高抛免振捣混凝土施工工法

(编号：SZJXGF01-2004)
中铁建工集团有限公司深圳分公司
一、前言
高抛免振捣混凝土采用的是高位抛落法，即拌合物是具有很高的流动性且不离析、不泌水、不经振捣或少振捣而利用浇筑过程中高处下抛时产生的动能来实现自流平并充满钢管柱的混凝土。
高抛免振捣混凝土的生产、施工在我集团公司尚属首次，通过进行高抛免振捣混凝土施工的科研攻关，（试配混凝土配合比和现场浇灌模拟试验）并结合国内外高抛免振捣混凝土施工的成功经验，依据国家现行规范，总结了一套行之有效的施工工法。
二、特点
•  使用功能上的特点
高抛免振捣混凝土的重要特征是必须从高处抛落，使混凝土利用其自身重量由高处抛落时产生的动能来实现自流平并充满管柱。
•  施工方法上的特点
目前，钢管柱混凝土的浇筑方法主要有两种：高位抛落浇灌法和泵送顶升法。本工法系指高位抛落浇灌法，它与泵送顶升法相比具有以下特点：
•  从浇筑形式上看，本工法所采用的浇筑方法是从上往下，在高位往下抛落。泵送顶升法是从低位将混凝土注入钢管，由下往上，直至钢管内注满混凝土。
•  从施工准备上看，泵送顶升法比本工法施工准备时间长。
•  从施工过程的控制程序上看，泵送顶升法比本工法的控制程序复杂。
•  从施工装置上看，泵送顶升法的施工装置要比本工法复杂。泵送顶升法要有止流装置、短管等。泵送顶升法还需在钢管柱上开进料口和设置卸压孔洞，输送设备要求比较高。而本工法无需在钢管柱上开孔和进行补焊。
三、适用范围
高抛免振捣混凝土施工方法是适用于管径大于 350mm ，高度不小于 4m 钢管混凝土柱。
四、工艺原理
高抛免振捣混凝土的工艺原理是采用合理的配合比，使混凝土拌合物具有很高的流动性，在高空抛落中不离析、不泌水，不经振捣或少振捣而利用浇筑过程中在高处下抛时产生的动能达到自密实的要求。
五、工艺流程及操作要点
•  工艺流程
现场钢管柱的施工程序为：安装第 K 层的空钢管体系 → 支设第 K 层楼板的梁、柱模板 → 穿第 K 层的梁、柱钢筋并绑扎 → 浇筑第 K 层楼板混凝土 → 搭设第 K ＋ 1 层梁板模板 → 安装第 K ＋ 1 层的空钢管体系 → 布设泵管 → 浇筑第 K 层的钢管混凝土 → 穿第 K ＋ 1 层的梁、柱钢筋并绑扎……如此循环。
•  操作要点
•  浇筑时管内不得有杂物和积水，先浇筑一层 100~200mm 厚与混凝土强度等级相同的水泥砂浆，以防止自由下落的混凝土粗骨料产生弹跳。
•  泵管出料口需伸入钢管内，利用混凝土下落产生的动能来达到混凝土的自密实。
•  当抛落的高度不足 4m 时，用插入式振捣棒密插短振，逐层振捣。振捣棒垂直插入混凝土内，要快插慢拔，振捣棒应插入下一层混凝土中 5 ～ 10cm 。振捣棒插点按梅花形均匀布置，逐点移动，按顺序进行，不得漏振，每点振捣时间不少于 60s 。管外配合人工木槌敲击，根据声音判断混凝土是否密实，每层振捣至混凝土表面平齐不再明显下降，不再出现气泡，表面泛出灰浆为止。
•  除最后一节钢管柱外，每段钢管柱的混凝土，只浇筑到离钢管顶端 500mm 处，以防焊接高温影响混凝土的质量。
•  除最后一节钢管柱外，每节钢管柱浇筑完，应清除掉上面的浮浆，待混凝土初凝后灌水养护，用塑料布将管口封住，并防止异物掉入。安装上一节钢柱前应将管内的积水、浮浆、松动的石子及杂物清除干净。
•  当最后一节浇筑完毕后，应喷涂砼养护液，用塑料布将管口封住，待管内混凝土强度达到要求后，用与混凝土强度相等的水泥砂浆抹平，盖上端板并焊好。
•  浇筑过程中，必须由专人对混凝土的质量进行监控，及时作好塌落度检测，对有和易性、塌落度不达标等现象的混凝土坚决不准使用。每台班混凝土取样不少于 2 组。
六、材料：
•  胶凝材料
可选用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥。水泥应具有较低的需水性，同时还应考虑其与高效减水剂的相容性。掺用的矿物细掺料也应具有低需水性、高活性。综合考虑后宜采用强度等级为 42.5 的硅酸盐水泥。
