長(zhǎng)、大直徑樁基高性能混凝土設(shè)計(jì)與優(yōu)化探討

趙興華

0 引言

長(zhǎng)、大直徑樁基混凝土配合比設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)在于混凝土的保坍性能和擴(kuò)展度的保留，而不僅僅在于初凝時(shí)間的長(zhǎng)短。室內(nèi)配制的混凝土，對(duì)于大方量水下混凝土實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，為保證連續(xù)澆筑和較快的速度，仍需繼續(xù)優(yōu)化，與一般水下混凝土配合比設(shè)計(jì)有所不同。本文以廣西河池至百色高速公路第五合同段丘莫大橋長(zhǎng)、大直徑樁基施工為依托，通過(guò)對(duì)樁基水下混凝土配合比設(shè)計(jì)與優(yōu)化，克服了長(zhǎng)、大直徑樁基水下灌注對(duì)混凝土性能要求高，澆筑時(shí)間長(zhǎng)的不利因素，成功實(shí)現(xiàn)了大方量水下樁基混凝土的順利澆筑。

1 長(zhǎng)、大直徑樁基大方量水下混凝土配制要點(diǎn)

1.1 長(zhǎng)、大直徑樁基水下混凝土施工的特點(diǎn)

(1)水下混凝土澆筑時(shí)間長(zhǎng)。以直徑D=3.4 m，樁長(zhǎng)H=52 m，水下灌注混凝土方量480 m3為例，連續(xù)澆筑時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10～12 h，這對(duì)混凝土的保坍性能提出了很高的要求。

(2)連續(xù)澆筑，澆筑速度快。施工組織比一般樁基水下混凝土灌注更為嚴(yán)格。不允許出現(xiàn)諸如便道不暢通、混凝土澆筑不順暢(上下抖動(dòng)導(dǎo)管)的情形。對(duì)直徑D=300 mm導(dǎo)管，可達(dá)到每小時(shí)施工40～45 m3左右，是一般普通小樁基水下混凝土無(wú)法比擬的。

(3)拆除導(dǎo)管速度快。其導(dǎo)管埋深比小樁基水下混凝土深，前提是混凝土黏性要小，從而提高施工速度的灌注效率。但埋深過(guò)大，會(huì)增加施工的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 大方量水下混凝土配制要點(diǎn)

1.2.1 對(duì)原材料要求高

水泥采用等級(jí)比較高的42.5級(jí)以上的水泥。28 d抗壓強(qiáng)度宜≥48 MPa，砂盡可能采用河砂，細(xì)度模數(shù)值宜在2.6～2.9之間，且不摻外加劑混凝土試驗(yàn)時(shí)河砂需水量要正常。某些需水量很大的河砂，對(duì)于不摻外加劑C30混凝土，坍落度210 mm時(shí)，每方混凝土需水量高達(dá)290～300 kg/m3，遠(yuǎn)超正常值240～250 kg/m3。采用機(jī)制砂時(shí)，細(xì)度模數(shù)宜在2.7～3.1，亞甲藍(lán)MB值控制在1.4以內(nèi)，應(yīng)采用比相應(yīng)河砂更高的砂率。粉煤灰嚴(yán)格控制在Ⅱ級(jí)以上時(shí)使用。

1.2.2 對(duì)混凝土粘度及工作性能要求高

混凝土黏度也代表混凝土的工作性能，黏度過(guò)高的混凝土?xí)迟N導(dǎo)管壁，使水下混凝土澆筑速度變慢。導(dǎo)致混凝土黏度大的因素有：

(1)水泥與外加劑適應(yīng)性不相匹配。

(2)外加劑減水率過(guò)大，以及外加劑(主要指聚羧酸)分子量的大小。

(3)集料特別是細(xì)集料含泥量大，機(jī)制砂亞甲藍(lán)MB值過(guò)大，含粉量大。

(4)某些摻合料如礦粉或不合格的粉煤灰也可能使混凝土黏度過(guò)大。

(5)混凝土初始坍落度宜控制在200～220 mm，在條件滿足的情形下盡可能在上限220 mm，擴(kuò)展度控制在500～600 mm。

(6)水灰比在高性能混凝土偏上限，水量大，但膠材也多，盡可能降低黏度。當(dāng)與擴(kuò)展度產(chǎn)生矛盾時(shí)，宜追求低黏度且使擴(kuò)展度在規(guī)范的范圍內(nèi)。

