小直径钢管柱高抛免振捣混凝土施工技术

刘正勇 ,苏志岗 ,曹俊杰

(1.浙江舜江建设集团有限公司,浙江 绍兴 312300；2.上海申昆混凝土集团有限公司,上海201709；3.江苏中南建筑产业集团有限责任公司, 江苏 海门 226100)

小直径钢管柱高抛免振捣混凝土施工技术

刘正勇1,苏志岗2,曹俊杰3

(1.浙江舜江建设集团有限公司,浙江 绍兴 312300；2.上海申昆混凝土集团有限公司,上海201709；3.江苏中南建筑产业集团有限责任公司, 江苏 海门 226100)

小直径钢柱内浇筑高抛自密实混凝土,施工的安全和质量难以得到保证。今通过对混凝土配比及工作性能的多次试验研究,确定了浇筑小直径钢柱自密实混凝土的最佳配比和工作性能；并且在浇筑过程中,采用了安全平台、浇筑漏斗、控制浇筑时间等多种手段,确保了施工过程安全及钢柱内混凝土的浇筑质量。

钢结构住宅；钢管混凝土；高抛免振捣混凝土；建筑工业化

推进建筑工业化,施工现场的装配式施工技术是重要组成部分,而钢结构建筑是极其适合装配式施工技术的：它是集合工厂制作、现场装配、机械化操作、智能化控制的结构体系。

为加快推进钢结构在住宅建筑中的应用,江苏中南集团在江苏昆山建造江苏省内第一栋钢结构住宅。

1 工程概况

1.1 项目概况

昆山中南世纪城21#楼为江苏省内第一栋钢结构住宅建筑,位于昆山市微山湖路与太湖北路交汇处。建筑地下2层,地上33层,总高度96.7 m。标准层面积465 m2。

1.2 钢结构体系及钢柱简介

工程采用钢框架中心支撑结构,钢框架柱内浇灌混凝土。主要钢柱构件尺寸规格见表1、图1。

结构设计中,对钢柱及内浇筑混凝土要求见表2。

表1 主要钢柱截面尺寸

注：钢柱内隔板：设置于钢柱与梁、支撑等连接部位,孔径分别为100、120、150 mm三种。建筑高层,柱壁厚及截面有局部变化,对混凝土浇筑影响不大。

1.3 钢管柱混凝土施工技术介绍

钢管混凝土结构的柱芯混凝土浇筑工艺[1- 2],在以往主要采用两类方法：第一类是传统的振捣浇筑法;第二类是免振捣浇筑法。在免振捣浇筑法中,又分为高位抛落法和泵送顶升法两种。前者利用混凝土高位抛落的动能来实现混凝土的密实,后者利用混凝土在承压状态下成型来实现混凝土的密实。

图1 钢柱内隔板位置及尺寸图

表2 钢柱内灌混凝土标号

本工程由于中间隔板的存在无法实现振捣,只能采取免振捣方法。通常的免振捣浇筑法中,可将其分为高位抛落法和泵送顶升法两种。顶升法和高抛免振捣法在本工程中的应用对比见表3。由于封头板和水平隔板的存在，高位抛落实现困难；若采用顶升的方法,则要在箱形柱壁板开直径200 mm的圆洞,设计单位持否定态度。

表3 顶升法和高抛免振捣法在本工程中的应用对比

综合工程的实际情况,决定采用高抛免振捣法浇筑。

1.4 钢管内浇筑高抛免振捣混凝土施工技术难点

采用塔吊吊运高抛免振捣施工存在如下技术难点：

1)钢柱为四层一节安装,每节柱长约12～12.5 m,中间5×2个横隔板,采用漏斗接入。如采用短漏斗,混凝土抛落高度接近规范允许的极限值12 m;如用长漏斗,混凝土从漏斗中流出慢。

2)内部每层钢梁位置处均设有两块加劲板,加劲板开口直径为100、120、150 mm,柱底铁板开口直径为80 mm。钢柱内隔板的孔径小,内径最小为100 mm,对混凝土的间隙通过率、流动度及抗离析度等性能要求高。

3)本工程建筑总高96.7 m,顶层钢柱浇筑混凝土,楼层高、应用塔吊浇筑速度慢(增加漏斗数量、容积)；

4)高层混凝土浇筑时为高空作业,根据施工流程,高层钢管柱浇筑时,周围并未形成有效的安全围护,混凝土浇筑时的安全施工难度大。

2 高抛自密实混凝土的研制

2.1 高抛免振捣混凝土要求

根据《高抛免振捣混凝土应用技术规范(JGJ/T 296—2013)》《自密实混凝土应用技术规程(JGJ/T 283—2012)》对混凝土的扩展时间、扩展度、离析度等性能规定和要求,结合本工程特点,对混凝土性能有更高的要求：