•  骨料
骨料的粒径、尺寸和级配对高抛免振捣混凝土拌合物的施工性，尤其拌合物通过的间隙影响很大。高抛免振捣混凝土的骨料采用粒径 5mm~25mm 的石子、粒径 5mm~10mm 的小石子，细度模数为 3.0 ～ 2.6 的中砂。粗骨料的最大粒径，当使用卵石时为 25mm ，使用碎石时为 20mm 。施工过程中严格控制砂中粉细颗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% 。砂中粉细颗粒含量通过 0.16 mm 筛孔量不小于 5% 。
•  外加剂
对高抛免振捣混凝土外加剂性能的要求为：有优质的流化性能，保持拌合物的流动性、合适的凝结时间与泌水率、良好的泵送性；对硬化混凝土的力学性质、干缩和徐变无不良影响，耐久性（抗冻、抗渗、抗碳化、抗盐浸）好。同时为避免钢管与混凝土间的微小空隙，必须在混凝土中加入微膨胀剂。
•  掺合料
掺合料采用Ⅰ级粉煤灰。
•  . 配合比
高抛免振捣混凝土的配合比应满足拌合物施工性能的要求。因此，与相同强度等级的普通混凝土相比，它具有较大的浆骨比，砂率较大，细掺料用量多。为了保证耐水性，水胶比一般不宜大于 0.4 。采用如下配合比设计。
等级
水灰比
砂率（％）
水 (Kg/m 3 )
水泥 (Kg/m 3 )
砂 (Kg/m 3 )
C50
0.29
43
180
485
667
石 (Kg/m 3 )
(5~25mm)
小石 (Kg/m 3 )
(5~10mm)
外加剂 (Kg/m 3 )
KFDN-SP3000
粉煤灰 (Kg/m 3 )
膨胀剂 (8 ％ )
273
638
28.03
103
50
•  性能指标
强度等级： C50 ，塌落度 S IP ≥ 255mm ，扩展度≥ 600mm ，充填性 H ≤ 5mm ，流动性≥ 700mm ，抗离析性△ G ≤ 7% ，保塑性 90min 内。
七、机具设备
•  混凝土输送泵。
•  混凝土输送管：规格可选φ 100 、φ 125 和φ 150mm 等，并配有各种拐弯角度的短管。
•  振捣棒。
•  混凝土输送泵应备有足够功率和稳定电压的电源。同时应备有应急发电设备。
•  浇筑现场与混凝土搅拌站以及浇筑现场的前、后台之间必须有可靠的通讯联络设备。 八、劳动力组织和安全
•  劳动力组织
本工法的劳动力配备如下：
工 种
人 数
工 作 内 容
管理人员
2
指挥调度
试验人员
1
监测混凝土塌落度、和易性等
振捣工
2
振捣
放料工
2
泵车前放料、清理
混凝土工
3
安装、拆卸泵管
木工
1
敲击钢管以检查混凝土的密实性
机械操作人员
2
操作混凝土输送泵
电工
2
保障现场用电
•  施工中的安全措施
•  操作平台应搭设牢固，施工人员在上面操作时必须系好安全带。
•  使用振捣棒的作业人员，应穿胶鞋，戴绝缘手套，使用带有漏电保护的开关箱。
•  夜间作业，应有足够的照明设备，并防止眩光。
•  清管时，管端应设置挡板或安全罩，严禁在管端站立人员，以防喷射伤人。
•  拆除泵管接头时 , 应先进行多次反抽，卸除管道内混凝土压力 , 以防混凝土喷出伤人。
九、质量要求
•  本工法执行的有关标准
本工法主要执行的是《高强混凝土结构技术规程》、《钢管混凝土结构设计与施工规程》。
（二）检查质量的方法
（ 1 ）敲击法。即通过声音来分析管内混凝土是否密实。用质检专用的 3 号钢锤进行敲击检查，每层每根钢管柱进行全检， 7 天、 28 天共两次（敲击时间不宜过早，以免影响混凝土与钢管壁的粘结）。检查方法为沿柱周边取等距离若干个点，从柱底敲至柱顶。注意：正常情况下，由于钢管混凝土柱由于两端固定的原因，振幅不同，柱中间与柱两端的敲击声响不一致。如出现第三种声音，则视为异常。
（ 2 ）超声波检测法。对钢柱内的砼是否密实，可用超声波进行逐个检查。测试频率宜选择在 40-100KHZ 范围内。
