小截面钢管内自密实混凝土浇筑技术研究

刘志光 孙云星 赵宪策

0 引言

随着国家经济的快速发展，住宅产业化逐渐成为建筑业发展的方向，近年来在国内出现许多钢结构多层、高层住宅的示范工程，表明我国钢结构住宅产业化在逐步发展，小截面钢管混凝土浇筑技术将有十分广阔的应用前景。

1 工程概况

1.1 项目简介

沧州市福康家园公租房工程是沧州市保障性住房项目，是河北省首例高层装配式钢结构住宅项目，共8 栋楼，总占地面积 44 550.95m，总建筑面积 130 193.21m.建筑每层高度为2.95m，建筑物总高度为75.5m，结构采用异形方钢管混凝土组合柱+H 型钢梁结构，方钢管截面有200mm×150mm，200mm×300mm 等多种截面，组合形成L 型、T 型、十字型等截面形式，柱内浇筑C40 自密实混凝土，钢管在每层梁柱连接位置设有水平贯通隔板，隔板中心预留直径80mm 的浇筑孔，梁采用热轧H 型钢，支撑采用人字形和十字形方钢管。

1.2 工程特点难点

本项目矩形钢管柱截面小，一节钢柱浇筑高度11.5m，采用高抛浇筑方式时防止自密实混凝土浇筑过程中发生离析是施工控制的重点；其次钢管柱内梁柱连接节点处均设置了水平贯通板处，易产生集中气泡，造成空洞等不密实现象，因此采取措施保证自密实混凝土流动性，使钢管柱内自密实混凝土充满每个角落，保证自密实混凝土的密实度是施工重点和难点；同时也要考虑现场气候、气温、持续时间等对自密实混凝土性能的影响。

要想解决自密实混凝土浇筑时的难点，必须解决自密实混凝土的配合比和施工工艺方法。自密实混凝土的配合比通过查阅相关资料分析工程状况后，进行试配后确定混凝土的基础配合比，再通过多组对比试验最终确定符合现场实际情况的自密实混凝土配合比，最后通过现场模拟试验确定施工工艺方法。

2 设计自密实混凝土配合比

2.1 材料选用原则

自密实混凝土拌合物应具有良好流动性、填充性和保水性。通过骨料的级配控制以及高效减水剂来实现混凝土的高流动性、高填充性。

免振捣自密实混凝土制备的原理是通过外加剂、胶结材料和粗细骨料的选择搭配和精心的配合比设计，使屈服剪切应力减小到适宜范围，同时又具有足够的塑性粘度，使骨料悬浮于水泥浆中，不出现离析和泌水问题，能自由流淌充分填充模型内的空间，形成密实且均匀的结构。采用高减水剂，可获得自密实混凝土高流动性，同时保证力学性能和耐久性。

2.2 原料的选择

2.2.1 粗骨料

拟选用满城碎石，颗粒级配5～20mm 连续极配。碎石含泥量≤1.0%，泥块含量≤0.5%，针片状颗粒含量≤8%；表观密度经检测2.82g/cm。满足国家现行《建设用砂》（GB/T14684-2011）标准要求。

2.2.2 细骨料

拟选用洁净、级配良好的天然中砂，含泥量≤3.0%，泥块含量≤1.0%，Mx=2.0～3.0；表观密度经检测2.64g/cm，满足国家现行《建设用砂》（GB/T14684-2011）标准要求。

2.2.3 水泥

拟选用P·O42.5R 太行硅酸盐水泥，28d 标养强度达50MPa，该水泥属低碱水泥，强度稳定，与外加剂适应性强。表观密度经检测3.14 g/cm。满足国家现行《通用硅酸盐水泥》（GB/175-2007）标准要求。

2.2.4 矿渣粉

拟选用S105 级粒化高炉矿渣粉，28 天活性≥105%，表观密度经检测为3.20g/ cm。满足国家现行《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》（GB/T18046-2017）标准要求。

