高性能樁基混凝土可灌注性評(píng)價(jià)方法研究

向小龍+戴銀剛+譚明濤+胡運(yùn)恒

摘 要：文章主要研究影響樁基混凝土工作性能——“樁基可灌注性”的因素和總體評(píng)價(jià)體系。通過樁基施工模擬實(shí)驗(yàn)，針對(duì)坍落度、擴(kuò)展度等常規(guī)檢測(cè)數(shù)據(jù)以及混凝土的砂率、骨料級(jí)配、最大粒徑等因素進(jìn)行系統(tǒng)的對(duì)比分析，可以提前判斷該混凝土是否達(dá)到樁基混凝土基本灌注要求，避免靠經(jīng)驗(yàn)主義來判斷，降低人為產(chǎn)生的質(zhì)量隱患。

關(guān)鍵詞：樁基；混凝土；工作性能

隨著混凝土技術(shù)的迅猛發(fā)展與逐步成熟，混凝土樁基已經(jīng)成為房建、市政和公路等工程不可缺少的組成部分。由于樁基承受了來自于建筑物所有的力，相當(dāng)于建筑物的根基，所以它的質(zhì)量代表著建筑物的安全性。尤其是高架橋中上部結(jié)構(gòu)由于自身重力較大，且易受水平載荷影響，因此對(duì)基礎(chǔ)承載力和沉降要求更高。因此，對(duì)樁基混凝土的研究至關(guān)緊要。而在實(shí)際生產(chǎn)和施工過程中，大多數(shù)施工方僅對(duì)混凝土的坍落度進(jìn)行測(cè)量和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)就去判斷該混凝土是否可以進(jìn)行樁基灌注。這種判斷方式較為武斷，且缺少嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的態(tài)度，對(duì)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)要求很高。而當(dāng)施工方達(dá)不到該要求時(shí)，往往容易產(chǎn)生非常嚴(yán)重且不可逆轉(zhuǎn)的后果。

文章旨在通過對(duì)高性能樁基混凝土工作性能的研究及對(duì)“樁基可灌注性”的評(píng)價(jià)，以尋求最適宜連續(xù)灌注且體積穩(wěn)定、耐久性良好、抗?jié)B性能高的混凝土，為現(xiàn)代樁基混凝土的澆筑提供參考依據(jù)。

1 原材料

考慮到與實(shí)際工程相結(jié)合，本次課題研究所用材料以常見的原材料為主。以下是本實(shí)驗(yàn)所用的原材料及其檢測(cè)數(shù)據(jù)。

水泥：選用質(zhì)量穩(wěn)定的普通硅酸鹽P.O42.5水泥，具體檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

粗骨料：選用粒徑為5-16mm、5-20mm、5-25mm、5-31.5mm和5-40mm5種連續(xù)級(jí)配的碎石以及5-10mm和10-20mm單粒粒級(jí)的碎石。粗骨料應(yīng)為粒形良好、質(zhì)地堅(jiān)固、潔凈的Ⅱ類碎石。

細(xì)骨料：選用天然河砂，要求級(jí)配合理、質(zhì)地堅(jiān)固的潔凈天然中粗河砂，具體檢查數(shù)據(jù)如表2所示。

粉煤灰：選用Ⅰ級(jí)粉煤灰，具體檢查數(shù)據(jù)見表3所示。

外加劑：選用20%固含量高性能聚羧酸減水劑，其性能符合《混凝土外加劑》標(biāo)準(zhǔn)要求。

混凝土拌合用水：混凝土拌合用水質(zhì)量符合《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，水中不應(yīng)含有影響水泥正常凝結(jié)與硬化的有害雜質(zhì)或油脂、糖類及游離酸類。

