浅谈钢管柱柱芯免振捣自密实混凝土顶升施工技术

摘 要 本文将自密实混凝土技术应用于钢管混凝土中，利用自密实混凝土高流动性且不离析的特性，保证了核心混凝土的均匀和密实，克服了长柱施工的困难。分析钢管柱柱芯免振捣自密实混凝土施工的难点和特点,并结合浙江造船有限公司“室内船台、设备库”的钢管柱工程，阐述了高流态自密实混凝土的试配过程，决定采用泵送顶升浇筑法进行混凝土施工,使混凝土质量得到了保证。为今后类似的混凝土泵送施工积累了一定经验,提供了有益的借鉴。

关键词 钢管混凝土柱高流态自密实混凝土试配顶升施工

一、概述

1.1钢管柱自密实混凝土顶升技术

钢管混凝土柱柱芯免振捣自密实混凝土顶升施工技术是利用混凝土输送泵的泵送压力将自密实混凝土从钢管柱底部灌入，直至注满整根钢管柱的一种混凝土免振捣施工方法。对其浇灌技术及制作原理和免振捣自密实混凝土的机理、混凝土拌合物原材料的组成和配合比、混凝土的高流态特性及试验评价进行认真探讨，并在总数量达300多根的浙江造船有限公司“室内船台、设备库”厂房的钢管柱工程中得到成功地应用，获得建设单位、设计单位好评。钢管混凝土柱柱芯混凝土顶升施工技术的研究与应用，为开创现代化的施工方法及体系奠定了基础，具有广阔的发展前景。

1.2工艺原理

钢管柱柱芯免振捣自密实混凝土顶升施工是在钢管混凝土柱底部适当位置（如图1-1）开孔并焊接带单向阀的混凝土输送管，利用混凝土泵的压力将自密实混凝土自下而上挤压顶升灌入钢管内，直至注满整根钢管混凝土柱。（具体工艺原理见图1-2。）

1.2.1工艺技术要点

(1)泵送顶升浇筑应采用高流态自密实混凝土,并对其坍落度及坍落扩展度进行严格控制。

(2)截止阀和单向阀的设计及加工,要防止漏浆,活动钢板与固定钢板间隙控制在2mm之内。并保证混凝土输送畅通、能快速截住停止泵送后倒流的混凝土。为防止单向阀无法正常关闭,单向阀张开的角度不宜大于70°。

(3)钢管柱混凝土浇筑完毕后,应进行反复回抽回灌部分混凝土,确认单向阀关闭后,考虑通过单向阀关闭达不到此次浇捣的设计标高及回灌困难，所以全部采用截止阀来关闭，等截止阀关闭后再拆除接头套箍及泵送连接管。

1.2.2工艺注意事项

(1)浇筑混凝土前,钢管柱中的积水必须抽干或排干。

(2)施工前应计算好单根柱钢管混凝土的用量,单根柱顶升宜连续进行,待所需混凝土运送到现场后方进行顶升,防止因混凝土在运输过程中耽搁造成顶升的中断。

(3)施工过程中应有充分准备,要备有2台输送泵(1台备用),备用的截止阀,长距离联络的无线通信设备如对讲机或手机等，还有信号旗及信号瓶，高空作业人员系好安全带。

(4)混凝土在浇筑完毕后,拆管过程中,派专人随时做好关闭截止阀的准备,并应注意拆管顺序,必须先拆除截止阀后靠近输送泵端的泵管。

二、施工技术难点

2.1顶升高度较高

钢管柱柱芯免振捣自密实混凝土顶升施工技术能一次性将钢管混凝土柱内的混凝土顶升至所需高度，可减少工序环节，降低劳动强度，加快施工进度。本工程的钢管柱采用预制整体吊装的施工方法,柱的标高从-2.600 ～+ 35.770m。全高达38.370m，每根柱混凝土浇筑量约为7m3,混凝土的量较大且浇筑高度较高，更要保证钢管柱清洁。所以需要配备高空作业人员2名在柱顶指挥混凝土的顶升情况，及时与现场技术人员保持联系，确保浇灌有序且顺利进行。

2.2自密实混凝土配制难

钢管柱柱芯免振捣自密实混凝土顶升施工技术与高位抛落免振捣法相比，可有效避免钢管柱内混凝土不密实、离析等缺陷，确保混凝土质量符合设计要求。钢管柱中的混凝土在施工中无法进行振捣,混凝土必须具有免振捣自密实性能;为保证混凝土在钢管中能密实成型,要求混凝土具有无收缩或微膨胀性能;而其设计强度等级又高达C40,故试配该混凝土为一个难点。

