隧道工程咬合樁C30超緩凝混凝土的研制與應(yīng)用

黃海珂，武海輪，陳景，王斌和

（中建西部建設(shè)西南有限公司，四川 成都 610052）

0 前言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展和地下空間的開(kāi)發(fā)利用，鉆孔咬合樁圍護(hù)作為一種新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，在深圳、廣州、北京、寧波等城市的市政、地鐵工程中廣泛應(yīng)用，施工工藝也日趨成熟[1-3]。近年來(lái)，在寧波下穿工程中，選用水泥—粉煤灰—礦粉體系，摻入高效緩凝泵送劑，配制出凝結(jié)時(shí)間為 64h 的 C15 超緩凝混凝土[4]；在杭州地鐵工程中，選用水泥—粉煤灰體系，摻入超緩凝劑，配制出凝結(jié)時(shí)間為 80h 的 C20 超緩凝混凝土[5]。但是，關(guān)于超緩凝混凝土的耐久性以及養(yǎng)護(hù)條件對(duì)緩凝劑作用效果的研究則較少。咬合樁適用于淤泥、流砂、富水等不良地層，具有對(duì)地層擾動(dòng)小、噪聲小、成孔垂直度高、抗?jié)B能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[6-9]。成都市區(qū)地層一般呈現(xiàn)典型的上軟下硬二元結(jié)構(gòu)，上部為黏土，底部為卵石層，地下水豐富，在開(kāi)挖過(guò)程中，質(zhì)量控制難度高，容易引發(fā)工程事故[10]。

目前，在成都地區(qū)鉆孔咬合樁應(yīng)用極少，本文就成都雙鐵站前下穿工程咬合樁技術(shù)要求，通過(guò)對(duì)原材料優(yōu)選、配合比優(yōu)化以及混凝土性能（工作性能、力學(xué)性能、耐久性能）檢測(cè)，研究了 C30 超緩凝混凝土的制備技術(shù)，在該工程成功應(yīng)用，并形成超緩凝混凝土生產(chǎn)質(zhì)量控制技術(shù)措施，為此類工程在本地區(qū)的施工提供參考。

1 工程概況

成都犀浦雙鐵站前下穿隧道為雙向六車道，總長(zhǎng)1690m，其中暗埋段長(zhǎng) 1250m，設(shè)犀浦站過(guò)街下穿通道一座，總長(zhǎng) 100m。考慮到成都地區(qū)上軟下硬二元結(jié)構(gòu)以及地下水豐富，在靠近高鐵線路一側(cè)，選用鉆孔咬合樁作為下穿隧道的深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是：配筋率低，大大降低原材料成本；樁間不存在施工縫，抗?jié)B能力強(qiáng)；施工靈活，能夠更好地適應(yīng)設(shè)計(jì)要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件以及施工組織安排，確定超緩凝混凝土應(yīng)滿足相關(guān)指標(biāo)：混凝土初凝時(shí)間不低于 60h，不高于 72h；坍落度應(yīng)控制在 180～200mm，擴(kuò)展度大于 450mm；3d 強(qiáng)度不大于 3MPa，28d 強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2 原材料與試驗(yàn)方法

2.1 原材料及其性能

（1）水泥：拉法基 P·O42.5R 水泥，技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 水泥基本性能指標(biāo)

（2）粉煤灰：成都Ⅰ級(jí)粉煤灰，需水量比小于95%，細(xì)度小于 12%，符合國(guó)標(biāo) GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》。

（3）拌合水：為地下水和自來(lái)水混合使用，符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn) JGJ 63—2006《混凝土拌合用水標(biāo)準(zhǔn)》。

（4）機(jī)制砂與碎石：砂的含泥量、泥塊含量、細(xì)度模數(shù)、級(jí)配等均符合國(guó)標(biāo) GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》；碎石為 5～31.5mm 連續(xù)級(jí)配碎石，其含泥量、泥塊含量、級(jí)配、壓碎指標(biāo)等均符合 GB/T 14685—2011《建設(shè)用卵石、碎石》。

（5）外加劑：減水劑為中建 ZJC-01 聚羧酸高性能減水劑，固含量 10%～12%；超緩凝劑為 Sika Retardol-25。

2.2 試驗(yàn)方法

（1）坍落度與擴(kuò)展度測(cè)試方法，混凝土初凝與終凝時(shí)間，均參照 GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》 。

（2）混凝土 3d、28d 抗壓強(qiáng)度測(cè)試方法，參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。

（3）混凝土的收縮性能、抗裂性能、抗氯離子滲透性能以及抗凍性能，參照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能與耐久性能試驗(yàn)方法》及 JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 配合比設(shè)計(jì)

