鋼管混凝土技術(shù)的應(yīng)用

張振棟

（北京方圓工程監(jiān)理有限公司，北京 100036）

1 工程概況

本工程采用矩形焊接鋼管柱，鋼板采用 Q345C，每節(jié)鋼管柱 3 層樓層，高 9.45m（圖1），柱外截面（圖2）400mm×400mm，每層鋼梁連接處設(shè)置三層隔板（圖3）（增加鋼管柱的側(cè)向抗力，避免鋼管柱安裝過程中變形），隔板中間預(yù)留 150mm 洞口澆筑混凝土，采用 C60 自密實混凝土澆筑。

圖1 鋼柱立體圖

圖2 鋼柱隔板俯視圖

圖3 鋼柱牛腿處隔板設(shè)置圖

2 原材及配合比設(shè)計

結(jié)合本工程矩形鋼管柱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及澆筑高度，自密實混凝土設(shè)計采用雙摻粉煤灰和礦粉，以提高膠凝材料的用量，達(dá)到較理想的擴(kuò)展度、流動性，實現(xiàn)良好的填充效果。

水泥：自密實混凝土水泥宜采用普通硅酸鹽水泥或硅酸鹽水泥，并符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)，本工程采用金隅北水生產(chǎn)的 P·O42.5 水泥，質(zhì)量穩(wěn)定，進(jìn)場復(fù)試合格，其性能見表1。

粉煤灰選用 F 類Ⅱ級，礦渣粉選用 S95，性能符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)，且均是攪拌站長期固定廠家供貨，質(zhì)量穩(wěn)定，進(jìn)場復(fù)試合格。粉煤灰燒失量 1.06%，細(xì)度20.3%，需水比 98%。礦粉比表面積 430m2/kg，7d 活性指數(shù) 88%，28d 活性指數(shù) 105%。

砂：灤平Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù) 2.8，含泥量 2.0%；石：威克冶金 5～25mm 天然砂，連續(xù)級配，含泥量0.5%。砂石料供貨廠家穩(wěn)定，進(jìn)場進(jìn)行抽查，并進(jìn)行周檢查，均符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的要求。

外加劑：天津冶建聚羧酸減水劑，含固量14.73%，減水率 27%，pH 值 4.4。

表1 水泥性能

依據(jù) JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》及其他現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)計算確定 C60 自密實混凝土施工配合比如表2。

表2 配合比 kg/m3

對配合比進(jìn)行試配，混凝土出機(jī)狀態(tài)符合要求，和易性良好，無離析現(xiàn)象，擴(kuò)展度可達(dá) 670mm。

3 工藝試驗過程

結(jié)合工程實際情況調(diào)整施工方案，施工工藝如下：檢查鋼管柱→澆筑準(zhǔn)備→澆筑→養(yǎng)護(hù)→檢驗、分析。

3.1 檢查鋼管柱

（1）鋼管柱吊裝前應(yīng)檢查鋼管內(nèi)是否有雜物、污物，有雜物、內(nèi)壁污物應(yīng)在吊裝前清理干凈，且在鋼柱吊裝過程中，嚴(yán)禁向鋼管內(nèi)丟棄螺栓、包裝紙箱等。

（2）試驗矩形焊接鋼管運(yùn)送到現(xiàn)場后，采用塔吊吊裝到指定位置，下部采用限位螺栓進(jìn)行固定，上部采用三道均布的鋼管與主體結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行拉結(jié)。柱周邊按相關(guān)要求搭設(shè)操作架，以便進(jìn)行澆筑施工。

（3）檢查鋼管柱內(nèi)是否有積水，積水必須采取措施排出。

（4）檢查鋼管柱排氣孔，確保排氣孔通氣順暢。

3.2 澆筑準(zhǔn)備

（1）按要求對澆筑工人進(jìn)行安全技術(shù)交底，確保施工安全，并按技術(shù)交底要求進(jìn)行澆筑。

（2）澆筑漏斗（漏斗下導(dǎo)管長約 3m，避免混凝土高拋，圖4）、吊斗吊放到位。

圖4 漏斗

（3）與攪拌站溝通，確定供應(yīng)混凝土?xí)r間、混凝土強(qiáng)度等級及方量。

3.3 澆筑

（1）按配合比生產(chǎn)的 C60 自密實混凝土運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場后，進(jìn)行檢測試驗：和易性符合要求，無離析現(xiàn)象，擴(kuò)展度實測為 660mm，符合要求。