自密实混凝土的性能主要表现在易于浇注方面的特点。混凝土拌合物应该有高的流动性，良好的体积稳定性和良好的钢筋通过性(在钢筋混凝土构件中)。为使混凝土达到这些性能要求，在配比时要控制各种材料的质量、用量，并且对材料的要求比普通振捣混凝土有所提高。

2.3浇注方式难

钢管柱为半封闭柱子,若从柱顶泵送混凝土入钢管,可能造成混凝土空气滞留钢管内产生施工缺陷(产生气泡或断层)。若在钢管柱中多处开孔向下浇混凝土,则成本太高且工序复杂。而本工程所采用的自密实混凝土施工顶升技术解决了以上难点。

三、 钢管柱柱芯免振捣混凝土顶升施工技术

3.1单向阀及截止阀的加工及应用

现场加工制作单向阀及截止阀。单向阀由Φ145mm，5mm厚的混凝土输送弯管（R=500mm）及8mm厚的Q345钢板共同加工而成，具体加工方法和尺寸如图3-1；截止阀采用20厚的Q345钢板及Φ18的螺栓加工制作，具体加工方法和尺寸如图3-2所示。

焊接单向阀，单向阀伸进钢管混凝土柱内的位置见（如图3-3c）所示。单向阀的盖板与水平方向的夹角宜为60°～70°，可通过伸出铰链背后的钢板调节固定。

用套箍连接截止阀（图3-3a、b），在截止阀与混凝土泵间布置混凝土输送管。若单向阀在浇筑完毕后能正常启闭，可重复利用截止阀。但鉴于用单向阀关闭需要回抽而达不到所需要的设计高度，故除已用单向阀关闭的钢管柱外。剩下的柱子全部采用截止阀关闭以满足混凝土的设计标高。

3.2施工技术过程

根据工程的实际情况,柱芯混凝土决定采用高流态自密实混凝土,施工方案采用泵送顶升浇筑法。该浇筑法系在钢管柱接近地面适当位置一般是距钢管混凝土柱底部300mm～500mm开一个Φ145mm圆孔，方便清除柱内积水、杂物及焊接单向阀。开孔并焊接带阀门的混凝土泵管后,利用混凝土泵的压力将混凝土自下而上顶升挤压至钢管柱中,可保证混凝土密实度。

3.2.1高流态自密实混凝土试配

本工程钢管柱柱芯免振捣自密实混凝土设计强度等级为C40,应具有坍落度经时损失小,可泵性能好,高强低热微膨胀等性能特点。经多次试配,最后确定选用建研牌TW-7R高效泵送剂和AEA膨胀剂。混凝土的材料为:①水纯净的自来水;②粗骨料5～25mm的连续级配碎石;③细骨料细度模数为2.6～2.8的中砂;④水泥海螺牌P•O42•5级;⑤矿渣粉三钢磨细粒化高炉矿渣粉;⑥粉煤灰宁波三利建材开发有限公司II原状粉煤灰。配合比(kg/m3)为水∶粗骨料∶细骨料∶水泥∶矿渣粉∶粉煤灰∶TW-7R∶AEA=180∶920∶708∶375∶105∶60∶10.03∶35。该配合比中水泥比为0.32,坍落度为(220±30)mm。通过对试配的混凝土在不振捣情况下的坍落度及坍落扩展度、混凝土的收缩试验及抗压强度试验,该混凝土均可满足高流态自密实混凝土的技术要求。

3.2.2混凝土浇注方案的确定

混凝土浇筑方案确定本工程拟采用车载式HBC-90混凝土泵,泵送最大压力可达11.5MPa,按一次性顶升施工泵送阻力的计算结果,理论上混凝土可以一次顶升至柱顶,但鉴于施工中可能存在的不确定因素,如目前的混凝土车装载量有7m3、8 m3、和9 m3，而柱子的混凝土用量是7m3左右。在浇完一根柱子时混凝土量有剩，要紧接着浇下一根，出现两次浇捣。鉴于在无法证实能一次性顶升至设计高度的情况下,初步确定2种浇筑方案。(1)一次性浇筑至柱顶采用泵送混凝土施工顶升法, 一次性浇筑至柱顶,中间无间断。(2)多次顶升浇筑当运输车混凝土用量到极限时,但仍未顶升至设计标高,则从前一车剩下的进行下一根柱子浇注，但下一车混凝土必须已到现场，进行二次施工顶升，直至顶升到柱顶为止。具体采用何种方案必须按实际情况通过实践来明确。

3.2.3选用合适的闸阀

在泵送顶升施工中,如何迅速安全地截住倒流的混凝土是关键,经讨论:决定在泵管与柱内端部设置1个单向阀的基础上,在柱底泵管的外端再设置1个截止阀。若拆管过程中混凝土有明显的涌出,则马上关闭截止阀。反之则证明单向阀起到作用,就可以重复利用截止阀,将大大节约成本。