2.2.5 膨胀剂

拟选用满足国家现行《混凝土膨胀剂》（GB/T 23439-2017）标准要求的UEA-2 型膨胀剂。

2.2.6 减水剂

拟选用满足国家现行《混凝土外加剂》（GB/8076-2008）标准要求的聚羧酸系高效减水。

2.3 配合比选用

2.3.1 根据《自密实混凝土应用技术规程》（JGJ/T 283-2012）、《高抛免振捣混凝土应用技术规程》（JGJ/T 296-2013）和本工程的特点，选用了原材料，依据自密实混凝土的目标性能，通过多次试验反复确认配合比并进行性能测试，最终确定自密实混凝土的配合比。

2.3.2 初步试验配合比

按初步设计试验配合比（如表1 所示）进行试配，根据自密实混凝土成型状况，控制塌落度，调整水胶比和外加剂的掺量，保证适配混凝土不会发生泌水和离析现象，形成基准配合比。

表1 初步试验配合比

为保证自密实混凝土流动性和强度，以基准配合比为基础，调整水胶比（±5%），确定最优外加剂掺量、

经过多次试配、多次浇筑试件样品，最终确定C40 自密实混凝土配合比（下表2 所示）。

表2 最终配合比报告

性能指标：强度等级C40，塌落度SIP ≥250，扩展度为680mm，流动性≥700。

3 混凝土施工

3.1 混凝土质量保证措施

依据《自密实混凝土应用技术规程》要求：混凝土最大倾落高度不宜大于9m，倾落高度＞9m 时，应采用串筒、溜槽、溜管等辅助装置进行浇筑。本项目钢管混凝土的浇筑高度为11.5m，超出技术规程的高度允许值，且采用高抛浇筑，因此钢管柱内自密实混凝土的浇筑成型和密实度成为质量控制的要点和难点。

高抛浇筑混凝土下落过程中容易发生离析；尤其钢管截面150mm×150mm，3 层6 个贯通隔板，贯通隔板下侧特别是角部侧容易聚集气泡，产生空腔，很难保证浇筑密实，为解决以上问题，采取以下自密实混凝土施工措施：

（1）在钢柱两侧对称柱壁上水平贯通板下侧20mm 位置处设置孔径15mm 的排气孔。

（2）排气孔处设置向上的排浆管，保证钢管内气体排放和灰浆不污染钢柱。

（3）采用自制带计量刻度的布料斗装运自密实混凝土，布料斗容量按照单柱最大钢管内混凝土浇筑量设计，布料斗焊接成六边形，并以6∶1 比例缩小，保证浇筑质量和速度，可便于计量钢管柱内的浇筑量，同理论计算量进行对比分析。

（4）在塔吊上安装定速控制器，使自密实混凝土可以匀速浇筑，保证浇筑质量。

为确保浇筑措施的可行性和自密实混凝土浇筑质量，首先采用模拟试验方式确认浇筑工艺。模拟试验采用1∶1 构件进行，钢管柱截面尺寸为200mm×150mm，高度为11.5m，钢管柱梁柱节点贯通板处按设计图纸留置。

3.2 确定单根钢柱浇筑时间

统计出单根矩形钢柱浇筑时间，通过现场多次浇筑试验分析，6min 以上可以保证混凝土浇筑密实，但10 分钟一根钢柱，施工速度慢，效率低，因此选择单根钢柱的浇筑时间为6～8min。

3.3 塔吊匀速提升的速度

混凝土布料斗容积与钢柱内混凝土工程量相同，均为0.5m，混凝土自重1.25t，按照试验配合比中风箱填充高度及漏斗通过时间确定自密实混凝土流动速度大概为0.33/11=0.03m/s，同时根据矩形钢管高度12m，需要在6～8min 内完成单根钢柱浇筑，12m/8×60s=0.0025m/s、12m/6×60s=0.034m/s。根据以上的数据，选择0.1m/s、0.05m/s、0.04m/s、0.03m/s、0.02m/s 五种速度进行试验。

经过以上试验对比分析，按照密实程度及强度要求0.04m/s、0.03m/s 符合要求，0.04m/s 施工速度快且强度满足设计要求，现场使用0.04m/s 作为塔吊提升速度。