（2）混凝土自罐車卸入吊斗內(nèi)，塔吊調(diào)運(yùn)至漏斗上方滯留，打開吊斗下料口，控制出料口混凝土速度，避免澆筑過快導(dǎo)致鋼管內(nèi)局部存留氣體而無法排出。

（3）澆筑過程中，發(fā)現(xiàn)混凝土黏度大，流動較慢，且時處夏季高溫時節(jié)，混凝土坍落度損失較快，經(jīng)敲擊檢查，發(fā)現(xiàn)在隔板處混凝土不密實。經(jīng)研究決定，在矩形鋼管外每層鋼梁與鋼柱節(jié)點(diǎn)處安裝附著式振搗器（圖5），同時可以根據(jù)振搗器聲音、排氣孔是否泛出灰漿、自密實混凝土表面是否下沉來判斷自密實混凝土是否密實。

圖5 附著式振搗器

3.4 養(yǎng)護(hù)

混凝土澆筑完成后，不宜采用柱端澆水養(yǎng)護(hù)，以免造成端部積水無法排出，進(jìn)而影響鋼管柱內(nèi)混凝土施工縫澆筑效果，本工程根據(jù)實際情況，采用薄膜覆蓋，柱體采取適當(dāng)?shù)恼陉柎胧?/p>

4 檢驗、分析及解決方法

4.1 剖開工藝柱

鋼管混凝土澆筑完成至同條件試塊達(dá)到設(shè)計值，經(jīng)敲擊檢查，初步判定管內(nèi)混凝土與矩形鋼管緊貼密實，無空音。檢查后采用塔吊輔助放倒工藝試驗柱，利用繩鋸切斷工藝柱（圖6），并按要求剖開有隔板的節(jié)段。

圖6 切割工藝柱

4.2 檢驗

（1）自密實混凝土整體與鋼管柱鋼板緊貼、密實，無明顯間隙。

（2）同條件試塊經(jīng)試壓達(dá)到設(shè)計要求，采用高強(qiáng)回彈儀對混凝土強(qiáng)度進(jìn)行回彈，經(jīng)計算強(qiáng)度達(dá)到63.7MPa，符合設(shè)計要求。

（3）發(fā)現(xiàn)問題：通過對剖面進(jìn)行檢驗，發(fā)現(xiàn)隔板處存在空隙，未完全填充（圖 7），且隔板灌漿孔處有裂縫（圖 8）。

圖7 隔板處空隙

圖8 隔板灌漿孔處裂縫

4.3 分析

產(chǎn)生縫隙處是隔板與矩形柱鋼板連接處，是鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中混凝土結(jié)構(gòu)的薄弱位置。由于混凝土的自重，且 C60 自密實混凝土黏度大，致使混凝土難以達(dá)到該處，且混凝土初凝后逐漸失去流動性，并硬化收縮，導(dǎo)致該處混凝土面下沉，隔板阻隔上部混凝土下沉，最終導(dǎo)致角部產(chǎn)生空隙，并在灌漿孔處產(chǎn)生裂縫。

4.4 解決方法

針對現(xiàn)場問題，主要從黏度、硬化收縮兩個方面對配合比進(jìn)行調(diào)整。影響?zhàn)ざ?、硬化收縮的主要因素有：水膠比、砂率、粉煤灰摻量。

4.4.1 調(diào)整水膠比

水膠比直接影響混凝土黏度、強(qiáng)度等級，調(diào)高水膠比可以明顯降低黏度，但由于水膠比增大，用水量的增加使得混凝土強(qiáng)度也會有較為明顯的下降，而 C60 混凝土強(qiáng)度相較于 C50 及以下強(qiáng)度等級的強(qiáng)度比較難以保證，因此不適合采用調(diào)高水膠比。