2 理論分析

2.1 樁基施工原理分析

樁基混凝土施工時(shí)常采用導(dǎo)管施工法，即混凝土經(jīng)不漏水不變形的導(dǎo)管借自重輸送至澆筑點(diǎn)。導(dǎo)管中的混凝土在一定的高度后，自重產(chǎn)生一定的壓力，將下層混凝土壓出導(dǎo)管下口，使孔內(nèi)導(dǎo)管外的混凝土面上升，直至壓力平衡為止。新送進(jìn)的混凝土是從已澆完的混凝土面以下進(jìn)入的，末曾接觸到水，整個(gè)澆制過程中，只有表面的一小部分混凝土接觸過水。這一層接觸過水的強(qiáng)度已被削弱了的混凝土始終浮在混凝土表面，因此可以在澆制完成時(shí)加以清除。其余混凝土的配合比將是充分符合要求的。同時(shí)，由于混凝土是靠壓力壓出的，而且壓力值較大，就保證了混凝土的密實(shí)性。具體施工步驟如圖1所示。

水下樁基混凝土經(jīng)導(dǎo)管輸送在底部呈擴(kuò)散方式，工作性能不好容易引起導(dǎo)管附近局部堆積進(jìn)而導(dǎo)致混凝土灌注困難。而水下混凝土流動(dòng)狀態(tài)以臨界速度為主、以影響直徑為輔的方式進(jìn)行分類，將孔內(nèi)水下混凝土流動(dòng)狀態(tài)分為完全平穩(wěn)流態(tài)、完全翻滾流態(tài)、局部平穩(wěn)流態(tài)和局部翻滾流態(tài)四種流態(tài)。

2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c方法

本次實(shí)驗(yàn)采用的是模擬樁基施工灌注，以ormit儀器為原型進(jìn)行改造。其中上部混凝土澆筑管的高度改為1000mm，導(dǎo)管直徑為150mm，設(shè)備原型如圖2所示。按照要求把儀器安裝好后，將工作性能各不相同的混凝土裝滿整個(gè)設(shè)備的導(dǎo)管中，開始計(jì)時(shí)打開下部出料閥門，記錄混凝土完全流出模擬灌注儀所用的時(shí)間。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.1 混凝土工作性能對(duì)可灌注性能影響

3.1.1 坍落度與擴(kuò)展度的關(guān)系

坍落度試驗(yàn)是目前施工現(xiàn)場(chǎng)最常見的一種混凝土工作性能檢測(cè)方法。一般情況下，坍落度能簡(jiǎn)單的反映出混凝土的灌注性能。如果坍落度過大，流動(dòng)性好但易產(chǎn)生泌水和離析；坍落度過小，則混凝土的流動(dòng)性受影響，管阻增大，兩者都會(huì)造成堵管。本實(shí)驗(yàn)通過測(cè)量不同工作性能的混凝土的坍落度與擴(kuò)展度的關(guān)系，得到數(shù)據(jù)并加以整理得圖3。

由圖2可看出，塌落度小于200時(shí)，擴(kuò)展度與塌落度有著一定的線性關(guān)系，然而塌落度在200以上時(shí)，塌落度和擴(kuò)展度的變化關(guān)系就沒有線性關(guān)系了。這是由于混凝土拌合物的坍落度只能代表其屈服應(yīng)力，而不能代表其塑性粘度。當(dāng)混凝土拌合物的坍落度大于200mm時(shí)，雖然坍落度可能相同，但混凝土拌合物內(nèi)的塑性粘度可能相差很大，塑性粘度決定了混凝土的擴(kuò)展度及流動(dòng)速度，因此，即便坍落度很大的拌合物，如果它的塑性粘度小，其擴(kuò)展度也會(huì)很小。因此，塌落度并不能很客觀地反映澆筑樁基混凝土的工作性能。澆筑混凝土的工作性能與其塑性粘度有著很大的相關(guān)性，而擴(kuò)展度也是混凝土塑性粘度的一種表觀形式，所以，用擴(kuò)展度來衡量澆筑樁基混凝土的工作性更加符合客觀事實(shí)。