1)高抗离析度 工程混凝土从近12 m高处抛落,钢柱内横隔板类似于挡板,容易造成混凝土的离析。因此,工程应用混凝土抗离析度要求高。

2)扩展时间短 小口径钢管内有较多横隔板,横隔板孔径小(最小100 mm),如浇筑速度过快,横隔板下方极易形成空腔,导致混凝土浇筑不密实。如混凝土浇筑时能在较短时间完成扩展,同时控制横隔板下部混凝土的浇筑速度,则可以达到比较好的密实度。

3)为避免浇筑时混凝土收缩产生局部空隙,要求混凝土保持无收缩或微膨胀。

2.2 实验调整及配比

实验室反复进行混凝土配比并进行性能测试,除符合前述两项规范要求外,还参考相关文献进行了V形箱、L形槽等类似性能测试[3],制定的高抛免振捣混凝土配合比见表4。扩展(流动)度试验见图2，V型槽试验见图3，L型箱试验见图4，高抛抗离析度试验见图5。

表4 C55高抛免振捣混凝土配合比

实验室测得高抛免振捣混凝土性能指标表5。

表5 高抛免振捣混凝土性能检测表

注：标准1为《高抛免振捣混凝土应用技术规范(JGJ/T 296—2013)》；标准2为《自密实混凝土应用技术规程(JGJ/T 283—2012)》；性能测试以标准1为主,主要通过流动性、间隙通过性、填充性、抗离析性来表征。

图2 扩展(流动)度试验

图3 V型槽试验(V型通过时间)

图4 L形箱试验(间隙通过率)

图5 高抛抗离析度试验

图6 钢管搭设操作平台

3 工程施工技术

3.1 现场小直径钢柱浇筑试验

在全面浇筑钢柱混凝土前,选取结构边缘一根钢柱进行试验性浇筑。

3.1.1 技术准备

1)对每一规格钢柱进行数据计算,计算单柱浇筑混凝土用量及每层浇筑量(分层考虑钢柱内隔板位置)。

2)施工操作平台搭设：为确保浇筑时操作工人的安全可靠,施工现场采用铝合金管及对拉螺栓搭设了简易的操作笼,对称设置,浇筑时,2名混凝土工人立于笼内,控制料斗的开关。

3)漏斗准备：混凝土浇筑漏斗采用钢板焊接,下接500 mm长钢管,钢柱上口孔径为150 mm,漏斗管径85 mm。

3.1.2 浇筑过程控制

1)浇筑前,对钢柱内进行清理,清除垃圾杂物、排出积水。

2)正常浇筑时,先浇筑一层 200 mm 厚与高抛免振捣混凝土强度等级相同的水泥砂浆,以防止自由下落的混凝土粗骨料产生弹跳。考虑钢柱内有多道内隔板,在正常结浆厚度为200 mm的基础上,增加50%浆料。

3)混凝土料斗放料至浇筑料斗内,利用混凝土下落产生的动能来达到混凝土的自密实；确保漏斗的导向管位于钢管加劲板孔的中心,以便可以直接进行高抛灌注。

4)应加强钢管柱底部及钢管柱管壁排气孔的观察。确认浆体流出和浇捣密实后封堵排气孔。

5)钢管内自密实混凝土浇灌工作宜连续进行,若有间歇,时间不应超过自密实混凝土的终凝时间。

6)浇筑过程连续进行,每浇筑到隔板下沿时(根据外侧木锤敲击判断),停留约15 s(根据混凝土扩展时间),让混凝土充分填充隔板下沿,然后继续浇筑,若必须间歇时,时间不应超过自密实混凝土的终凝时间。

