钢管柱高抛自密实混凝土灌注的质量控制

郝为峰（江苏建科工程咨询有限公司， 江苏 南京 210019）

0 引 言

钢管混凝土结构由于兼具混凝土结构和钢结构的优点，承载能力高、刚度大、塑性和韧性好，被广泛应用于高层建筑中，有人称之为土木工程的第五大结构体系。近年来，困扰钢管混凝土施工的混凝土灌注工艺问题也大获突破，高抛自密实免振混凝土施工工艺日臻完善，大大增加了钢管混凝土施工的便捷性。 苏州工业园圆融星座工程自密实混凝土施工过程中，有效地解决了诸多施工难题，保障了结构的整体质量、施工的进度和效率。笔者参与了该工程钢管自密实混凝土施工过程，试以该项目为例，介绍钢管自密实混凝土施工方法、质量控制等，供各位同仁参考和讨论。

1 工程概况

苏州工业园圆融星座项目地处苏州工业园旺墩路与钟园路交叉口，集商业零售、湖景精装公寓、商务写字楼于一体，是金鸡湖东岸商务区的重要地标建筑之一。工程总建筑面积 297 990.79 m2（其中地下面积 99 083.66 m2），地下 4 层、地上 28 层～34 层，最大建筑高度 147.25 m。裙房以上的主楼部分由 3 栋塔楼构成，即南公寓塔、北公寓塔、办公楼塔。公寓楼为钢筋混凝土框架＋芯筒剪力墙结构，办公楼为芯筒＋钢管混凝土外围立柱＋劲性框架结构。钢管混凝土结构概况如下。

办公塔楼高 147.25 m，属超高层建筑，其外围框架柱为 24 根圆形钢管混凝土柱，截面尺寸为 1 100 mm×30 mm～800 mm×16 mm（外径×板厚），钢管内灌注无收缩混凝土强度等级 C40～C60。 根据建筑层高和施工实际需要，钢管柱主要采用两层一节进行制作、吊装，柱节长度多为 8.30 m～11.10 m。

办公楼核心筒剪力墙转角处共设 8 根“L 状”“T 状”箱型钢管混凝土柱，箱型柱截面尺寸为（外包长×宽×钢板厚）600 mm×600 mm×20 mm、600 mm×500 mm×20 mm、500 mm×500 mm×20 mm， 根据实际需要，划分的柱节长度为 8 m～11 m。箱型钢管柱内灌注 C40～C60无收缩混凝土。

为方便施工，根据钢柱实际分节情况，保证每节钢柱出楼面 1 m 左右，混凝土灌注应连续、不间断进行。本节钢管柱范围内混凝土强度等级不同的，按高强度等级要求灌注混凝土。

2 保证施工质量的重点及难点分析

结合本工程实际情况和高抛自密实混凝土灌注的特点，我们认为，应从混凝土配合比设计、钢管柱节点设计细节优化、现场规范化施工等方面采取措施，以确保混凝土灌注质量。

优化配方、选择成熟的配合比设计，是自密实免振混凝土质量的重要保障。一方面免振混凝土需要有大坍落度、良好流动性、自填充性、抗离析性等基本工作性能；另一方面，其凝结硬化后，能确保体积稳定、无收缩。良好的工作性能需要较大的水泥量和浆体量，而大水泥量和大浆体量势必会影响混凝土的体积稳定性，因而在混凝土配合比设计期间需要不断进行优化，平衡两者之间的矛盾和冲突。

钢管柱优化设计方面，应重点做好钢管柱的水平肋板构造的优化工作。 钢管柱水平肋板是影响高抛混凝土动能的重要因素，特别是矩形钢管柱横向肋板对混凝土灌注质量影响更大。混凝土动能衰减将影响其流动性和填充性，从而影响混凝土成品的密实度。只有合理确定肋板的宽度，在肋板转角处留设排气孔，才能确保混凝土灌注密实。