坍落度與擴(kuò)展度的比值也不是可以隨意改變的，當(dāng)這個(gè)比值偏大時(shí)，表明混凝土的坍落度一定的情況下擴(kuò)展度偏小，在實(shí)際中的表現(xiàn)為混凝土拌合物太黏，流不開；當(dāng)坍落度與擴(kuò)展度的比值偏小時(shí)，表明在塌落度一定的情況下擴(kuò)展度偏大，在實(shí)際中的表現(xiàn)為水泥漿包裹不住集料單獨(dú)流開，即“離析”。因此，工作性能良好的混凝土拌合物的坍落度與擴(kuò)展度的比值應(yīng)在一定的范圍內(nèi)。根據(jù)吳中偉院士的研究，混凝土拌合物坍落度與擴(kuò)展度的比值應(yīng)該在0.4～0.45之間。本實(shí)驗(yàn)暫取坍落度與擴(kuò)展度的比值為0.40。實(shí)際生產(chǎn)過程中，澆筑樁基混凝土的施工要求為塌落度至少為200mm，這也就以為著如果講工作性能用擴(kuò)展度來評(píng)價(jià)，澆筑樁基混凝土的擴(kuò)展度至少為500mm。

3.1.2 擴(kuò)展度與模擬灌注時(shí)間的關(guān)系

確定了擴(kuò)展度為澆筑樁基混凝土工作性能的指標(biāo)，本實(shí)驗(yàn)接下來通過控制混凝土拌合物的擴(kuò)展度，進(jìn)行了關(guān)于澆筑樁基混凝土擴(kuò)展度與灌注時(shí)間關(guān)系的對(duì)比試驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)，我們記錄下了11組符合要求的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并制得圖4。

由圖4可以很直觀得看出，澆筑樁基混凝土拌合物的灌注時(shí)間與其擴(kuò)展度呈現(xiàn)很明顯的線性關(guān)系。當(dāng)混凝土拌合物擴(kuò)展度大于500mm時(shí)，灌注時(shí)間明顯減少。但隨著擴(kuò)展度進(jìn)一步增大，灌注時(shí)間的減少趨勢(shì)弱化。因此根據(jù)以上得出結(jié)論，澆筑樁基混凝土擴(kuò)展度應(yīng)大于500mm，但超過550mm后影響效果逐漸弱化。

3.2 集料對(duì)可灌注性能影響

3.2.1 砂率和模擬灌注時(shí)間的關(guān)系

所謂合理砂率是指水泥用量最省、流動(dòng)性和粘聚性都好的混凝土砂率。砂率過大，消耗水泥漿增多，混凝土流動(dòng)性下降，影響樁基灌注；砂率過小，則混凝土產(chǎn)生空隙，和易性差，易產(chǎn)生堵管等?；炷辽奥适欠窈线m直接關(guān)系混凝土用水量的高低，拌和物和易性以及硬化混凝土的各項(xiàng)性能。因此必須通過試驗(yàn)選擇在設(shè)定條件下，和易性好，單位用水量最小時(shí)的砂率。

本次實(shí)驗(yàn)通過控制澆筑樁基混凝土擴(kuò)展度為500mm，測(cè)定了混凝土拌合物砂率與灌注時(shí)間的關(guān)系，得到8組數(shù)據(jù)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理可得圖5。

由圖5可以很直觀得看出，混凝土拌合物的灌注時(shí)間與其砂率呈現(xiàn)明顯關(guān)系，灌注時(shí)間先隨砂率的增加而減少，之后又隨著砂率的增大而增大。本實(shí)驗(yàn)得出的最適宜澆筑樁基混凝土的砂率為0.39～0.41。

3.2.2 碎石最大粒徑和模擬灌注時(shí)間的關(guān)系

碎石作為混凝土中不可缺少的組成部分，也是混凝土中單顆粒體積最大的原材料，因此，碎石最大粒徑與混凝土的“可灌注性”有密不可分的聯(lián)系。如果碎石的粒徑過大，則混凝土的包裹性會(huì)有所下降，易造成導(dǎo)管堵管等現(xiàn)場(chǎng)。但當(dāng)碎石粒徑過小時(shí)，為保證包裹性一般要提高砂率，而這對(duì)混凝土的工作性能和力學(xué)性能又會(huì)有一定影響。因此，如何選取碎石合適的最大粒徑是本實(shí)驗(yàn)的目的。

本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)比使用5-10mm碎石混凝土、5-16mm碎石混凝土、5-20mm碎石混凝土、5-25mm碎石混凝土、5-31.5mm碎石混凝土和5-40mm碎石混凝土工作性能進(jìn)行比較，并模擬灌注試驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理得圖6。