4.4.2 調(diào)整砂率

在水泥用量和水膠比一定的條件下，砂率增加可以優(yōu)化骨料的級配，降低黏度，改善混凝土的內(nèi)部受力體系，且在混凝土澆筑過程中，加大砂率可以有效減小骨料間的摩擦力，提高混凝土的流動性，從而達(dá)到很好的填充效果，解決混凝土無法填充密實的問題。

4.4.3 調(diào)整粉煤灰摻量

粉煤灰可以減小水化熱，降低溫度應(yīng)力，減小硬化收縮。有關(guān)研究表明[1]：隨著摻加粉煤灰量的增加可以減少開裂，摻加粉煤灰對混凝土開裂的抑制作用對不同強(qiáng)度等級混凝土是一致的。同時，粉煤灰含有的大量玻璃微珠，具有良好的形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)及活性效應(yīng)[2]，能優(yōu)化混凝土膠凝材料的級配，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應(yīng)適當(dāng)加大粉煤灰的摻量。

經(jīng)計算確定，砂率由 0.39 調(diào)整為 0.45，固定水膠比 0.28，粉煤灰摻量由 94kg/m3調(diào)整為 132kg/m3，確定配合比見表3。

表3 調(diào)整后配合比 kg/m3

試配檢驗：擴(kuò)展度 670mm，無離析、扒底現(xiàn)象，且混凝土試塊強(qiáng)度滿足 C60 要求。

再次進(jìn)行工藝檢驗，隔板處填充密實，且隔板灌漿孔處無裂縫，如圖 9。同條件試塊強(qiáng)度 65.4MPa，滿足設(shè)計要求，故該配合比滿足施工要求。

5 工藝調(diào)整及保障措施

5.1 工藝調(diào)整

（1）依據(jù)工藝試驗，結(jié)合工程實際情況，調(diào)整施工方案，施工工藝過程如下：檢查鋼管柱→澆筑準(zhǔn)備→澆筑→養(yǎng)護(hù)→檢驗，并在澆筑時采用附著式振搗器（附著式振搗器可采用角鐵＋螺栓連接方式固定，并在角鐵、振搗器的內(nèi)側(cè)加設(shè)一層橡膠墊）振搗隔板處。

（2）鋼管柱按坐標(biāo)進(jìn)行校正后，應(yīng)及時焊接，并組織探傷檢驗，檢驗合格后方可組織混凝土澆筑，避免因鋼管柱對接焊接不合格，返工焊接時造成混凝土與鋼管柱之間形成間隙，并且焊接高溫也直接影響混凝土質(zhì)量。

（3）結(jié)合工程實際，制做作業(yè)平臺（圖10），以確保安全、連續(xù)澆筑。

圖10 焊接澆筑平臺

（4）每一節(jié)柱澆筑完成后方可安裝上一節(jié)柱，由于每節(jié)柱高達(dá) 9.45m，在無相關(guān)措施的情況下，嚴(yán)禁兩節(jié)柱一同澆筑。澆筑前應(yīng)先澆筑 25～50L（鋼管柱內(nèi)截面 360mm×360mm）同配比水泥砂漿，防止隔板阻擋及矩形鋼管柱內(nèi)壁粘附砂漿，造成初始澆筑的混凝土缺少漿液，影響強(qiáng)度，且本工程高拋約 6.4m，造成自密實混凝土粗骨料沖擊施工縫處而成蜂窩，而先澆筑一部分砂漿，可以很好地解決該問題。

（5）鋼管混凝土澆筑施工縫按相關(guān)規(guī)定留在矩形鋼管柱連接焊縫下 500mm 左右，避開鋼管柱對接焊接時高溫影響混凝土質(zhì)量，同時也可以方便清理柱內(nèi)雜物及積水，保證施工質(zhì)量。

（6）封堵柱頂灌漿孔：混凝土澆筑完成后，對柱端進(jìn)行處理，并按設(shè)計要求，焊接封板進(jìn)行封端，避免雨水等進(jìn)入鋼管柱內(nèi)部。