混凝土免振自密实的原理类似于喷射混凝土，混凝土拌合物只有在高动能的驱使下，加之良好的流动性，才能具有较好的填充性，获得较高的密实度。高动能来源于混凝土的高势能，所以混凝土拌合物必须有合适的抛落高度。经计算和试验，本工程自密实混凝土抛落高度应不小于 4 m，即混凝土下料口距离浇筑面净距不小于 4 m。浇筑期间，商品混凝土供应必须保持连续不间断，以保证浇筑混凝土的匀质性。落实上述要求，需要承包单位科学组织、规范化操作和积极协调，这也是保证高抛混凝土质量的重要措施之一。

3 混凝土配合比优化设计及工作性能检测

高抛混凝土拌合物既要有高流动性，又要确保体积稳定无收缩。解决这一矛盾需要平衡水灰比，以及膨胀剂和减水剂的使用量。为保证混凝土良好的工作性能，要求混凝土厂家结合以往的工程经验，在多个试配基础上进行优化配比。

3.1 优化混凝土配合比应遵循的主要原则

（1）增加用水量可以加强拌合物流动性，但用水量过多势必影响混凝土的粘聚性、保水性和体积稳定性；适度用水量辅以混凝土外加剂，是混凝土获得良好工作性能的重要途径。

（2）高效减水剂、膨胀剂及其他混凝土外加剂的使用，必须选用优质、成熟产品，产品在当地应有多个成功案例。

（3）砂率对混凝土拌合物的工作性能有显著影响，砂率过大或过小都将使混凝土拌合物干稠流动性变小，合理选定砂率十分重要。

（4）高抛混凝土要防止粗骨料高处跌落离析，试配完成后做模拟试验，确保混凝土成型质量。

3.2 混凝土工作性能检测

混凝土拌合料流动性，采用坍落度试验进行检测。配合比中应明确塌落度数值，用坍落度量化混凝土流动性，凡小于坍落度规定值的混凝土均视为不合格。

在混凝土施工前，承包单位会同商品混凝土供应单位提前进行自密实混凝土配合比的试配工作，通过多次试配确定合理的混凝土（C60）配合比（见表 1）。

表 1 混凝土搅拌站试验室试配的 C60 自密实混凝土配合比

为验证拌合物工作性能和高抛混凝土实际成型质量，现场进行了高抛混凝土模拟施工。首先按照 1:1 比例制作钢管节，管节固定牢固后再搭设脚手架、绑扎管内钢筋、进行高抛混凝土灌注；试件养护 7 d 后，割开钢管，观察混凝土成型质量。试验结果表明，混凝土充填密实、质量良好。

4 钢管柱混凝土施工方法

4.1 混凝土输送方法选择

混凝土水平及垂直运输首选汽车泵，优点是拌合物直接输送至浇筑面，泵管移动方便、操作简单。裙房钢管柱最大高度为 29 m，汽车泵即可满足浇筑需要，故裙房以下部分钢管混凝土浇筑选择汽车泵。主楼区超过汽车泵输送高度的，采用固定泵和塔吊相配合的方法解决混凝土的运输问题。

4.2 混凝土灌注方法选择

高抛混凝土施工法一般适用于钢管内部净尺寸大于350 mm、抛落高度大于 4 m 的情况。本工程钢格柱和箱型柱内部尺寸均大于 350 mm，可选择高抛混凝土施工方法。 依据钢管柱分节的具体高度，满足一次灌注高度大于4 m 的则选择高抛混凝土工艺；靠近柱节顶部浇注高度不足 4 m 时，则采用常规的内部振捣器施工。

采用高抛工艺施工时，一次抛落的混凝土量宜在 0.7 m3左右，施工前制作专门的料斗，料斗的下口尺寸应比钢管内径小 100 mm～200 mm， 以便混凝土下落时管内空气能够排出。

4.3 施工注意事项

为确保混凝土在施工缝处结合良好，上段混凝土浇筑前宜先在钢管底部铺垫 100 mm 厚的同强度、同等级的水泥砂浆，垫底砂浆能避免高抛混凝土跌落时粗骨料的弹跳现象，避免混凝土离析危害以确保施工质量。浇筑过程中宜连续进行，若上下段浇筑因间隔时间过长而形成冷缝，则应按照上述措施进行“接浆”。

