钢管混凝土技术的应用

张振栋

（北京方圆工程监理有限公司，北京 100036）

1 工程概况

本工程采用矩形焊接钢管柱，钢板采用 Q345C，每节钢管柱 3 层楼层，高 9.45m（图1），柱外截面（图2）400mm×400mm，每层钢梁连接处设置三层隔板（图3）（增加钢管柱的侧向抗力，避免钢管柱安装过程中变形），隔板中间预留 150mm 洞口浇筑混凝土，采用 C60 自密实混凝土浇筑。

图1 钢柱立体图

图2 钢柱隔板俯视图

图3 钢柱牛腿处隔板设置图

2 原材及配合比设计

结合本工程矩形钢管柱的内部结构及浇筑高度，自密实混凝土设计采用双掺粉煤灰和矿粉，以提高胶凝材料的用量，达到较理想的扩展度、流动性，实现良好的填充效果。

水泥：自密实混凝土水泥宜采用普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥，并符合现行国家标准，本工程采用金隅北水生产的 P·O42.5 水泥，质量稳定，进场复试合格，其性能见表1。

粉煤灰选用 F 类Ⅱ级，矿渣粉选用 S95，性能符合现行国家标准，且均是搅拌站长期固定厂家供货，质量稳定，进场复试合格。粉煤灰烧失量 1.06%，细度20.3%，需水比 98%。矿粉比表面积 430m2/kg，7d 活性指数 88%，28d 活性指数 105%。

砂：滦平Ⅱ区中砂，细度模数 2.8，含泥量 2.0%；石：威克冶金 5～25mm 天然砂，连续级配，含泥量0.5%。砂石料供货厂家稳定，进场进行抽查，并进行周检查，均符合现行标准的要求。

外加剂：天津冶建聚羧酸减水剂，含固量14.73%，减水率 27%，pH 值 4.4。

表1 水泥性能

依据 JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》及其他现行标准，经计算确定 C60 自密实混凝土施工配合比如表2。

表2 配合比 kg/m3

对配合比进行试配，混凝土出机状态符合要求，和易性良好，无离析现象，扩展度可达 670mm。

3 工艺试验过程

结合工程实际情况调整施工方案，施工工艺如下：检查钢管柱→浇筑准备→浇筑→养护→检验、分析。

3.1 检查钢管柱

（1）钢管柱吊装前应检查钢管内是否有杂物、污物，有杂物、内壁污物应在吊装前清理干净，且在钢柱吊装过程中，严禁向钢管内丢弃螺栓、包装纸箱等。

（2）试验矩形焊接钢管运送到现场后，采用塔吊吊装到指定位置，下部采用限位螺栓进行固定，上部采用三道均布的钢管与主体结构柱进行拉结。柱周边按相关要求搭设操作架，以便进行浇筑施工。

（3）检查钢管柱内是否有积水，积水必须采取措施排出。

（4）检查钢管柱排气孔，确保排气孔通气顺畅。

3.2 浇筑准备

（1）按要求对浇筑工人进行安全技术交底，确保施工安全，并按技术交底要求进行浇筑。

（2）浇筑漏斗（漏斗下导管长约 3m，避免混凝土高抛，图4）、吊斗吊放到位。

图4 漏斗

（3）与搅拌站沟通，确定供应混凝土时间、混凝土强度等级及方量。

3.3 浇筑

（1）按配合比生产的 C60 自密实混凝土运输到现场后，进行检测试验：和易性符合要求，无离析现象，扩展度实测为 660mm，符合要求。

（2）混凝土自罐车卸入吊斗内，塔吊调运至漏斗上方滞留，打开吊斗下料口，控制出料口混凝土速度，避免浇筑过快导致钢管内局部存留气体而无法排出。

（3）浇筑过程中，发现混凝土黏度大，流动较慢，且时处夏季高温时节，混凝土坍落度损失较快，经敲击检查，发现在隔板处混凝土不密实。经研究决定，在矩形钢管外每层钢梁与钢柱节点处安装附着式振捣器（图5），同时可以根据振捣器声音、排气孔是否泛出灰浆、自密实混凝土表面是否下沉来判断自密实混凝土是否密实。