針對(duì)超緩凝混凝土技術(shù)要求，選用以下途徑來(lái)優(yōu)化配合比性能：采用大摻量?jī)?yōu)質(zhì)粉煤灰，摻量控制在60～100kg/m3；選用高性能減水劑與性能穩(wěn)定的超緩凝劑。參考混凝土配合比設(shè)計(jì)及外加劑相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合我司以往的試配與生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，選擇三個(gè)主要影響因素：用水量、緩凝劑摻量以及粉煤灰摻量，對(duì)每個(gè)因素選擇3 個(gè)水平（因素水平表如表2 所示），進(jìn)行正交試驗(yàn)，并對(duì)本考核指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果如表3 和 4 所示。摻量。根據(jù)工程質(zhì)量要求以及經(jīng)濟(jì)性，最佳的組合為A1B2C2。首先，從凝結(jié)時(shí)間上看，不宜太長(zhǎng)或太短，緩凝劑摻量應(yīng)控制在1.8%；隨著用水量增大，混凝土強(qiáng)度降低明顯，在用水量為 160kg/m3時(shí)，評(píng)價(jià)強(qiáng)度為43.6MPa。粉煤灰摻量變化對(duì)于強(qiáng)度與凝結(jié)時(shí)間的影響較其他兩個(gè)因素小，但是它對(duì)于改善新拌混凝土工作性能以及后期耐久性能非常明顯，并考慮到成都地區(qū)粉煤灰生產(chǎn)質(zhì)量波動(dòng)較大，選定本試驗(yàn)粉煤灰摻量為 20%。

表2 正交試驗(yàn)因素與水平

表3 正交試驗(yàn)及其考核指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析

由表3 所示，本次試驗(yàn)主要考核的性能指標(biāo)包括有：凝結(jié)時(shí)間、3d 及 28d 抗壓強(qiáng)度。從表4 中極值數(shù)據(jù)可以看出：影響混凝土凝結(jié)時(shí)間的主次順序是緩凝劑摻量、用水量、粉煤灰摻量；影響 3d 抗壓強(qiáng)度的主次順序是凝結(jié)時(shí)間、用水量、粉煤灰摻量；影響 28d抗壓強(qiáng)度的主次順序是用水量、緩凝劑摻量、粉煤灰

然而，本工程施工正值夏季，成都地區(qū)多雨，晝夜溫度變化大，對(duì)緩凝劑作用效果影響較大。針對(duì)不同養(yǎng)護(hù)條件，試驗(yàn)緩凝劑摻量對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響，如圖1 所示。其中，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)是指養(yǎng)護(hù)溫度為(20±2)℃、濕度不小于 95%；16℃ 養(yǎng)護(hù)是指養(yǎng)護(hù)溫度為 (16±2)℃、濕度不小于 95%；自然養(yǎng)護(hù)是指放置在自然環(huán)境中，覆膜養(yǎng)護(hù)（該試驗(yàn)時(shí)間段環(huán)境溫度為25～35℃）。

圖1 不同養(yǎng)護(hù)條件與緩凝劑摻量對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響

圖1 表明，隨著緩凝劑摻量提高，混凝土的凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)；不同環(huán)境條件對(duì)同摻量混凝土凝結(jié)時(shí)間影響不同，其中 16℃ 養(yǎng)護(hù)條件能夠延長(zhǎng)混凝土凝結(jié)時(shí)間，自然養(yǎng)護(hù)條件下混凝土凝結(jié)時(shí)間縮短。隨著溫度的增大，混凝土凝結(jié)時(shí)間降低，這主要是由于較高溫度使膠凝材料的水化速度加大以及緩凝劑作用效果降低。因此，根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果以及成都地區(qū)夏季溫度變化，為保證超緩凝混凝土凝結(jié)時(shí)間，緩凝劑摻量宜選用在 1.9%。

綜合分析其考核指標(biāo)以及成都地產(chǎn)生產(chǎn)質(zhì)量控制水平，確定本工程基準(zhǔn)配合比如表5 中 S1 所示。然而，由于目前對(duì)超緩凝耐久性能研究較少，本文通過(guò)超緩凝混凝土與普通混凝土（S0）耐久性試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，便于指導(dǎo)生產(chǎn)施工應(yīng)用過(guò)程中質(zhì)量控制。

3.2 工作性能與力學(xué)性能

摻入或未摻入緩凝劑混凝土工作性能與力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示，其中，摻入緩凝劑的混凝土工作性能與未摻混凝土工作性能差別不大，強(qiáng)度降低，混凝土凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，能滿足工程質(zhì)量要求；兩組混凝土勻質(zhì)性好、不泌水離析，具有良好的施工性能；與普通混凝土 28d 強(qiáng)度相比，超緩凝混凝土強(qiáng)度降低 9%，仍能滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 C30 超緩凝混凝土生產(chǎn)指導(dǎo)配合比

表6 混凝土工作性能與力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3.3 耐久性能

本試驗(yàn)的耐久性能包括混凝土的干燥收縮、早期開(kāi)裂、抗氯離子滲透性能以及抗凍性能。

3.3.1 干燥收縮與早期開(kāi)裂

摻入或未摻入緩凝劑混凝土的各齡期干燥收縮如圖2 所示。當(dāng)摻入緩凝劑，會(huì)增大混凝土的干燥收縮率，其 3d 與 7d 的收縮率較未摻入緩凝劑增長(zhǎng)了 42% 和46%。這主要是由于摻入緩凝劑延長(zhǎng)了混凝土的凝結(jié)時(shí)間，導(dǎo)致混凝土在塑性狀態(tài)下自由水向外界蒸發(fā)，增加混凝土內(nèi)毛細(xì)孔張力和加劇混凝土早期收縮。

