劉正勇 ,蘇志崗 ,曹俊杰

(1.浙江舜江建設(shè)集團有限公司,浙江 紹興 312300；2.上海申昆混凝土集團有限公司,上海201709；3.江蘇中南建筑產(chǎn)業(yè)集團有限責任公司, 江蘇 海門 226100)

小直徑鋼管柱高拋免振搗混凝土施工技術(shù)

劉正勇1,蘇志崗2,曹俊杰3

(1.浙江舜江建設(shè)集團有限公司,浙江 紹興 312300；2.上海申昆混凝土集團有限公司,上海201709；3.江蘇中南建筑產(chǎn)業(yè)集團有限責任公司, 江蘇 海門 226100)

小直徑鋼柱內(nèi)澆筑高拋自密實混凝土,施工的安全和質(zhì)量難以得到保證。今通過對混凝土配比及工作性能的多次試驗研究,確定了澆筑小直徑鋼柱自密實混凝土的最佳配比和工作性能；并且在澆筑過程中,采用了安全平臺、澆筑漏斗、控制澆筑時間等多種手段,確保了施工過程安全及鋼柱內(nèi)混凝土的澆筑質(zhì)量。

鋼結(jié)構(gòu)住宅；鋼管混凝土；高拋免振搗混凝土；建筑工業(yè)化

推進建筑工業(yè)化,施工現(xiàn)場的裝配式施工技術(shù)是重要組成部分,而鋼結(jié)構(gòu)建筑是極其適合裝配式施工技術(shù)的：它是集合工廠制作、現(xiàn)場裝配、機械化操作、智能化控制的結(jié)構(gòu)體系。

為加快推進鋼結(jié)構(gòu)在住宅建筑中的應(yīng)用,江蘇中南集團在江蘇昆山建造江蘇省內(nèi)第一棟鋼結(jié)構(gòu)住宅。

1 工程概況

1.1 項目概況

昆山中南世紀城21#樓為江蘇省內(nèi)第一棟鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑,位于昆山市微山湖路與太湖北路交匯處。建筑地下2層,地上33層,總高度96.7 m。標準層面積465 m2。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)體系及鋼柱簡介

工程采用鋼框架中心支撐結(jié)構(gòu),鋼框架柱內(nèi)澆灌混凝土。主要鋼柱構(gòu)件尺寸規(guī)格見表1、圖1。

結(jié)構(gòu)設(shè)計中,對鋼柱及內(nèi)澆筑混凝土要求見表2。

表1 主要鋼柱截面尺寸

注：鋼柱內(nèi)隔板：設(shè)置于鋼柱與梁、支撐等連接部位,孔徑分別為100、120、150 mm三種。建筑高層,柱壁厚及截面有局部變化,對混凝土澆筑影響不大。

1.3 鋼管柱混凝土施工技術(shù)介紹

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的柱芯混凝土澆筑工藝[1- 2],在以往主要采用兩類方法：第一類是傳統(tǒng)的振搗澆筑法;第二類是免振搗澆筑法。在免振搗澆筑法中,又分為高位拋落法和泵送頂升法兩種。前者利用混凝土高位拋落的動能來實現(xiàn)混凝土的密實,后者利用混凝土在承壓狀態(tài)下成型來實現(xiàn)混凝土的密實。

圖1 鋼柱內(nèi)隔板位置及尺寸圖

表2 鋼柱內(nèi)灌混凝土標號

本工程由于中間隔板的存在無法實現(xiàn)振搗,只能采取免振搗方法。通常的免振搗澆筑法中,可將其分為高位拋落法和泵送頂升法兩種。頂升法和高拋免振搗法在本工程中的應(yīng)用對比見表3。由于封頭板和水平隔板的存在，高位拋落實現(xiàn)困難；若采用頂升的方法,則要在箱形柱壁板開直徑200 mm的圓洞,設(shè)計單位持否定態(tài)度。