图5 附着式振捣器

3.4 养护

混凝土浇筑完成后，不宜采用柱端浇水养护，以免造成端部积水无法排出，进而影响钢管柱内混凝土施工缝浇筑效果，本工程根据实际情况，采用薄膜覆盖，柱体采取适当的遮阳措施。

4 检验、分析及解决方法

4.1 剖开工艺柱

钢管混凝土浇筑完成至同条件试块达到设计值，经敲击检查，初步判定管内混凝土与矩形钢管紧贴密实，无空音。检查后采用塔吊辅助放倒工艺试验柱，利用绳锯切断工艺柱（图6），并按要求剖开有隔板的节段。

图6 切割工艺柱

4.2 检验

（1）自密实混凝土整体与钢管柱钢板紧贴、密实，无明显间隙。

（2）同条件试块经试压达到设计要求，采用高强回弹仪对混凝土强度进行回弹，经计算强度达到63.7MPa，符合设计要求。

（3）发现问题：通过对剖面进行检验，发现隔板处存在空隙，未完全填充（图 7），且隔板灌浆孔处有裂缝（图 8）。

图7 隔板处空隙

图8 隔板灌浆孔处裂缝

4.3 分析

产生缝隙处是隔板与矩形柱钢板连接处，是钢管混凝土结构中混凝土结构的薄弱位置。由于混凝土的自重，且 C60 自密实混凝土黏度大，致使混凝土难以达到该处，且混凝土初凝后逐渐失去流动性，并硬化收缩，导致该处混凝土面下沉，隔板阻隔上部混凝土下沉，最终导致角部产生空隙，并在灌浆孔处产生裂缝。

4.4 解决方法

针对现场问题，主要从黏度、硬化收缩两个方面对配合比进行调整。影响黏度、硬化收缩的主要因素有：水胶比、砂率、粉煤灰掺量。

4.4.1 调整水胶比

水胶比直接影响混凝土黏度、强度等级，调高水胶比可以明显降低黏度，但由于水胶比增大，用水量的增加使得混凝土强度也会有较为明显的下降，而 C60 混凝土强度相较于 C50 及以下强度等级的强度比较难以保证，因此不适合采用调高水胶比。

4.4.2 调整砂率

在水泥用量和水胶比一定的条件下，砂率增加可以优化骨料的级配，降低黏度，改善混凝土的内部受力体系，且在混凝土浇筑过程中，加大砂率可以有效减小骨料间的摩擦力，提高混凝土的流动性，从而达到很好的填充效果，解决混凝土无法填充密实的问题。

4.4.3 调整粉煤灰掺量

粉煤灰可以减小水化热，降低温度应力，减小硬化收缩。有关研究表明[1]：随着掺加粉煤灰量的增加可以减少开裂，掺加粉煤灰对混凝土开裂的抑制作用对不同强度等级混凝土是一致的。同时，粉煤灰含有的大量玻璃微珠，具有良好的形态效应、微集料效应及活性效应[2]，能优化混凝土胶凝材料的级配，改善混凝土的和易性、可泵性，在一定程度上降低黏度。故本工程采用的配合比应适当加大粉煤灰的掺量。

经计算确定，砂率由 0.39 调整为 0.45，固定水胶比 0.28，粉煤灰掺量由 94kg/m3调整为 132kg/m3，确定配合比见表3。

表3 调整后配合比 kg/m3

试配检验：扩展度 670mm，无离析、扒底现象，且混凝土试块强度满足 C60 要求。

再次进行工艺检验，隔板处填充密实，且隔板灌浆孔处无裂缝，如图 9。同条件试块强度 65.4MPa，满足设计要求，故该配合比满足施工要求。

5 工艺调整及保障措施

5.1 工艺调整

（1）依据工艺试验，结合工程实际情况，调整施工方案，施工工艺过程如下：检查钢管柱→浇筑准备→浇筑→养护→检验，并在浇筑时采用附着式振捣器（附着式振捣器可采用角铁＋螺栓连接方式固定，并在角铁、振捣器的内侧加设一层橡胶垫）振捣隔板处。

（2）钢管柱按坐标进行校正后，应及时焊接，并组织探伤检验，检验合格后方可组织混凝土浇筑，避免因钢管柱对接焊接不合格，返工焊接时造成混凝土与钢管柱之间形成间隙，并且焊接高温也直接影响混凝土质量。

