高拋免振搗混凝土施工工法

(編號：SZJXGF01-2004)

中鐵建工集團有限公司深圳分公司

一、前言

    高拋免振搗混凝土采用的是高位拋落法，即拌合物是具有很高的流動性且不離析、不泌水、不經(jīng)振搗或少振搗而利用澆筑過程中高處下拋時產(chǎn)生的動能來實現(xiàn)自流平并充滿鋼管柱的混凝土。

    高拋免振搗混凝土的生產(chǎn)、施工在我集團公司尚屬首次，通過進行高拋免振搗混凝土施工的科研攻關(guān)，（試配混凝土配合比和現(xiàn)場澆灌模擬試驗）并結(jié)合國內(nèi)外高拋免振搗混凝土施工的成功經(jīng)驗，依據(jù)國家現(xiàn)行規(guī)范，總結(jié)了一套行之有效的施工工法。

二、特點

•  使用功能上的特點

     高拋免振搗混凝土的重要特征是必須從高處拋落，使混凝土利用其自身重量由高處拋落時產(chǎn)生的動能來實現(xiàn)自流平并充滿管柱。

•  施工方法上的特點

    目前，鋼管柱混凝土的澆筑方法主要有兩種：高位拋落澆灌法和泵送頂升法。本工法系指高位拋落澆灌法，它與泵送頂升法相比具有以下特點：

•  從澆筑形式上看，本工法所采用的澆筑方法是從上往下，在高位往下拋落。泵送頂升法是從低位將混凝土注入鋼管，由下往上，直至鋼管內(nèi)注滿混凝土。

•  從施工準(zhǔn)備上看，泵送頂升法比本工法施工準(zhǔn)備時間長。

•  從施工過程的控制程序上看，泵送頂升法比本工法的控制程序復(fù)雜。

•  從施工裝置上看，泵送頂升法的施工裝置要比本工法復(fù)雜。泵送頂升法要有止流裝置、短管等。泵送頂升法還需在鋼管柱上開進料口和設(shè)置卸壓孔洞，輸送設(shè)備要求比較高。而本工法無需在鋼管柱上開孔和進行補焊。

三、適用范圍

    高拋免振搗混凝土施工方法是適用于管徑大于 350mm ，高度不小于 4m 鋼管混凝土柱。

四、工藝原理

    高拋免振搗混凝土的工藝原理是采用合理的配合比，使混凝土拌合物具有很高的流動性，在高空拋落中不離析、不泌水，不經(jīng)振搗或少振搗而利用澆筑過程中在高處下拋時產(chǎn)生的動能達(dá)到自密實的要求。

五、工藝流程及操作要點

•  工藝流程

    現(xiàn)場鋼管柱的施工程序為：安裝第 K 層的空鋼管體系 → 支設(shè)第 K 層樓板的梁、柱模板 → 穿第 K 層的梁、柱鋼筋并綁扎 → 澆筑第 K 層樓板混凝土 → 搭設(shè)第 K ＋ 1 層梁板模板 → 安裝第 K ＋ 1 層的空鋼管體系 → 布設(shè)泵管 → 澆筑第 K 層的鋼管混凝土 → 穿第 K ＋ 1 層的梁、柱鋼筋并綁扎……如此循環(huán)。

•  操作要點

•  澆筑時管內(nèi)不得有雜物和積水，先澆筑一層 100~200mm 厚與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。

•  泵管出料口需伸入鋼管內(nèi)，利用混凝土下落產(chǎn)生的動能來達(dá)到混凝土的自密實。

•  當(dāng)拋落的高度不足 4m 時，用插入式振搗棒密插短振，逐層振搗。振搗棒垂直插入混凝土內(nèi)，要快插慢拔，振搗棒應(yīng)插入下一層混凝土中 5 ～ 10cm 。振搗棒插點按梅花形均勻布置，逐點移動，按順序進行，不得漏振，每點振搗時間不少于 60s 。管外配合人工木槌敲擊，根據(jù)聲音判斷混凝土是否密實，每層振搗至混凝土表面平齊不再明顯下降，不再出現(xiàn)氣泡，表面泛出灰漿為止。