混凝土浇筑的施工缝，一般留设在距管端 100 mm～150 mm 处；混凝土浇筑完成后，及时清除表层浮浆和残余混凝土，为上层钢管柱节安装做好准备。

在钢管柱顶段混凝土浇筑时，一般采用插入式振捣器振捣。振捣应“快插慢拔”，混凝土表面振捣孔不再下落时停止振捣；一次浇筑高度较大时，混凝土骨料下沉挤密耗时较长，故应在振捣完成 15 min～30 min 后进行复振并补浇混凝土。

5 钢管混凝土质量控制

如上所述，混凝土充填密实、各向匀质同性，才能保证钢管与混凝土协同工作，发挥高承载力并具有良好的塑性和韧性。高抛钢管混凝土施工质量控制的核心依然是：抓好混凝土拌制过程，使混凝土具有良好的流动性和体积稳定性；加强现场材料和工序管理，规范混凝土灌注流程；及时检查混凝土成型情况，第一时间消除质量缺陷。钢管混凝土质量保证措施如下。

5.1 原材料的质量控制

原材料质量情况将直接影响混凝土质量，砂、石骨料的级配良好，含泥量小、杂质少，石子无针刺状。近年来，由于挖采受限，大量海砂、山砂流入市场，给混凝土质量带来严重隐患。本工程施工过程中，业主和监理单位多次实地检查，验收砂石骨料备货情况，严禁使用不合格材料。

5.2 掺加混凝土膨胀剂

高抛混凝土想要具有良好流动性和填充性，减水剂和膨胀剂必不可少。 江苏省建科院研制的 JM-Ⅲ 型膨胀剂、JMPCA 型减水剂是江苏市场使用量最大的两款外加剂产品，具有较多的工程按量推进和良好的市场口碑。本工程也采用了上述两款产品，较好地实现了混凝土高流动、强填充、少泌水的施工目标，可靠地保证了混凝土灌注质量。

5.3 混凝土拌合物生产控制

配比准确、拌制均匀、及时送达是混凝土拌合物生产的三项基本要求。首次供货前，监理单位检查了搅拌站的各类计量仪表，尚在标定期内的继续使用，超出标定期的，则无条件更换，确保计量准确、配比准确。混凝土拌制采取强制搅拌，搅拌时间要不少于 3 min，确保搅拌均匀；混凝土搅拌运输车从出厂到工地过程中罐体保持适度旋转，30 min～40 min 内运至浇筑现场。

5.4 施工现场的质量控制

混凝土浇筑过程离不开科学组织、严格管理、高效调度协调。浇筑前要合理安排各工种劳动力，调度适当数量的混凝土运输车辆，使混凝土供应与浇筑速度相匹配，既要避免混凝土供应不及时，又要避免来不及浇筑。 浇筑期间要加强混凝土质量管理，按规定检查混凝土坍落度、泌水情况等，不合格的，必须坚决退回，确保入模混凝土的各项指标符合配合比设计要求。此外，还应实地检查砂石料和外加剂的质量情况，确保混凝土拌制的质量。

5.5 混凝土灌注质量问题及处理

高抛混凝土灌注工艺虽然成熟可靠，但也无法保证钢管混凝土 100% 无质量缺陷。为确保钢管内混凝土成型质量，一般采用以下几项措施。

（1）在浇筑过程中，安排经验丰富的瓦工师傅敲击钢管，通过回声差异判定混凝土是否充填密实；确有异常情况的，通过进一步敲击钢管外壁，迫使混凝土流动充填密实。

（2）在混凝土灌注完成后，利用超声波检查混凝土成型质量。对不密实的部位先精准定位，再采用钻孔压浆法进行补强，最后将钻孔封堵牢固。

本工程施工过程中，采用第一种方法进行过程质量控制，浇筑完成辅之以超声波检查。实践证明，其效果良好，无明显质量缺陷。

6 结 语

高抛灌注混凝土进一步丰富了钢管混凝土施工工艺，扩大了钢管混凝土的应用范围，有效保证了施工质量，提高了工作效率，加快了施工进度，获得了更好的经济效益和社会效益。经过近几年的工程实践和经验积累，立式高抛免振自密实混凝土施工技术日臻完善，钢管柱混凝土结构也将得到越来越普遍的应用，真正成为土木工程的第五结构。