3.2.4首次浇筑

先选定1根钢管柱进行首次浇筑。浇筑过程中,柱顶上安放了一个像鱼浮一样的信号杆。主要材料为矿泉水瓶和pvc 小水管（长1.5 m），并在pvc管上标有不同尺寸记号。当混凝土顶升将至柱顶时,顶上的信号瓶慢慢的浮起来，当信号瓶浮起的那刻站在柱顶上面的工作人员挥起了红旗，示意混凝土顶升将至柱顶，在现场的泵机操作员接到信号迅速放慢速度并再次将混凝土顶升至设计标高。混凝土顶升较为顺利,一次性顶升至柱顶,大约耗时12min。通过对泵送压力表进行观察,压力变化在7～8MPa。顶升至柱顶后,停止泵送5min,柱顶混凝土面有一定回落,再次顶升至柱顶,并开始回抽。第1次回抽,柱顶混凝土面回落10cm,第2次回抽回落至15cm;此后再进行多次回抽混凝土面再无明显回落,证明单向阀起到作用,然后拆除泵送管及截止阀。但在拆管及拆截止阀过程中泵送管只流出余量混凝土。在顶升完毕以后,骨料与浆体随时间推移慢慢沉淀,出现过多的浮浆,证明混凝土含水率偏大。

3.2.5浇筑方案改进及实施

通过首次浇筑,施工方案确定大部分采用泵送一次顶升施工技术及在碰到特别情况时（如混凝土量不够）采用二次顶升。重新调整配合比,降低坍落度,使坍落度控制在180～250mm,并且将浇筑前用来泵送管的砂浆在进入钢管柱前处理掉,最大限度减少用水量。由于单向阀有时不能正常关闭会出现偶然因数，利用单向阀更达不到混凝土的设计标高。所以在此后的浇注过程中多用截止阀来关闭阀门防止混凝土倒流。此方法安全可靠，但要靠人工利用大锤撬将活动钢板敲入来关闭阀门，另外利用截止阀关闭的方法中也碰到了问题，就是电焊工未按规范加工截止阀，使固定钢板与活动钢板的缝隙超过了2mm,由于钢管柱高度较高且压力较大。出现了泥浆溢流且小量细骨料刚好卡在活动钢板与固定钢板之间，起到了塞子的作用，在利用人工关闭时越敲越紧，关闭困难。通过对截止阀的对比，发现了截止阀关闭困难的原因是空隙太大出了问题，于是让电焊工改良并按标准制作，一共加工了40个，可以重复循环使用，使浇注工作有序进行。待混凝土达到一定强度时拆除掉截止阀，拆除后及时清理干净后上油并养护。清除的工作量为输送管跟单向管连接处20cm左右，因为另一端在混凝土浇注完截止阀关闭时就清除了。改进施工方案后,实际施工进展顺利,大部分一次性顶升至设计标高,停止浇筑后混凝土表面基本无浮浆产生。每根柱的浇筑时间加关闭时间在15～20min左右,未出现异常现象。

3.3混凝土质量检查

3.3.1混凝土的收缩

施工完成后,现场采用敲击钢管的方法检查柱芯混凝土的密实性和收缩情况,未发现空鼓现象;对重要构件及部位采用超声波进行检测,也未发现明显收缩现象。商品混凝土公司所做的混凝土收缩试验结果：550mm圆柱柱芯混凝土在28d后的直径收缩值仅为0.14mm。

3.3.2混凝土的强度

商品混凝土公司及施工单位在现场制作的全部试块的28d强度在53.1～56.2MPa,混凝土评定合格。

四、结论

本文通过对钢管柱柱芯自密实混凝土顶升施工技术的探讨及应用，得出以下结论：

（1） 本技术能一次性将钢管混凝土柱内的混凝土顶升至所需高度，可减少工序环节，降低劳动强度，提高生产效率，缩短工期；降低环境噪音，改善工作环境和安全性。

（2） 本技术与高位抛落免振捣法相比，可有效避免钢管柱内混凝土不密实、离析等缺陷，提高了混凝土的品质，具有良好的密实性、力学性能、耐久性；确保了混凝土质量，符合设计要求。解决传统混凝土施工中的漏振、过振等问题。

（3） 本技术中高流态自密实混凝土的强度显示，利用以上方法配制出的混凝土在28天后抗压强度满足要求可以用来指导实践。

（4） 本技术所使用的截止阀，加工方便，成本低，效果好。但关键的一点要把活动钢板与固定钢板的缝隙控制在2mm内。

实践证明，钢管柱柱芯自密实混凝土顶升施工技术安全、经济、实用。该工程施工工艺为今后类似的混凝土泵送施工提供了有益的借鉴。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。