•  除最后一節(jié)鋼管柱外，每段鋼管柱的混凝土，只澆筑到離鋼管頂端 500mm 處，以防焊接高溫影響混凝土的質(zhì)量。

•  除最后一節(jié)鋼管柱外，每節(jié)鋼管柱澆筑完，應(yīng)清除掉上面的浮漿，待混凝土初凝后灌水養(yǎng)護，用塑料布將管口封住，并防止異物掉入。安裝上一節(jié)鋼柱前應(yīng)將管內(nèi)的積水、浮漿、松動的石子及雜物清除干凈。

•  當(dāng)最后一節(jié)澆筑完畢后，應(yīng)噴涂砼養(yǎng)護液，用塑料布將管口封住，待管內(nèi)混凝土強度達(dá)到要求后，用與混凝土強度相等的水泥砂漿抹平，蓋上端板并焊好。

•  澆筑過程中，必須由專人對混凝土的質(zhì)量進行監(jiān)控，及時作好塌落度檢測，對有和易性、塌落度不達(dá)標(biāo)等現(xiàn)象的混凝土堅決不準(zhǔn)使用。每臺班混凝土取樣不少于 2 組。

六、材料：

•  膠凝材料

    可選用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥和礦渣硅酸鹽水泥。水泥應(yīng)具有較低的需水性，同時還應(yīng)考慮其與高效減水劑的相容性。摻用的礦物細(xì)摻料也應(yīng)具有低需水性、高活性。綜合考慮后宜采用強度等級為 42.5 的硅酸鹽水泥。

•  骨料

    骨料的粒徑、尺寸和級配對高拋免振搗混凝土拌合物的施工性，尤其拌合物通過的間隙影響很大。高拋免振搗混凝土的骨料采用粒徑 5mm~25mm 的石子、粒徑 5mm~10mm 的小石子，細(xì)度模數(shù)為 3.0 ～ 2.6 的中砂。粗骨料的最大粒徑，當(dāng)使用卵石時為 25mm ，使用碎石時為 20mm 。施工過程中嚴(yán)格控制砂中粉細(xì)顆粒的含量和石子的含泥量，砂子的含泥量一般不宜大于 2% ，石子的含泥量一般不宜大于 1% 。砂中粉細(xì)顆粒含量通過 0.16 mm 篩孔量不小于 5% 。

•  外加劑

    對高拋免振搗混凝土外加劑性能的要求為：有優(yōu)質(zhì)的流化性能，保持拌合物的流動性、合適的凝結(jié)時間與泌水率、良好的泵送性；對硬化混凝土的力學(xué)性質(zhì)、干縮和徐變無不良影響，耐久性（抗凍、抗?jié)B、抗碳化、抗鹽浸）好。同時為避免鋼管與混凝土間的微小空隙，必須在混凝土中加入微膨脹劑。

•  摻合料

    摻合料采用Ⅰ級粉煤灰。

•  . 配合比

    高拋免振搗混凝土的配合比應(yīng)滿足拌合物施工性能的要求。因此，與相同強度等級的普通混凝土相比，它具有較大的漿骨比，砂率較大，細(xì)摻料用量多。為了保證耐水性，水膠比一般不宜大于 0.4 。采用如下配合比設(shè)計。

•  性能指標(biāo)

    強度等級： C50 ，塌落度 S IP ≥ 255mm ，擴展度≥ 600mm ，充填性 H ≤ 5mm ，流動性≥ 700mm ，抗離析性△ G ≤ 7% ，保塑性 90min 內(nèi)。