表3 頂升法和高拋免振搗法在本工程中的應(yīng)用對比

綜合工程的實際情況,決定采用高拋免振搗法澆筑。

1.4 鋼管內(nèi)澆筑高拋免振搗混凝土施工技術(shù)難點

采用塔吊吊運高拋免振搗施工存在如下技術(shù)難點：

1)鋼柱為四層一節(jié)安裝,每節(jié)柱長約12～12.5 m,中間5×2個橫隔板,采用漏斗接入。如采用短漏斗,混凝土拋落高度接近規(guī)范允許的極限值12 m;如用長漏斗,混凝土從漏斗中流出慢。

2)內(nèi)部每層鋼梁位置處均設(shè)有兩塊加勁板,加勁板開口直徑為100、120、150 mm,柱底鐵板開口直徑為80 mm。鋼柱內(nèi)隔板的孔徑小,內(nèi)徑最小為100 mm,對混凝土的間隙通過率、流動度及抗離析度等性能要求高。

3)本工程建筑總高96.7 m,頂層鋼柱澆筑混凝土,樓層高、應(yīng)用塔吊澆筑速度慢(增加漏斗數(shù)量、容積)；

4)高層混凝土澆筑時為高空作業(yè),根據(jù)施工流程,高層鋼管柱澆筑時,周圍并未形成有效的安全圍護,混凝土澆筑時的安全施工難度大。

2 高拋自密實混凝土的研制

2.1 高拋免振搗混凝土要求

根據(jù)《高拋免振搗混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范(JGJ/T 296—2013)》《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程(JGJ/T 283—2012)》對混凝土的擴展時間、擴展度、離析度等性能規(guī)定和要求,結(jié)合本工程特點,對混凝土性能有更高的要求：

1)高抗離析度 工程混凝土從近12 m高處拋落,鋼柱內(nèi)橫隔板類似于擋板,容易造成混凝土的離析。因此,工程應(yīng)用混凝土抗離析度要求高。

2)擴展時間短 小口徑鋼管內(nèi)有較多橫隔板,橫隔板孔徑小(最小100 mm),如澆筑速度過快,橫隔板下方極易形成空腔,導致混凝土澆筑不密實。如混凝土澆筑時能在較短時間完成擴展,同時控制橫隔板下部混凝土的澆筑速度,則可以達到比較好的密實度。

3)為避免澆筑時混凝土收縮產(chǎn)生局部空隙,要求混凝土保持無收縮或微膨脹。

2.2 實驗調(diào)整及配比

實驗室反復進行混凝土配比并進行性能測試,除符合前述兩項規(guī)范要求外,還參考相關(guān)文獻進行了V形箱、L形槽等類似性能測試[3],制定的高拋免振搗混凝土配合比見表4。擴展(流動)度試驗見圖2，V型槽試驗見圖3，L型箱試驗見圖4，高拋抗離析度試驗見圖5。

表4 C55高拋免振搗混凝土配合比

實驗室測得高拋免振搗混凝土性能指標表5。

表5 高拋免振搗混凝土性能檢測表

注：標準1為《高拋免振搗混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范(JGJ/T 296—2013)》；標準2為《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程(JGJ/T 283—2012)》；性能測試以標準1為主,主要通過流動性、間隙通過性、填充性、抗離析性來表征。

圖2 擴展(流動)度試驗

圖3 V型槽試驗(V型通過時間)

圖4 L形箱試驗(間隙通過率)

圖5 高拋抗離析度試驗

圖6 鋼管搭設(shè)操作平臺

3 工程施工技術(shù)

3.1 現(xiàn)場小直徑鋼柱澆筑試驗

在全面澆筑鋼柱混凝土前,選取結(jié)構(gòu)邊緣一根鋼柱進行試驗性澆筑。

3.1.1 技術(shù)準備

1)對每一規(guī)格鋼柱進行數(shù)據(jù)計算,計算單柱澆筑混凝土用量及每層澆筑量(分層考慮鋼柱內(nèi)隔板位置)。

2)施工操作平臺搭設(shè)：為確保澆筑時操作工人的安全可靠,施工現(xiàn)場采用鋁合金管及對拉螺栓搭設(shè)了簡易的操作籠,對稱設(shè)置,澆筑時,2名混凝土工人立于籠內(nèi),控制料斗的開關(guān)。

