超緩凝大摻量礦物摻合料混凝土的配制及在鉆孔咬合樁中的應用

云南建工集團有限公司 昆明 650501

1 工程概況

昆明軌道交通3號線塘子巷站3、4號出入口一期及二期工程由中鐵十二局集團有限公司負責施工，主體結(jié)構(gòu)深基坑采用鉆孔咬合樁作為圍護結(jié)構(gòu)。樁徑1 000 mm，相鄰兩樁咬合量250 mm，樁長5～18 m。咬合樁分為A樁和B樁，A樁為C20超緩凝水下素混凝土樁，B樁為C30水下鋼筋混凝土樁，C20水下超緩凝混凝土量約2 685.4 m3。塘子巷站的地基土層特征情況是上部土層大致穩(wěn)定，下部土層變化較大。土層主要是素填土、河底淤泥層、粉質(zhì)黏土、黏土等。

2 鉆孔咬合樁施工工藝[1-3]

鉆孔咬合樁是一種在樁與樁之間形成相互咬合排列的新型地下工程支護結(jié)構(gòu)，主要起擋土、止水作用。為便于切割，樁的排列方式為1 根素樁（A樁）和1 根鋼筋樁（B樁），A 樁混凝土為超緩凝混凝土，要求必須在A 樁混凝土初凝之前完成B樁施工，B樁施工時采用MZ全套管鉆機切割相鄰A樁相交部分的混凝土，實現(xiàn)咬合。鉆孔咬合樁的澆筑順序和排列方式見圖1。樁的施工工藝流程是A1→A2→B1→A3……An→Bn-1。鉆孔咬合樁主要適用于地鐵、超高層建筑等深基坑圍護結(jié)構(gòu)，具有環(huán)保、成本低、地質(zhì)適應能力強、施工速度快等優(yōu)點，可在黏性土、粉土、淤泥、流砂、地下水富集等不良條件地層中應用。

圖1 鉆孔咬合樁的施工順序

3 超緩凝混凝土的關(guān)鍵技術(shù)

超緩凝混凝土不僅要求混凝土早期有較長的凝結(jié)時間，而且要求混凝土必須有足夠的后期強度。超緩凝混凝土的設計和質(zhì)量控制在鉆孔咬合樁施工中起重要作用，尤其是緩凝時間和坍落度的控制對鉆孔咬合樁施工至關(guān)重要。目前，超緩凝混凝土的初凝時間和坍落度較難控制。

3.1 超緩凝混凝土的初凝時間

A樁的初凝時間是影響B(tài)樁咬合成功的關(guān)鍵。A樁的初凝時間由單樁成樁時間來確定，與地質(zhì)條件、樁長、樁徑和鉆機能力等有關(guān)。首先應根據(jù)具體工程情況進行試樁，確定單樁成樁所需時間t，然后按式（1）確定超緩凝混凝土的初凝時間。

式中：T——超緩凝混凝土的初凝時間；

K——安全儲備時間，一般取1.5t；

t——單樁成樁所需時間。

3.2 超緩凝混凝土的坍落度

水下灌注超緩凝混凝土的坍落度宜為180～200 mm，以滿足水下混凝土灌注和防止B樁在成孔過程中發(fā)生A樁混凝土向B樁內(nèi)管涌。考慮到混凝土在運輸工程中的坍落度經(jīng)時損失，應根據(jù)實際情況控制混凝土出廠坍落度在200～220 mm。

3.3 超緩凝混凝土的抗壓強度

早期強度較低，后期強度要求發(fā)展迅速，是超緩凝混凝土強度的主要特點。應用于鉆孔咬合樁的超緩凝混凝土要求3 d強度不大于3 MPa，28 d強度滿足設計要求。

4 混凝土的配制及性能

4.1 原材料

（a）水泥： P.O 42.5級水泥。

（b）礦物摻合料：Ⅱ級粉煤灰，密度為2.26 g/cm3，比表面積為327.9 m2/kg，45 μm篩余為16.3％，燒失量為2.31％，需水量比為98.3％，SO3含量為0.35％，7 d活性指數(shù)62.3％，28 d活性指數(shù)78.5％。S75礦粉，密度2.91 g/cm3，比表面積368.1 m2/kg，7 d活性指數(shù)59.0％，28 d活性指數(shù)81.0％。

（c）集料：細集料由水洗人工砂和水洗山砂按1∶3的比例復配，細度模數(shù)3.0，Ⅱ區(qū)中砂，含泥量2.1％，壓碎指標值16.2％；粗集料是粒徑為5～25 mm連續(xù)級配的碎石，壓碎值9.2％，含泥量0.82％，泥塊含量0.15％，針片狀顆粒含量1.7％。

（d）緩凝高效減水劑：采用公司自行研制的JG-C型萘系緩凝高效減水劑。

（e）水：昆明市自來水。

4.2 配合比的確定

根據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程》JGJ 55—2011設計原則，綜合考慮云南地區(qū)的原材料特性，經(jīng)過實驗室大量試配和生產(chǎn)試配，根據(jù)混凝土的流動性能、凝結(jié)性能、抗壓強度試驗結(jié)果及配合比的經(jīng)濟性優(yōu)選確定配合比參數(shù)選擇范圍。最終確定初凝時間為60～80 h的C20水下超緩凝大摻量礦物摻合料混凝土生產(chǎn)配合比，具體配合比參數(shù)范圍見表1。