圖2 摻入與未摻入超緩凝劑對(duì)不同齡期收縮的影響

摻入或未摻入緩凝劑混凝土早期抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果如表7 所示。與普通混凝土相比，超緩凝混凝土的最大裂縫寬度與單位開(kāi)裂面積增加，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)增大。其中，超緩凝混凝土 7d 的最大裂縫寬度為 0.28mm，單位開(kāi)裂面積為 290mm2/m2，比同齡期普通混凝土提升了 22%與 53%。在風(fēng)吹和低溫的條件下，混凝土在塑性階段的水分蒸發(fā)速度較快，早期收縮顯著增加，單位開(kāi)裂面積增加。

表7 混凝土開(kāi)裂試驗(yàn)結(jié)果

3.3.2 抗氯離子滲透系數(shù)

表8 是摻入或未摻入緩凝劑混凝土抗氯離子滲透性能試驗(yàn)結(jié)果。超緩凝混凝土 28d 電通量為 469C，比普通混凝土 28d 電通量增加了 13%，均能滿足 Q-V:＜500。緩凝劑的摻入延緩了混凝土的凝結(jié)時(shí)間，孔隙率相應(yīng)增加，會(huì)降低混凝土的抗氯離子滲透性。

表8 混凝土抗氯離子滲透性能試驗(yàn)結(jié)果

3.3.3 抗凍性能

本試驗(yàn)采用慢凍法，測(cè)試結(jié)果表明：超緩凝混凝土（S1）抗凍等級(jí)為 F200，普通混凝土（S0）抗凍等級(jí)為 F125。與普通混凝土相比，其強(qiáng)度損失較快，抗凍性下降明顯。這主要是由于緩凝劑的摻入，延長(zhǎng)了混凝土凝結(jié)時(shí)間，早期塑性階段，水分蒸發(fā)過(guò)多，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)連通孔隙，降低混凝土抗凍性。

4 質(zhì)量控制與工程應(yīng)用

4.1 質(zhì)量控制措施

由于咬合樁對(duì)超緩凝混凝土各方面性能要求高，控制難度大，為保證混凝土施工質(zhì)量，必須全過(guò)程控制混凝土質(zhì)量，包括原材料、混凝土生產(chǎn)與運(yùn)輸、混凝土澆筑、混凝土養(yǎng)護(hù)及混凝土過(guò)程監(jiān)測(cè)等各個(gè)環(huán)節(jié)。

針對(duì)質(zhì)量波動(dòng)較大的機(jī)制砂，每車抽驗(yàn)關(guān)鍵指標(biāo)，不合格的退掉；由于摻入超緩凝劑，為確保混凝土的均勻性，攪拌時(shí)間要較普通混凝土延長(zhǎng) 30s；混凝土到現(xiàn)場(chǎng)后，應(yīng)盡快灌注，避免現(xiàn)場(chǎng)等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，混凝土工作性能損失或緩釋，影響混凝土質(zhì)量；灌注過(guò)程中保證連續(xù)性，中間間隔時(shí)間不能太長(zhǎng)，應(yīng)控制在 2h 之內(nèi)；及時(shí)關(guān)注天氣變化情況，調(diào)整混凝土配合比及外加劑摻量。

4.2 應(yīng)用效果

該混凝土自 2014 年 4 月起開(kāi)始應(yīng)用于成都犀浦雙鐵站前下穿工程，累計(jì)共生產(chǎn) 3000 余方。實(shí)際生產(chǎn)與現(xiàn)場(chǎng)取樣表明：混凝土工作性能良好，施工順利，質(zhì)量穩(wěn)定，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。超緩凝混凝土的凝結(jié)時(shí)間得到有效控制，提高開(kāi)挖成樁效率，加快施工進(jìn)度，能夠滿足工程項(xiàng)目部施工安排，保證工程質(zhì)量。

5 結(jié)論

（1）試驗(yàn)研究表明：選用水泥—粉煤灰體系，摻入適宜的超緩凝劑，能夠制備出初凝時(shí)間為 68h，工作性能良好，力學(xué)性能與耐久性能滿足設(shè)計(jì)要求的超緩凝混凝土；隨著養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度的提升，混凝土凝結(jié)時(shí)間變短；當(dāng)初凝時(shí)間為 68h 時(shí)，與普通混凝土相比，超緩凝混凝土 28d 強(qiáng)度降低 9%，7d 收縮與開(kāi)裂分別增大約46% 和 53%，抗氯離子滲透系數(shù)增大 13% 及混凝土抗凍等級(jí)降低。

（2）工程應(yīng)用表明：超緩凝混凝土性能要求高，質(zhì)量控制難，從生產(chǎn)到施工應(yīng)采用全過(guò)程控制，優(yōu)選性能穩(wěn)定的原材料，現(xiàn)場(chǎng)施工組織安排合理，密切監(jiān)控天氣環(huán)境變化，從而保證混凝土性能滿足要求。

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