由圖可以看出澆筑樁基混凝土灌注時(shí)間與骨料最大粒徑呈現(xiàn)一定關(guān)系，灌注時(shí)間先隨骨料最大粒徑的增加而減少，之后隨骨料最大粒徑的增大而增大。從圖中和確定，最適宜灌注混凝土的骨料最大粒徑為25mm。

3.2.3 碎石級(jí)配和模擬灌注時(shí)間的關(guān)系

在控制混凝土其他條件都相同的前提下，本實(shí)驗(yàn)分別用符合5-25mm連續(xù)級(jí)配的石頭和粒徑為10-20mm的單粒徑石頭做了樁基模擬灌注實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4：

對(duì)比以上連續(xù)級(jí)配和單粒徑石頭混凝土灌注時(shí)間，可以明顯得看出采用連續(xù)級(jí)配石頭配制的混凝土拌合物的流動(dòng)性優(yōu)于單粒徑石頭配制的混凝土拌合物的流動(dòng)性，相應(yīng)的，采用連續(xù)級(jí)配的混凝土的灌注性能也強(qiáng)于單粒徑的。

3.3 混凝土分散性對(duì)可灌注性能影響

樁基混凝土的分散性是指混凝土在灌注過程中與水接觸時(shí)還能保持原態(tài)的能力，混凝土分散性指標(biāo)試驗(yàn)以混凝土在水中10min時(shí)導(dǎo)致水PH變化幅度為梯度進(jìn)行劃分。

本實(shí)驗(yàn)通過控制樁基混凝土的分散性對(duì)經(jīng)過分散性測(cè)試的混凝土進(jìn)行模擬灌注實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以整理得圖7。

根據(jù)圖7可以很直觀的看出，混凝土的灌注時(shí)間與其分散性有很強(qiáng)的對(duì)數(shù)關(guān)系，隨著混凝土分散性的增大，灌注時(shí)間增大，也就是灌注性能減低。因此，分散值越低的混凝土更容易灌注，在實(shí)際生產(chǎn)中，我們應(yīng)該致力于增加混凝土的不分散性以增強(qiáng)其灌注能力。

4 結(jié)語

文章通過在理論分析基礎(chǔ)上提出疑問，并用模擬實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)疑問進(jìn)行探究得出以下新的結(jié)論：

（1）坍落度和擴(kuò)展度都是反應(yīng)混凝土拌合物工作性能的重要指標(biāo)，兩者在一定范圍內(nèi)具有相關(guān)性，當(dāng)混凝土的坍落度超過200mm時(shí)，這種相關(guān)性就不再明顯；

（2）對(duì)于現(xiàn)澆樁基混凝土，我們應(yīng)該以擴(kuò)展度作為其澆筑工作性的主要參考指標(biāo)，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)可知現(xiàn)澆樁基混凝土拌合物的擴(kuò)展度宜大于500mm；

（3）現(xiàn)澆混凝土拌合物的砂率對(duì)其澆筑性能有明顯影響，灌注時(shí)間先隨砂率的增大而減少，之后隨砂率的增大而增加，本實(shí)驗(yàn)中最適宜混凝土拌合物灌注的砂率為0.39～0.41；

（4）混凝土拌合物中骨料的最大粒徑也會(huì)影響其灌注過程，同砂率一樣，拌合物灌注時(shí)間先隨最大粒徑的增大而減少，后隨骨料最大粒徑的增大而增大。本實(shí)驗(yàn)在擴(kuò)展度為500mm的條件下測(cè)得最適宜灌注對(duì)應(yīng)的骨料最大粒徑為25mm；

（5）顆粒級(jí)配對(duì)混凝土灌注影響也非常大，相比于單級(jí)配的集料，用連續(xù)級(jí)配拌制的混凝土拌合物具有更好的流動(dòng)性，灌注性能良好；

（6）樁基混凝土的分散性也會(huì)制約混凝土灌注性能，不分散性能越強(qiáng)的混凝土在灌注過程中受到水的侵蝕作用越小，其灌注時(shí)間就越短；

（7）通過對(duì)比分析，樁基混凝土“可灌注性”評(píng)價(jià)體系中擴(kuò)展度權(quán)重為50%，砂率為15%，碎石最大粒徑為20%，碎石級(jí)配為15%。

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