7)浇筑至钢柱顶下600 mm,完成该钢柱的混凝土浇筑；预留600 mm为避免钢柱焊接连接时产生高温，导致混凝土受损。

8)混凝土浇筑完成后,用钢盖板盖住,以防下雨时雨水进入,导致下次混凝土浇筑时混凝土含水量过大。也能防止油和其他异物等落入。

3.1.3 浇筑时的安全措施

钢柱高抛混凝土浇筑为高空作业,普通混凝土工人难以适应,如何解决钢柱浇筑时的高空安全作业问题,是浇筑施工的重要施工技术。

因采用的是高抛免振捣混凝土,对混凝土浇筑的技术要求不高,只需要控制混凝土下落速度,通过沟通,适应高空作业的钢结构安装工人成为钢柱混凝土浇筑的施工人员。

为确保施工安全,高空作业人员除系挂安全绳之外,采用了钢管搭设浇筑简易平台及焊接施工小笼的方式,进行钢柱混凝土浇筑。见图6。

3.2 过程质量控制

依据《钢管混凝土工程施工质量验收规范(GB 50628—2010)》,钢管混凝土的密实度为主控项目,检验方法主要为浇筑的试验工艺、试验报告及浇筑施工记录。

施工过程中,主要采用如下几种方法进行过程控制。

1)钢柱外敲击：浇筑时,安排1名工人在钢柱外沿竖向用小木锤敲击,敲击时,根据声音判断混凝土浇筑到达柱内的高度,同时判断浇筑是否密实。

2)透气孔观察：钢柱制作时,在梁上端100 mm左右钢柱四侧均开有直径约10 mm的小孔,浇筑时,小孔用于及时排出钢柱气体,同时,根据气孔内出浆量,观测浇筑密实情况。

3)计算加入混凝土量,与钢柱内容积进行对比,判断密实度。

4 质量检验及施工总结

基于对钢柱内混凝土密实度施工质量的担心,对小直径钢柱混凝土密实度情况进行了如下几种方式的检查和验收：

1)密实度是钢管混凝土质量检验的主控项目,但由于检验的技术水平,现今尚无有效的非破损检验技术,超声波检测对于小直径钢管混凝土的成功率不高。

2)施工过程控制是钢柱混凝土密实度的主要控制手段，采用的过程控制主要有以下几种方法：①通过计算钢柱内空间容积,核对浇灌混凝土量,粗略判断钢柱混凝土是否密实；②钢柱制作前,在横隔板下沿柱翼缘对称设置两个直径约10 mm的圆孔,可排放气体,也可作为混凝土密实度的观测孔；③浇筑时采用木锤在钢柱侧边敲击,通过声音判断浇筑高度及密实度。

3)终凝后的检测手段：①混凝土终凝后,可以采用超声波进行非破损检测,由于超声波检测的原理、仪器精度及后处理手段限制,超声波检测的可靠性和准确性并不高,难以提供肯定的检测结论；②采用取芯方式对钢柱进行破损检测,判断钢柱内混凝土强度及密实度。

4)本工程施工时,除过程控制手段外,混凝土终凝后,采用了取芯的检测手段进行密实度检测,取芯钢柱取3根及总数1%的大值,取芯位置为柱底横隔板下100 mm位置。结果表明,混凝土强度及密实度均满足规范要求。

在钢柱内浇灌混凝土试验中,柱脚锚栓位置留有约100 mm空隙,原设计采用灌浆浇筑,试验时,在柱脚用砂浆进行封堵,柱顶高抛混凝土后,将柱脚封堵砂浆钻孔,检查,柱脚处混凝土密实。

据此可以判断,施工时,钢柱内的混凝土密实。

5 改进措施

为增加钢柱内浇混凝土的施工质量、便于施工操作、加快浇筑速度,在第一次浇筑钢柱内混凝土时,施工单位提出了以下几点改进措施：

1)与设计单位沟通,变更设计,通过加大内隔板厚度,增加内隔板浇筑孔孔径,特别是截面小的钢柱,将内隔板浇筑孔扩大,使混凝土浇筑速度加快。变更前后的钢管内隔板孔径见表6。

表6 变更前后的钢管内隔板孔径

2)增加漏斗下导管截面,加快下料速度。

3)在钢柱截面增加透气观察孔数量,特别在内隔板下沿100 mm处对侧增加透气孔,用于直接观察内隔板下沿混凝土密实度。

4)探索顶升法浇筑小直径钢柱混凝土,争取在下一层钢柱浇筑中,选取一根钢柱进行顶升法浇筑试验。

[1] 马雪英,彭春强,杨欣,等. 高抛自密实钢管混凝土的配制与工程应用[J].建筑技术,2009,40(1):45- 47．

[2] 牟廷敏,宋晓波,范碧琨,等. C50高抛自密实微膨胀钢管混凝土的研究与应用[J].混凝土, 2012(9):103- 105．

[3] 董文祥,王宁.钢管柱高抛自密实混凝土足尺工艺试验研究[J].施工技术, 2014,43(增刊1):200- 202．

Construction Technology of the High Throwing Concrete without Vibration of the Steel Pipe Column with Small Diameter

LIUZhengyong,SUZhigang,CAOJunjie

2017- 02- 28

刘正勇(1971—)，男，江西丰城人，高级工程师，从事土木工程施工研究工作。

TU755.6

B

1008- 3707(2017)04- 0029- 06