5.2 保障措施

5.2.1 混凝土原材

本工程采用的 C60 自密實混凝土，使用量比較大，周期較長（7 月下旬至 11 月下旬），強(qiáng)度必須達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度等級，原材必須質(zhì)量穩(wěn)定，能夠確保混凝土強(qiáng)度，因此與供應(yīng)攪拌站做好溝通，并溝通駐場監(jiān)理做好混凝土生產(chǎn)管控，針對本工程采用原材進(jìn)行重點(diǎn)管控。

5.2.2 澆筑前檢驗

在澆筑前對混凝土和易性進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)和易性不符合要求的，嚴(yán)禁使用；嚴(yán)禁現(xiàn)場調(diào)試混凝土和易性，特別是現(xiàn)場加水調(diào)整，以免造成混凝土局部離析及強(qiáng)度不滿足要求。

5.2.3 試塊制作

考慮本工程是鋼管混凝土，混凝土在鋼管內(nèi)部，其強(qiáng)度難以采用回彈、取芯的方法進(jìn)行檢驗，因此混凝土試塊必須嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范制作，具有代表性，其強(qiáng)度數(shù)值具有真實代表性，以免因混凝土試塊制作不規(guī)范，導(dǎo)致需要進(jìn)行實體檢驗。

5.2.4 澆筑過程注意事項

（1）由于混凝土澆筑速度較慢，澆筑前與供應(yīng)攪拌站溝通好，每車運(yùn)輸量不宜過多，以免造成混凝土和易性不良，無法完成澆筑。超過初凝時間的混凝土嚴(yán)禁用于工程。

（2）夏季高溫季節(jié)應(yīng)避開 10:00～16:00 高溫時段，以免矩形鋼管溫度過高，引起混凝土失水無法完成水化硬化。

（3）冬季施工時應(yīng)采取保溫措施，宜對拌合水、骨料進(jìn)行加熱，但拌合水溫度不宜超過 60℃、骨料不宜超過 40℃；水泥、外加劑、摻合料不得直接加熱，保證澆筑溫度不低于 10℃，同時在澆筑前對矩形鋼柱采用巖棉被進(jìn)行包裹（圖11），必要時可以采用電伴熱加熱，確?；炷潦軆銮斑_(dá)到臨界強(qiáng)度。

圖11 鋼管柱保溫

6 實體檢驗

6.1 混凝土強(qiáng)度

在澆筑點(diǎn)制作的混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件，經(jīng)中冶檢驗，抗壓強(qiáng)度在 65.4～81.6MPa 之間，混凝土強(qiáng)度符合設(shè)計要求。

6.2 密實性

（1）工藝試驗報告：工藝試驗經(jīng)參建各方驗收，符合質(zhì)量要求，填充密實，混凝土與鋼管柱無間隙，且隔板處無裂縫。

（2）現(xiàn)場實體檢測：經(jīng)全數(shù)敲擊檢查，矩形鋼管混凝土柱無空音。

（3）檢查混凝土澆筑記錄，混凝土澆筑量與理論計算量比較：實際澆筑量略大于理論計算。

綜上判定鋼管混凝土柱密實性滿足要求，澆筑質(zhì)量符合設(shè)計要求。

7 結(jié)論

（1）自密實混凝土應(yīng)從原材、配合比試配等方面進(jìn)行嚴(yán)格控制，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行配合比調(diào)整，以實現(xiàn)設(shè)計要求的工程質(zhì)量。

（2）自密實混凝土能夠滿足鋼管混凝土的技術(shù)要求，解決普通混凝土在鋼管柱的隔板處無法填充密實的問題，而且鋼管混凝土技術(shù)可以綜合鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，實現(xiàn)小截面、大承載、節(jié)約建材、環(huán)保等方面的效益，建議推廣使用。

（3）粉煤灰的摻加不僅可以改善混凝土的和易性，在一定程度上可降低混凝土價格，而且在解決混凝土溫度應(yīng)力、硬化收縮方面有明顯效果。