3.4 确定混凝土布料斗外形

根据浇筑方案，主要靠混凝土自重进行浇筑，选择“漏斗”形状的布料斗，越接近圆形则布料斗内混凝土流动性越好。但考虑现场高空作业实际情况，圆形布料斗工人操作难度大，确定选择六边形布料斗。

布料斗容量为0.5m，布料斗下部的最小管径为100～150mm，布料斗高度0.5m（矩形钢管高出楼层1m，施工人员可以看到布料斗内混凝土情况，1.5m-1m=0.5m），根据台体体积计算公式V=1/3（s/+√s/s+s）h，面积S=√3×3/2×a×a，

底部管径选择150mm，s/=3.14×0.15×0.15=0.0765，s=1.2，a=0.45m，上下边的比率=0.5/（0.45/2-0.15）≈6/1；

底部管径选择100mm，s/=3.14×0.1×0.1=0.0314，s=1.4，a=0.65m，上下边的比率=0.5/（0.65/2-0.15）≈5/2；

针对两种比例的布料斗进行浇筑试验，试验显示，5∶2布料斗自密实混凝土流动性差，浇筑速度慢，易出现蜂窝等浇筑部不密实的现象；使用6∶1 布料斗进行混凝土浇筑能够满足设计要求，决定使用6∶1 布料斗进行混凝土浇筑。

以上参数确定之后，进行模拟试验（见图1），试验结果显示钢管柱内自密实混凝土能自行充满，且每层贯通板下侧角部也没有气泡聚集；经28d 钢柱内自密实混凝土取芯进行强度检测，结果满足设计要求。

图1 模拟试验

按照模拟试验的施工工艺进行施工，钢柱内自密实混凝土能够自行密实，强度均满足设计要求。

4 钢管内混凝土超声波检测

4.1 超声波检测原理

依据超声波测线声速值，计算测线声速平均值（mx）和标准差（Sx）。

如果钢管内混凝土密实无气孔，则超声波传播介质就只有钢管和混凝土两种介质中传播，传播速度值和回传时间是相同的，反映到超声波显示曲线是均匀等值曲线；如果钢管内混凝土不密实存在气孔，则超声波传播介质就由钢管、混凝土和空气三种介质中传播，传播速度值和回传时间发生变化，反映到超声波显示曲线是不均匀等值曲线；从而发现钢管内混凝土的缺陷。

4.2 超声波检测方法

随机抽取被检测钢柱两个相对柱面，将柱面清洁干净，保持柱面平整，然后在柱面中心对称布置纵向检测线，间隔200mm 布置横向检测线，纵横检测线的交点可作为测试点。

检测时采用垂直对测和斜向测交替进行，探头运行轨迹如图2 所示。

图2 超声波检测示意图

超声探头宜选用50KHZ 的平面探头，超声仪宜选用非金属超声波探测仪（如图3 所示）。进行检测时，必须保证发射和接受换能器的轴线在同一纵轴上，采用黄油作为耦合剂，保证探头与构件表面充分接触，依次逐点检测，检测时做好声时、声速值的记录，进行统计分析。

图3 超声波检测

检测时，以每根钢柱为一个检测单位。

抽查1#楼1～10 层钢管内混凝土密实度。超声波法检测柱芯混凝土声速值见下标，同条件的样品构件混凝土声速值为4.55km/s，声速标准差为0.19km/s

表3 超声波检测声速值汇总表

根据超声声速平均值、声速标准差和波幅等检测结果综合分析：所检钢管混凝土自身密实性较好。

5 结语

沧州市福康家园公租房项目获得国家钢结构金奖及河北省新技术应用示范工程等多项奖励证书，被收录进《建筑业十项新技术》应用示范项目。自密实混凝土在小截面钢管混凝土柱的施工中表现出优良的工作性能，取消了振捣工序，提高了施工效率，节省了能源和人工成本，降低了施工噪声污染，改善了附近有关人员的生活环境。自密实混凝土在小截面构件和狭小空间的应用具有明显的优势，但如何进一步降低成本，提高施工效率，提升自密实混凝土的检测方式并在高强等方面进行应用，需要更深层研究解决。