3)漏斗準備：混凝土澆筑漏斗采用鋼板焊接,下接500 mm長鋼管,鋼柱上口孔徑為150 mm,漏斗管徑85 mm。

3.1.2 澆筑過程控制

1)澆筑前,對鋼柱內(nèi)進行清理,清除垃圾雜物、排出積水。

2)正常澆筑時,先澆筑一層 200 mm 厚與高拋免振搗混凝土強度等級相同的水泥砂漿,以防止自由下落的混凝土粗骨料產(chǎn)生彈跳?？紤]鋼柱內(nèi)有多道內(nèi)隔板,在正常結(jié)漿厚度為200 mm的基礎(chǔ)上,增加50%漿料。

3)混凝土料斗放料至澆筑料斗內(nèi),利用混凝土下落產(chǎn)生的動能來達到混凝土的自密實；確保漏斗的導向管位于鋼管加勁板孔的中心,以便可以直接進行高拋灌注。

4)應(yīng)加強鋼管柱底部及鋼管柱管壁排氣孔的觀察。確認漿體流出和澆搗密實后封堵排氣孔。

5)鋼管內(nèi)自密實混凝土澆灌工作宜連續(xù)進行,若有間歇,時間不應(yīng)超過自密實混凝土的終凝時間。

6)澆筑過程連續(xù)進行,每澆筑到隔板下沿時(根據(jù)外側(cè)木錘敲擊判斷),停留約15 s(根據(jù)混凝土擴展時間),讓混凝土充分填充隔板下沿,然后繼續(xù)澆筑,若必須間歇時,時間不應(yīng)超過自密實混凝土的終凝時間。

7)澆筑至鋼柱頂下600 mm,完成該鋼柱的混凝土澆筑；預(yù)留600 mm為避免鋼柱焊接連接時產(chǎn)生高溫，導致混凝土受損。

8)混凝土澆筑完成后,用鋼蓋板蓋住,以防下雨時雨水進入,導致下次混凝土澆筑時混凝土含水量過大。也能防止油和其他異物等落入。

3.1.3 澆筑時的安全措施

鋼柱高拋混凝土澆筑為高空作業(yè),普通混凝土工人難以適應(yīng),如何解決鋼柱澆筑時的高空安全作業(yè)問題,是澆筑施工的重要施工技術(shù)。

因采用的是高拋免振搗混凝土,對混凝土澆筑的技術(shù)要求不高,只需要控制混凝土下落速度,通過溝通,適應(yīng)高空作業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)安裝工人成為鋼柱混凝土澆筑的施工人員。

為確保施工安全,高空作業(yè)人員除系掛安全繩之外,采用了鋼管搭設(shè)澆筑簡易平臺及焊接施工小籠的方式,進行鋼柱混凝土澆筑。見圖6。

3.2 過程質(zhì)量控制

依據(jù)《鋼管混凝土工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范(GB 50628—2010)》,鋼管混凝土的密實度為主控項目,檢驗方法主要為澆筑的試驗工藝、試驗報告及澆筑施工記錄。

施工過程中,主要采用如下幾種方法進行過程控制。

1)鋼柱外敲擊：澆筑時,安排1名工人在鋼柱外沿豎向用小木錘敲擊,敲擊時,根據(jù)聲音判斷混凝土澆筑到達柱內(nèi)的高度,同時判斷澆筑是否密實。

2)透氣孔觀察：鋼柱制作時,在梁上端100 mm左右鋼柱四側(cè)均開有直徑約10 mm的小孔,澆筑時,小孔用于及時排出鋼柱氣體,同時,根據(jù)氣孔內(nèi)出漿量,觀測澆筑密實情況。

3)計算加入混凝土量,與鋼柱內(nèi)容積進行對比,判斷密實度。

4 質(zhì)量檢驗及施工總結(jié)