七、機具設(shè)備

•  混凝土輸送泵。

•  混凝土輸送管：規(guī)格可選φ 100 、φ 125 和φ 150mm 等，并配有各種拐彎角度的短管。

•  振搗棒。

•  混凝土輸送泵應(yīng)備有足夠功率和穩(wěn)定電壓的電源。同時應(yīng)備有應(yīng)急發(fā)電設(shè)備。

•  澆筑現(xiàn)場與混凝土攪拌站以及澆筑現(xiàn)場的前、后臺之間必須有可靠的通訊聯(lián)絡(luò)設(shè)備。 八、勞動力組織和安全

•  勞動力組織

本工法的勞動力配備如下：

•  施工中的安全措施

•  操作平臺應(yīng)搭設(shè)牢固，施工人員在上面操作時必須系好安全帶。

•  使用振搗棒的作業(yè)人員，應(yīng)穿膠鞋，戴絕緣手套，使用帶有漏電保護的開關(guān)箱。

•  夜間作業(yè)，應(yīng)有足夠的照明設(shè)備，并防止眩光。

•  清管時，管端應(yīng)設(shè)置擋板或安全罩，嚴(yán)禁在管端站立人員，以防噴射傷人。

•  拆除泵管接頭時 , 應(yīng)先進行多次反抽，卸除管道內(nèi)混凝土壓力 , 以防混凝土噴出傷人。

九、質(zhì)量要求

•  本工法執(zhí)行的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

    本工法主要執(zhí)行的是《高強混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》。

（二）檢查質(zhì)量的方法

（ 1 ）敲擊法。即通過聲音來分析管內(nèi)混凝土是否密實。用質(zhì)檢專用的 3 號鋼錘進行敲擊檢查，每層每根鋼管柱進行全檢， 7 天、 28 天共兩次（敲擊時間不宜過早，以免影響混凝土與鋼管壁的粘結(jié)）。檢查方法為沿柱周邊取等距離若干個點，從柱底敲至柱頂。注意：正常情況下，由于鋼管混凝土柱由于兩端固定的原因，振幅不同，柱中間與柱兩端的敲擊聲響不一致。如出現(xiàn)第三種聲音，則視為異常。

（ 2 ）超聲波檢測法。對鋼柱內(nèi)的砼是否密實，可用超聲波進行逐個檢查。測試頻率宜選擇在 40-100KHZ 范圍內(nèi)。

（三）管內(nèi)混凝土的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和檢驗方法

    一般情況下，按柱子數(shù)量的 25% 抽查，但不少于 3 根柱子。檢驗的標(biāo)準(zhǔn)和方法見下表：

（四）混凝土缺陷的處理

    如發(fā)現(xiàn)局部混凝土不密實，應(yīng)在鋼管壁上鉆孔并壓漿補強，壓漿補強后將鉆孔塞焊補平。

十、效益分析

（一）技術(shù)效益

    高拋免振搗混凝土技術(shù)，是對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)施工工藝的進一步完善，可減輕工人的勞動強度，避免人為影響混凝土質(zhì)量的因素，有效地控制混凝土的質(zhì)量，加快施工進度。

表一：同種配合比情況下混凝土振搗與自密實強度對比

表二：數(shù)據(jù)記錄

    從結(jié)果可以看出 , 高拋免振搗混凝土的 3 天強度已經(jīng)達(dá)到要求的 C50 混凝土的設(shè)計強度等級，滿足施工需要。

（二）經(jīng)濟效益

    深圳市民中心（中區(qū)）工程共完成鋼管柱 3458.86 噸，澆筑強度等級為 C50 的高拋免振搗混凝土 2710.4m 3 ，普通 C50 混凝土單價為 469.2 元 / m 3 ，免振搗混凝土單價為 544.3 元 / m 3 ，原材料成本增加支出金 20.36 萬元。采用高拋免振搗混凝土后節(jié)約人工、機械等施工費用 19.78 萬元，節(jié)約機械臺班費 14.82 萬元，綜合后共降低成本 14.24 萬元，平均每方混凝土節(jié)約 52.5 元，節(jié)約率達(dá) 9.6% 。

    雖然材料成本較普通混凝土有大幅度提高，但采用高拋免振搗混凝土后加快了施工速度、減少勞動強度、保證了工程質(zhì)量，降低了施工成本，取得了良好的經(jīng)濟效益。

（三）社會效益

    吸引了各方面專家學(xué)者前來工地考察，新聞媒體對工程的進展進行了全方位的報道，為公司贏得了良好的社會效益。

十一、應(yīng)用實例

（一）深圳市民中心工程

    深圳市民中心工程位于深圳市福田中心區(qū)，中區(qū)部分地下 2 層，方塔 15 層，圓塔 12 層，其主體結(jié)構(gòu)為鋼－鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共有鋼管柱 70 根，其中圓塔 14 根，方塔 56 根。鋼管柱安裝工程量為 3458.86 噸，共澆筑強度等級為 C50 的高拋免振搗混凝土 2710.4m 3 。施工中高拋免振搗混凝土的實際拌制情況如下：

