凝土应退场处理，严禁在现场向自密实混凝土中加水。

14）罐车须高速运转1 min 以上方可卸料，并进行自密实混凝土坍落扩展度测试。制作一张厚度3 mm 的不锈钢板， 并在钢板上事先画上不等直径的圆环，方便判断扩展度的大小。 地面要平整或者事先浇筑一块平整的混凝土地面，图3 和图4 为现场测试情况。

图3 自密实混凝土坍落扩展度及T500 试验

图4 自密实混凝土坍落扩展度及T500 试验

15）浇筑混凝土时应控制好混凝土出料速度，不能过快。 浇筑速度宜控制在1.00 m/min 以内。

16）为减少隔板下各类气泡的产生和聚集，在混凝土浇筑过程中采用测绳测量液面高度的方法量测混凝土的浇筑高度，当混凝土液面高度达到钢管柱内隔板以下20～50 cm 位置时暂停浇筑， 停留至少5 min 方可继续浇筑。

17）在各分节钢管柱内的自密实混凝土强度等级变化处，需要将高强度混凝土浇筑至变混凝土强度板底以下50 cm 处，待第二次浇筑时，先用高强度标号的自密实混凝土浇筑至板底以下50 cm 位置，之后用低标号混凝土浇筑上一节的钢管柱内混凝土。

18）浮浆处理。 浇筑完成后，由于大量气泡逸出，会导致上部表面的浮浆泛起，因此，在混凝土初凝前，必须将浮浆用容器清理干净。 在终凝后，将上表面凿毛，直至露出石子为宜。

19）混凝土初凝后做好灌水养护，并用土工布将管口封住，避免异物落入。

4.3 劳动力组织

劳劳 动动 力力 配配 备备 见见 表表11。。

5 材料与设备

5.1 材料

1）胶凝材料。 硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥都是较好的胶凝材料。 同时要考虑到水泥的低需水性、与减水剂的相溶性等。

表1 劳动力组织情况

2）骨料。 骨料的影响较大。 高抛免振捣混凝土的骨料通常采用粒径5 mm～25 mm 的石子、粒径5 mm～10 mm 的小石子、细度模数为 3.0～2.6 的中砂。同时， 在施工过程中严格控制中分细颗粒含量、石子含泥量等参数。

3）外加剂。 外加剂必须要有较好的性能，如流化性、泵送性等。 同时，外加剂不应对混凝土自身的性能产生不良影响。 在实际施工中，必须加入微膨胀剂，以避免钢管与混凝土之间产生微小的空隙。

4）掺合料采用Ⅰ级粉煤灰，掺量控制在胶凝材料用量的30%左右。

5）采用羧甲基纤维素增黏剂，掺量控制在胶凝材料用量的0.035%左右。

5.2 设备

施工主要机具见表2

表2 主要施工机械

6 质量控制

6.1 质量控制标准

1）本技术主要执行的是《自密实混凝土应用技术规程》JGJ/T 283—2012[3]，《钢管混凝土结构设计与施工规程》CECS 28—90、《混凝土结构工程施工规范》GB 50666—2011 的规定。

2）自密实混凝土现场坍落扩展性能指标：坍落度≥255 mm，扩展度≥600 mm。

3）当试验柱完成后，还需要进行其他的检测，如混凝土试件强度检测、柱剖口观察、混凝土完整性超声波检测、横向抽芯检测、纵向抽芯检测等。

①剖口观察

在完成混凝土浇筑的试验柱的侧面不同位置开设观察窗口，观察窗口设在横向隔板节点复杂且混凝土不易密实的部位。 在试验的过程中，分别在试验柱的上、中、下部位进行剖口检查，剖口主要集中在横向隔板位置， 以直观观察混凝土的密实性，特别是横向隔板处混凝土的密实性。 通过各个剖口窗的直观观察，剖口窗内混凝土密实，各个剖口窗内均未发现混凝土麻面、孔洞、空腔及其他不密实情况。

②非横隔板处超声波检测

每根试验柱浇筑完成3 d 后，首先进行超声波检测，7 d 后再次进行超声波检测。超声波检测可以检测到全柱内的混凝土密实情况，通过对试验柱的多次超声波检测， 柱内混凝土密实无明显缺陷，若横向隔板出现不同波形，为该处混凝土与钢板材质不同引起。

③混凝土强度取芯测试

试验柱端混凝土采用纵向取芯的方法测得混凝土的强度；其他位置钢管切割后横向取芯，测得相应混凝土的强度。

4）工程钢管混凝土柱的敲击法检查

该方法是通过声音来分析管内混凝土是否密实。 在实际工作中，需要沿柱周边取等距离的若干个点，并从柱底敲击至柱顶。 当柱的中间与两端敲击声音不一致的时候，则视为出现异常情况，需进一步对其进行处理。

5）钢管混凝土柱的超声波检查

①超声波抽样按检测楼层钢管柱总数的10%（不少于3 根）进行超声波检测。 测试频率宜选择在40～100 kHZ 范围内。

②数据整理分析

表3 超声波检测判定参考依据

A）测位混凝土声学参数的平均值mx和标准差sx应按式 1 计算:

式中:Xi——第i 点的声学参数测量值；N——参与统计的测点数。

B）异常数据可按下列方法判别:

a）将各个检测点的波幅、声速或主频值由大至小按顺序分别排列，即 X1≥X2≥…Xn≥Xn+1≥…，并寻找数据中的可疑数据，如：排列在后面且数值明显较小的数据作为可疑数据，然后将可疑数据中较大的数据（假定Xn）连同其前面的数据按上式计算出mx及sx值，并按式（2）计算异常情况的判断值（X0）:

式中λ1的取值需按照《超声法检测混凝土缺陷技术规程》（CECS21）中的相关规定进行取值。

b）如果检测位置中判断出现异常点，那么可以根据异常检测点的具体分布情况，按式（3）或式（4）进一步判别其相邻测点是否异常:

式中λ2及λ3的取值需要按照 《超声法检测混凝土缺陷技术规程》（CECS21:2000）表3 取值。当检测点布置为网格状时，取λ2；当监测点单排布置的时候，取 λ3。

C）当部分检测点的声学参数出现异常值的时候，需结合异常点的分布情况、波形等来确定混凝土的异常部位，可参考表3 进行判定。

7 注意事项

1）配备强有力的施工项目管理班组, 施工前编制详细专项方案，并进行交底。

2）在混凝土搅拌的过程中要严格控制各项参数指标，包括粗细骨料的含泥量、级配、强度、粒径等，保证混凝土的质量满足实际需求。

3）在混凝土浇筑过程中，需要专人专管，及时做好各项检测工作。 混凝土每车必检，检查必须有记录并由检查人员签字确认。 不符合要求的禁止使用，并且按规定留置试块。

4）在施工的过程中，混凝土的浇筑方式要与混凝土的初凝时间相适应，如同一根钢管柱要进行混凝土连续浇筑、在底层混泥土初凝前完成上一层浇筑等。 同时，要合理控制混凝土的振捣质量。

5）注重安全保障。 如操作平台应搭设牢固，作业人员需要做好安全防护，穿胶鞋、戴绝缘手套，使用带有漏电保护的开关箱等。 对于高空作业的施工人员来说，需要佩戴不易掉落的工具包、安全带、绝缘手套等各种安全防护用品。

6）要对施工现场进行有效管理，包括施工材料、设备等，并及时清除施工垃圾，做好现场的交通指挥，保证施工环境与条件的合理性。