（三）管内混凝土的质量标准和检验方法
一般情况下，按柱子数量的 25% 抽查，但不少于 3 根柱子。检验的标准和方法见下表：
序号
检验项目
质量标准
检验方法及器具
1
混凝土组成材料的品种、规格和质量
必须符合设计要求和有关现行标准的规定
检查出厂证件和试验报告
2
混凝土强度
必须符合设计规定
检查混凝土强度
3
混凝土浇灌振捣密实
钢管混凝土密实无空隙
施工过程检查
4
混凝土配合比及组成材料计量偏差
必须符合设计要求
检查搅拌记录
5
混凝土施工方法
应符合有关现行施工规程的规定
观察检查和检查混凝土施工记录
（四）混凝土缺陷的处理
如发现局部混凝土不密实，应在钢管壁上钻孔并压浆补强，压浆补强后将钻孔塞焊补平。
十、效益分析
（一）技术效益
高抛免振捣混凝土技术，是对钢管混凝土结构施工工艺的进一步完善，可减轻工人的劳动强度，避免人为影响混凝土质量的因素，有效地控制混凝土的质量，加快施工进度。
表一：同种配合比情况下混凝土振捣与自密实强度对比
3 天强度
7 天强度
自密实的砼
54.7MPa
59.4 Mpa
经振捣的砼
56.2MPa
60.9 Mpa
表二：数据记录
坍落度 (mm)
扩展度 (mm)
流动度 (mm)
填充性 (mm)
初始记录
270
740
910
2
1 小时后
270
750
920
3
1.5 小时后
275
755
910
3
从结果可以看出 , 高抛免振捣混凝土的 3 天强度已经达到要求的 C50 混凝土的设计强度等级，满足施工需要。
（二）经济效益
深圳市民中心（中区）工程共完成钢管柱 3458.86 吨，浇筑强度等级为 C50 的高抛免振捣混凝土 2710.4m 3 ，普通 C50 混凝土单价为 469.2 元 / m 3 ，免振捣混凝土单价为 544.3 元 / m 3 ，原材料成本增加支出金 20.36 万元。采用高抛免振捣混凝土后节约人工、机械等施工费用 19.78 万元，节约机械台班费 14.82 万元，综合后共降低成本 14.24 万元，平均每方混凝土节约 52.5 元，节约率达 9.6% 。
虽然材料成本较普通混凝土有大幅度提高，但采用高抛免振捣混凝土后加快了施工速度、减少劳动强度、保证了工程质量，降低了施工成本，取得了良好的经济效益。
（三）社会效益
吸引了各方面专家学者前来工地考察，新闻媒体对工程的进展进行了全方位的报道，为公司赢得了良好的社会效益。
十一、应用实例
（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区，中区部分地下 2 层，方塔 15 层，圆塔 12 层，其主体结构为钢－钢筋混凝土结构，共有钢管柱 70 根，其中圆塔 14 根，方塔 56 根。钢管柱安装工程量为 3458.86 吨，共浇筑强度等级为 C50 的高抛免振捣混凝土 2710.4m 3 。施工中高抛免振捣混凝土的实际拌制情况如下：
•  原材料
•  水泥：湖南“韶峰” P.O.42.5 水泥。
•  外加剂：深圳市兆深公司 KFDN-SP3000 高性能早强型混凝土外加剂，减水率达到 40% 。
•  掺合料：深圳妈湾电厂Ⅰ级粉煤灰。广西“云燕” AEA 抗裂防水膨胀剂。
•  砂子：东莞中砂，含泥量 1.6 ％，泥块含量 1.0% ，
•  石子：深圳盐田 5-25mm 碎石，含泥量 0.3% ，泥块含量 0.15% ，压碎指标 9.7% 。深圳华达石场 5-10mm 碎石，含泥量 0.9% 。
•  水泥确定
为确定水泥的品种，选用了“韶峰”、“华润”、“银羊”三种品牌的水泥进行试验，其结果如下表：
序号
水泥
品种
W/C
外加剂
掺量（ % ）
塌落度（ cm ）
扩展度（ cm ）
28 天抗压强
度（ Mpa ）
初始
静停 1h
初始
静停 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
华润