基于對鋼柱內(nèi)混凝土密實度施工質(zhì)量的擔心,對小直徑鋼柱混凝土密實度情況進行了如下幾種方式的檢查和驗收：

1)密實度是鋼管混凝土質(zhì)量檢驗的主控項目,但由于檢驗的技術(shù)水平,現(xiàn)今尚無有效的非破損檢驗技術(shù),超聲波檢測對于小直徑鋼管混凝土的成功率不高。

2)施工過程控制是鋼柱混凝土密實度的主要控制手段，采用的過程控制主要有以下幾種方法：①通過計算鋼柱內(nèi)空間容積,核對澆灌混凝土量,粗略判斷鋼柱混凝土是否密實；②鋼柱制作前,在橫隔板下沿柱翼緣對稱設(shè)置兩個直徑約10 mm的圓孔,可排放氣體,也可作為混凝土密實度的觀測孔；③澆筑時采用木錘在鋼柱側(cè)邊敲擊,通過聲音判斷澆筑高度及密實度。

3)終凝后的檢測手段：①混凝土終凝后,可以采用超聲波進行非破損檢測,由于超聲波檢測的原理、儀器精度及后處理手段限制,超聲波檢測的可靠性和準確性并不高,難以提供肯定的檢測結(jié)論；②采用取芯方式對鋼柱進行破損檢測,判斷鋼柱內(nèi)混凝土強度及密實度。

4)本工程施工時,除過程控制手段外,混凝土終凝后,采用了取芯的檢測手段進行密實度檢測,取芯鋼柱取3根及總數(shù)1%的大值,取芯位置為柱底橫隔板下100 mm位置。結(jié)果表明,混凝土強度及密實度均滿足規(guī)范要求。

在鋼柱內(nèi)澆灌混凝土試驗中,柱腳錨栓位置留有約100 mm空隙,原設(shè)計采用灌漿澆筑,試驗時,在柱腳用砂漿進行封堵,柱頂高拋混凝土后,將柱腳封堵砂漿鉆孔,檢查,柱腳處混凝土密實。

據(jù)此可以判斷,施工時,鋼柱內(nèi)的混凝土密實。

5 改進措施

為增加鋼柱內(nèi)澆混凝土的施工質(zhì)量、便于施工操作、加快澆筑速度,在第一次澆筑鋼柱內(nèi)混凝土時,施工單位提出了以下幾點改進措施：

1)與設(shè)計單位溝通,變更設(shè)計,通過加大內(nèi)隔板厚度,增加內(nèi)隔板澆筑孔孔徑,特別是截面小的鋼柱,將內(nèi)隔板澆筑孔擴大,使混凝土澆筑速度加快。變更前后的鋼管內(nèi)隔板孔徑見表6。

表6 變更前后的鋼管內(nèi)隔板孔徑

2)增加漏斗下導管截面,加快下料速度。

3)在鋼柱截面增加透氣觀察孔數(shù)量,特別在內(nèi)隔板下沿100 mm處對側(cè)增加透氣孔,用于直接觀察內(nèi)隔板下沿混凝土密實度。

4)探索頂升法澆筑小直徑鋼柱混凝土,爭取在下一層鋼柱澆筑中,選取一根鋼柱進行頂升法澆筑試驗。

[1] 馬雪英,彭春強,楊欣,等. 高拋自密實鋼管混凝土的配制與工程應(yīng)用[J].建筑技術(shù),2009,40(1):45- 47．

[2] 牟廷敏,宋曉波,范碧琨,等. C50高拋自密實微膨脹鋼管混凝土的研究與應(yīng)用[J].混凝土, 2012(9):103- 105．

[3] 董文祥,王寧.鋼管柱高拋自密實混凝土足尺工藝試驗研究[J].施工技術(shù), 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

劉正勇(1971—)，男，江西豐城人，高級工程師，從事土木工程施工研究工作。

TU755.6

B

1008- 3707(2017)04- 0029- 06