表1 C20水下超緩凝大摻量礦物摻合料混凝土配合比參數(shù)范圍

4.3 混凝土的性能

選取生產(chǎn)攪拌站的50 組C20水下超緩凝大摻量礦物摻合料混凝土代表性試樣進行工作性能、凝結(jié)性能和抗壓強度統(tǒng)計分析，結(jié)果見表2?；炷涟韬臀锕ぷ餍阅芤妶D2。

由表2及圖2可知：C20超緩凝大摻量礦物摻合料混凝土的工作性能較好，混凝土拌和物具有良好的黏聚性和保水性，現(xiàn)場易于施工操作。混凝土施工現(xiàn)場抽檢坍落度為180～205 mm，擴展度為440～500 mm。C20超緩凝大摻量礦物摻合料混凝土的凝結(jié)時間較長，很好地滿足了鉆孔咬合樁施工工藝的要求。混凝土的初凝時間為67.5～84.0 h，平均初凝時間為73.2 h；終凝時間為78.2～95.3 h，平均終凝時間為85.4 h。C20超緩凝大摻量礦物摻合料混凝土的早期強度得到顯著抑制，后期強度發(fā)展迅速?；炷恋? d強度低于3 MPa，平均強度為1.3 MPa；28 d抗壓強度為24.5～29.0 MPa，平均強度26.2 MPa，達到設計強度等級的131％，28 d強度滿足設計要求。

表2 混凝土的工作性能和凝結(jié)性能統(tǒng)計值

圖2 C20超緩凝大摻量礦物摻合料混凝土的拌和物工作性能

5 混凝土生產(chǎn)及施工質(zhì)量控制

超緩凝混凝土的質(zhì)量是鉆孔咬合樁施工工藝成功的前提，混凝土凝結(jié)時間、和易性及各齡期強度中一項出現(xiàn)意外，均會嚴重影響施工進度和工程質(zhì)量，因此，對混凝土生產(chǎn)質(zhì)量控制及現(xiàn)場施工組織的要求較高，在超緩凝混凝土生產(chǎn)及施工中應特別注意以下幾個問題。

（a）生產(chǎn)前應使各類材料的質(zhì)量保持相對穩(wěn)定，特別是JG-C緩凝劑、摻合料和水泥的質(zhì)量必須嚴格控制。

（b）應根據(jù)生產(chǎn)站實際材料情況進行生產(chǎn)試配，確定最終配合比，并保證生產(chǎn)原材料與試配材料保持一致。當原材料發(fā)生變化時，應提前按混凝土配合比進行試拌驗證，混凝土性能符合要求方可生產(chǎn)。

（c）生產(chǎn)中應采取可靠措施防止材料誤用，主要材料應專罐專用，運輸時專車運送。

（d）生產(chǎn)前和生產(chǎn)過程中，應保證JG-C緩凝高效減水劑的緩凝成分充分溶解和攪拌均勻，并保證生產(chǎn)過程中不與其他外加劑混用。生產(chǎn)時應嚴格控制JG-C超緩凝外加劑的摻量，調(diào)整比例±0.2％，保證超緩凝混凝土初凝時間在60 h以上，且不影響后期強度的發(fā)展。

（e）超緩凝混凝土出廠時，必須嚴格檢測其工作性，每樁混凝土應進行取樣監(jiān)測混凝土的凝結(jié)時間，并取樣成型相應齡期強度試件。

（f）超緩凝混凝土運抵工地后，施工方應仔細核查混凝土類別和等級，防止普通混凝土與超緩凝混凝土誤用以及強度等級不符，同時施工方應在監(jiān)理方的陪同下進行取樣監(jiān)測凝結(jié)時間，并取樣成型相應齡期強度試件。

（g）混凝土凝結(jié)時間監(jiān)測試件及強度檢驗試件制作后須以保鮮膜或塑料紙覆蓋，強度檢驗試件應在試件終凝后12 h左右方可拆模，并應注意保護試塊，防止試塊在搬運及養(yǎng)護過程受損。

（h）A樁混凝土澆筑完畢后待B樁混凝土鉆孔澆筑完成后應進行填土養(yǎng)護。

6 結(jié)語

根據(jù)云南地區(qū)的原材料特性，采用Ⅱ級粉煤灰和S75礦粉復摻等量取代40％～50％水泥以及自己開發(fā)生產(chǎn)的JG-C超緩凝外加劑，成功配制出了滿足施工要求的C20超緩凝大摻量礦物摻合料混凝土。

C20超緩凝大摻量礦物摻合料混凝土具有較好的工作性能，易于施工操作；初凝時間達到70 h以上，混凝土的3 d強度低于3 MPa，28 d抗壓強度滿足設計要求，很好地滿足了鉆孔咬合樁施工工藝的要求，也滿足了工程的質(zhì)量要求。