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
银羊
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
从上述试验中可以看出，“银羊”水泥在静停 1h 后塌落度和扩展度损失太大，“韶峰”水泥水灰比为 0.32 时， 28 天抗压强度能满足 C50 混凝土抗压强度要求，塌落度、扩展度在静停 1h 后仍能满足高抛免振捣自密实混凝土的性能指标。 •  配合比
水灰比为 0.32 时，减水剂的掺量对塌落度的影响试验，结果如下图：
通过上述试验，可知 KFDN-SP3000 掺量在 4.0%-4.6% 区间较为合适。通过近一步试验，流动度也能满足要求，但充填性试验达不到指标要求。通过加大砂率及加大粉煤灰掺量等方法，使混凝土的各项指标均能满足要求。
（ 1 ）混凝土的配合比最终确定如下表：
等级
水灰比
砂率（％）
水 (Kg/m 3 )
水泥 (Kg/m 3 )
砂 (Kg/m 3 )
C50
0.29
43
180
485
667
石 (Kg/m 3 )
(5~25mm)
小石 (Kg/m 3 )
(5~10mm)
外加剂 (Kg/m 3 )
KFDN-SP3000
粉煤灰 (Kg/m 3 )
AEA 膨胀剂
273
638
28.03
103
50
（ 2 ）混凝土配合比的性能指标如下表：
塌落度（ cm）
扩展度（ mm）
流动度（ mm）
充填性（ mm）
初始
1h
1.5h
初始
1h
1.5h
初始
1h
1.5h
初始
1h
1.5h
27
27
27.5
740
750
755
910
920
910
2
3
3
（ 3 ）抗离析性能试验，结果见下表：
静停
H 1
G 1
G 1 /H 1
H 2
G 2
G 2 /H 2
G 1 +G 2
H 1 +H 2
△ G（%）
初始
23.09
7.42
0.321
22.69
7.50
0.331
14.92
45.78
3.1
1.5h
23.03
7.59
0.330
22.95
7.29
0.318
14.88
45.98
3.4
注： △ G=［（G 1 /H 1 - G 2 /H 2 ）］/［（G 1 + G 2 ）/（H 1 +H 2 ）］式中：
△G为抗离析性，H 1 为一腔的混凝土重量，H 2 为另一腔的混凝土重量，H 1 为一腔的粗骨料重量，H 2 为另一腔的粗骨料重量。
（ 4 ）混凝土各龄期抗压强度如下表：
龄期
3d
7d
28d
强度（ Mpa）
43.9
51.5
65.9
28 天强度 65.9Mpa ，满足施工需要。 3 ．现场试验
（ 1 ）现场测试混凝土塌落度为 26.5cm ，塌落扩展度为 700mm ，流动度为 900mm ，充填性为 5mm 。
（ 2 ）现场进行了免振和振捣两种施工方法的对比试验，留置试件各龄期抗压强度如下表：
龄期
3d
7d
28d
免振抗压强度（ Mpa）
52.4
58.7
68.2
振捣抗压强度（ Mpa）
51.8
57.6
67.6
通过上述用免振方法和振捣方法成型的两组试验结果， 28d 抗压强度分别为 68.2Mpa和67.6Mpa，偏差仅为0.6Mpa，说明免振捣成型对高抛免振捣自密实混凝土的强度没有任何影响。
（二） 深圳赛格群星广场工程
深圳赛格群星广场工程，安装钢管柱 11 根，总高度 112.9m ，浇注高抛免振捣钢管混凝土 1403.8m 3 ，地下 3 层～地上 12 层的强度等级为 C60 ， 13 层～ 29 层的强度等级为 C50 。
（三）深圳港丰大厦工程
深圳港丰大厦工程，用强度等级为 C45 的高抛免振捣混凝土对主体钢筋混凝土柱加固，每层 16 根，原截面尺寸为 1500 × 1200mm ，加固完截面尺寸为 1700 × 1400mm ，加固从地下室至转换层，地下室柱长 10 m ，地上五层，每层层高 5.5 m ，总加固高度为 37.5m