（3）结合工程实际，制做作业平台（图10），以确保安全、连续浇筑。

图10 焊接浇筑平台

（4）每一节柱浇筑完成后方可安装上一节柱，由于每节柱高达 9.45m，在无相关措施的情况下，严禁两节柱一同浇筑。浇筑前应先浇筑 25～50L（钢管柱内截面 360mm×360mm）同配比水泥砂浆，防止隔板阻挡及矩形钢管柱内壁粘附砂浆，造成初始浇筑的混凝土缺少浆液，影响强度，且本工程高抛约 6.4m，造成自密实混凝土粗骨料冲击施工缝处而成蜂窝，而先浇筑一部分砂浆，可以很好地解决该问题。

（5）钢管混凝土浇筑施工缝按相关规定留在矩形钢管柱连接焊缝下 500mm 左右，避开钢管柱对接焊接时高温影响混凝土质量，同时也可以方便清理柱内杂物及积水，保证施工质量。

（6）封堵柱顶灌浆孔：混凝土浇筑完成后，对柱端进行处理，并按设计要求，焊接封板进行封端，避免雨水等进入钢管柱内部。

5.2 保障措施

5.2.1 混凝土原材

本工程采用的 C60 自密实混凝土，使用量比较大，周期较长（7 月下旬至 11 月下旬），强度必须达到设计强度等级，原材必须质量稳定，能够确保混凝土强度，因此与供应搅拌站做好沟通，并沟通驻场监理做好混凝土生产管控，针对本工程采用原材进行重点管控。

5.2.2 浇筑前检验

在浇筑前对混凝土和易性进行检查，发现和易性不符合要求的，严禁使用；严禁现场调试混凝土和易性，特别是现场加水调整，以免造成混凝土局部离析及强度不满足要求。

5.2.3 试块制作

考虑本工程是钢管混凝土，混凝土在钢管内部，其强度难以采用回弹、取芯的方法进行检验，因此混凝土试块必须严格按照相关规范制作，具有代表性，其强度数值具有真实代表性，以免因混凝土试块制作不规范，导致需要进行实体检验。

5.2.4 浇筑过程注意事项

（1）由于混凝土浇筑速度较慢，浇筑前与供应搅拌站沟通好，每车运输量不宜过多，以免造成混凝土和易性不良，无法完成浇筑。超过初凝时间的混凝土严禁用于工程。

（2）夏季高温季节应避开 10:00～16:00 高温时段，以免矩形钢管温度过高，引起混凝土失水无法完成水化硬化。

（3）冬季施工时应采取保温措施，宜对拌合水、骨料进行加热，但拌合水温度不宜超过 60℃、骨料不宜超过 40℃；水泥、外加剂、掺合料不得直接加热，保证浇筑温度不低于 10℃，同时在浇筑前对矩形钢柱采用岩棉被进行包裹（图11），必要时可以采用电伴热加热，确保混凝土受冻前达到临界强度。

图11 钢管柱保温

6 实体检验

6.1 混凝土强度

在浇筑点制作的混凝土标准养护试件，经中冶检验，抗压强度在 65.4～81.6MPa 之间，混凝土强度符合设计要求。

6.2 密实性

（1）工艺试验报告：工艺试验经参建各方验收，符合质量要求，填充密实，混凝土与钢管柱无间隙，且隔板处无裂缝。

（2）现场实体检测：经全数敲击检查，矩形钢管混凝土柱无空音。

（3）检查混凝土浇筑记录，混凝土浇筑量与理论计算量比较：实际浇筑量略大于理论计算。

综上判定钢管混凝土柱密实性满足要求，浇筑质量符合设计要求。

7 结论

（1）自密实混凝土应从原材、配合比试配等方面进行严格控制，并根据现场实际情况进行配合比调整，以实现设计要求的工程质量。

（2）自密实混凝土能够满足钢管混凝土的技术要求，解决普通混凝土在钢管柱的隔板处无法填充密实的问题，而且钢管混凝土技术可以综合钢结构与混凝土结构的优点，实现小截面、大承载、节约建材、环保等方面的效益，建议推广使用。

（3）粉煤灰的掺加不仅可以改善混凝土的和易性，在一定程度上可降低混凝土价格，而且在解决混凝土温度应力、硬化收缩方面有明显效果。