•  原材料

•  水泥：湖南“韶峰” P.O.42.5 水泥。

•  外加劑：深圳市兆深公司 KFDN-SP3000 高性能早強型混凝土外加劑，減水率達(dá)到 40% 。

•  摻合料：深圳媽灣電廠Ⅰ級粉煤灰。廣西“云燕” AEA 抗裂防水膨脹劑。

•  砂子：東莞中砂，含泥量 1.6 ％，泥塊含量 1.0% ，

•  石子：深圳鹽田 5-25mm 碎石，含泥量 0.3% ，泥塊含量 0.15% ，壓碎指標(biāo) 9.7% 。深圳華達(dá)石場 5-10mm 碎石，含泥量 0.9% 。

•  水泥確定

    為確定水泥的品種，選用了“韶峰”、“華潤”、“銀羊”三種品牌的水泥進行試驗，其結(jié)果如下表：

序號	水泥 品種	W/C	外加劑 摻量（ % ）	塌落度（ cm ）		擴展度（ cm ）		28 天抗壓強 度（ Mpa ）
				初始	靜停 1h	初始	靜停 1h
1	韶峰	0.35	4.3	25.5	25.0	660	620	55.3
2		0.32	4.6	27.0	26.5	700	670	59.1
3		0.29	4.9	27.0	27.0	740	700	71.4
4	華潤	0.35	3.6	25.5	24.5	650	590	53.8
5		0.32	3.9	26.0	26.5	680	700	56.5
6		0.29	4.2	28.0	28.0	720	710	65.7
7	銀羊	0.35	3.5	25.0	20.5	600	400	54.2
8		0.32	3.8	25.5	20.0	680	390	57.5
9		0.29	4.1	26.5	22.0	720	410	60.5

    從上述試驗中可以看出，“銀羊”水泥在靜停 1h 后塌落度和擴展度損失太大，“韶峰”水泥水灰比為 0.32 時， 28 天抗壓強度能滿足 C50 混凝土抗壓強度要求，塌落度、擴展度在靜停 1h 后仍能滿足高拋免振搗自密實混凝土的性能指標(biāo)。 •  配合比

   水灰比為 0.32 時，減水劑的摻量對塌落度的影響試驗，結(jié)果如下圖：

    通過上述試驗，可知 KFDN-SP3000 摻量在 4.0%-4.6% 區(qū)間較為合適。通過近一步試驗，流動度也能滿足要求，但充填性試驗達(dá)不到指標(biāo)要求。通過加大砂率及加大粉煤灰摻量等方法，使混凝土的各項指標(biāo)均能滿足要求。

（ 1 ）混凝土的配合比最終確定如下表：

（ 2 ）混凝土配合比的性能指標(biāo)如下表：

（ 3 ）抗離析性能試驗，結(jié)果見下表：

注： △ G=［（G 1 /H 1 - G 2 /H 2 ）］/［（G 1 + G 2 ）/（H 1 +H 2 ）］式中：

△G為抗離析性，H 1 為一腔的混凝土重量，H 2 為另一腔的混凝土重量，H 1 為一腔的粗骨料重量，H 2 為另一腔的粗骨料重量。

（ 4 ）混凝土各齡期抗壓強度如下表：

28 天強度 65.9Mpa ，滿足施工需要。 3 ．現(xiàn)場試驗

（ 1 ）現(xiàn)場測試混凝土塌落度為 26.5cm ，塌落擴展度為 700mm ，流動度為 900mm ，充填性為 5mm 。

（ 2 ）現(xiàn)場進行了免振和振搗兩種施工方法的對比試驗，留置試件各齡期抗壓強度如下表：

    通過上述用免振方法和振搗方法成型的兩組試驗結(jié)果， 28d 抗壓強度分別為 68.2Mpa和67.6Mpa，偏差僅為0.6Mpa，說明免振搗成型對高拋免振搗自密實混凝土的強度沒有任何影響。

（二） 深圳賽格群星廣場工程

    深圳賽格群星廣場工程，安裝鋼管柱 11 根，總高度 112.9m ，澆注高拋免振搗鋼管混凝土 1403.8m 3 ，地下 3 層～地上 12 層的強度等級為 C60 ， 13 層～ 29 層的強度等級為 C50 。

（三）深圳港豐大廈工程

    深圳港豐大廈工程，用強度等級為 C45 的高拋免振搗混凝土對主體鋼筋混凝土柱加固，每層 16 根，原截面尺寸為 1500 × 1200mm ，加固完截面尺寸為 1700 × 1400mm ，加固從地下室至轉(zhuǎn)換層，地下室柱長 10 m ，地上五層，每層層高 5.5 m ，總加固高度為 37.5m