(7)室內(nèi)20 ℃條件下，坍落度4 h損失30～40 mm，4 h時(shí)坍落度仍可檢測(cè)在180 mm左右，擴(kuò)展度損失100～150 mm。坍落度保留主要通過(guò)外加劑配方的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)。這比一般小樁基水下混凝土坍落度保留的要求嚴(yán)格。

1.2.3 C30水下大方量混凝土配制

設(shè)計(jì)要求與普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范要求相同；混凝土黏度控制：黏度測(cè)試采用倒坍落度法。如表1所示。

表1 C30水下大方量混凝土設(shè)計(jì)配合比表

水泥采用河池市東蘭縣虎鷹P.O 42.5水泥，28 d水泥膠砂抗壓強(qiáng)度≥48 MPa。砂采用當(dāng)?shù)睾由埃?xì)度模數(shù)Mx=2.4～2.5，需水量大，配制C30不摻外加劑混凝土，坍落度為220 mm時(shí)，每方用水量高達(dá)295 kg/m3。限于當(dāng)?shù)貤l件，采用此種河砂需外加劑減水率高，砂率Sp=44%，(試驗(yàn)采用砂率Sp=42%時(shí)，實(shí)際澆筑混凝土?xí)r需上下抖動(dòng)導(dǎo)管，施工不流暢)，混凝土黏度測(cè)試38 s。表2是不同外加劑摻量，通過(guò)用水量微調(diào)，使坍落度相同時(shí)的混凝土測(cè)試記錄。

表2 坍落度相同時(shí)不同外加劑摻量混凝土測(cè)試記錄表

表2數(shù)據(jù)表明：外加劑摻量越高，減水率越大，混凝土黏度(倒坍落度筒測(cè)試)越大，倒坍落度筒測(cè)試混凝土流出時(shí)間越長(zhǎng)。在合適的外加劑摻量及砂率的情況下，存在最小的黏度值，使混凝土工作性能及配制強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。最終實(shí)際施工配合比調(diào)整為：混凝土28 d抗壓強(qiáng)度40.2 MPa，黏度26 S，初始坍落度220 mm，擴(kuò)展度550 mm，如表3所示。

表3 C30水下大方量混凝土實(shí)際施工配合比表

1.2.4 室內(nèi)坍落度、擴(kuò)展度損失控制

坍落度及擴(kuò)展度損失本質(zhì)上是通過(guò)外加劑來(lái)控制的，外加劑組分的調(diào)整是改變混凝土坍落度及擴(kuò)展度損失的重要方式。即使已經(jīng)調(diào)整好配方的外加劑，其摻量的大小以及砂石材料與膠材的改變也可影響坍落度及擴(kuò)展度損失。這是長(zhǎng)、大直徑樁基大方量水下混凝土設(shè)計(jì)與優(yōu)化重點(diǎn)要考慮的內(nèi)容，直接影響到水下樁基灌注的成敗。

1.2.4.1 混凝土初凝時(shí)間的控制及測(cè)定

混凝土初凝時(shí)間長(zhǎng)，坍落度保留效果好，長(zhǎng)時(shí)間澆筑水下混凝土才可以正常進(jìn)行。但應(yīng)該注意的是，混凝土初凝時(shí)間長(zhǎng)，只是長(zhǎng)、大直徑樁基大方量水下混凝土設(shè)計(jì)時(shí)考慮的最基本的要素，《橋涵施工技術(shù)規(guī)范》對(duì)此也有具體的規(guī)定。

混凝土初凝時(shí)間、水下樁基方量、連續(xù)澆筑時(shí)間以及實(shí)際測(cè)定混凝土初凝時(shí)間(采用混凝土貫入阻力儀)如表4所示。

表4 實(shí)際測(cè)定混凝土初凝時(shí)間對(duì)比表

經(jīng)咨詢外加劑生產(chǎn)專業(yè)人員，混凝土初凝時(shí)間的調(diào)整可以通過(guò)外加劑中的緩凝劑數(shù)量大小改變，每種含量都有嚴(yán)格的限制，均以水泥及膠材量的數(shù)量為基準(zhǔn)加入。片面追求混凝土初凝時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)造成混凝土的強(qiáng)度降低。

1.2.4.2 室內(nèi)坍落度及擴(kuò)展度損失控制

主要通過(guò)緩釋型聚羧酸含量的多少以及恰當(dāng)?shù)囊龤鈩┗蛳輨┑葋?lái)綜合改變坍落度和擴(kuò)展度損失，以長(zhǎng)、大直徑樁基(φ3.4 m，H=52 m)水下混凝土調(diào)整過(guò)程為例，如表5所示。

表5 室內(nèi)坍落度及擴(kuò)展度損失控制表

實(shí)際混凝土澆筑結(jié)果表明，遠(yuǎn)在混凝土初凝時(shí)間之前，首盤(pán)混凝土已不能通過(guò)正常的水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程返至樁基頂面。初凝時(shí)間只是必要的條件，而坍落度與擴(kuò)展度保留是大方量混凝土澆筑至關(guān)重要的因素。

混凝土坍落度及擴(kuò)展度保留在室內(nèi)(20 ℃)與水下的情況不同，雖然目前還無(wú)法通過(guò)一套裝置來(lái)準(zhǔn)確模擬長(zhǎng)、大直徑樁基混凝土在水下的運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)樁基施工經(jīng)驗(yàn)初步可判定長(zhǎng)、大直徑樁基混凝土與小樁基不同之處：首盤(pán)剪球的混凝土未全部返回至樁基頂面，部分混凝土?xí)Ａ粼跇痘欢ㄉ疃鹊奈恢?；混凝土返至樁基頂部的能力比小樁基混凝土?qiáng)一些，但也有一定的時(shí)間界限。充分體現(xiàn)了長(zhǎng)、大直徑樁基大方量混凝土的低黏度、高坍落度保留密不可分，如表6所示。

表6 長(zhǎng)、大直徑樁基與小樁基混凝土施工技術(shù)指標(biāo)對(duì)比表

2 長(zhǎng)、大直徑樁基高性能混凝土的優(yōu)化原則

(1)以長(zhǎng)時(shí)間的坍落度及擴(kuò)展度保留為原則。對(duì)于大方量的水下混凝土，室內(nèi)20 ℃，4 h后坍落度損失僅為40 mm。

(2)低黏度混凝土為原則。倒坍落度筒流出時(shí)間一般不超出30 s。

(3)外加劑摻量最多采用設(shè)計(jì)正常摻量。不允許采用提高外加劑摻量的方法提高混凝土擴(kuò)展度，這種方法會(huì)提高混凝土的黏度，不利于混凝土的澆筑。

(4)條件允許的情況下，采用比室內(nèi)稍大1%～2%砂率的水下混凝土更有利于連續(xù)澆筑，從而提高澆筑效率，縮短澆筑時(shí)間，盡量規(guī)避澆筑時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。

(5)當(dāng)采用稍小外加劑摻量以改善混凝土黏度時(shí)，必須提高相應(yīng)膠材(增加水泥漿)用量，以保證混凝土的強(qiáng)度，同時(shí)保證外加劑組分仍然可以實(shí)現(xiàn)足夠的坍落度與擴(kuò)展度保留。

3 結(jié)語(yǔ)

人類資源日益匱乏，用于工程混凝土的砂、碎石等合格原材料尤為突出。通過(guò)優(yōu)化高性能混凝土配合比，能有效解決長(zhǎng)、大直徑樁基對(duì)大方量水下混凝土高性能的特殊要求。雖比常規(guī)小樁基水下普通混凝土成本略有增加，但通過(guò)配合比設(shè)計(jì)與優(yōu)化增強(qiáng)了混凝土對(duì)原材料的適應(yīng)性，縮短了長(zhǎng)、大直徑樁基大方量水下混凝土的澆筑時(shí)間，有效保證了混凝土澆筑質(zhì)量。

[1]田克平.公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]JG/T223-2007，聚羧酸系高性能減水劑[S].