基于工程實例的凍土區(qū)樁基混凝土性能研究

吳凱

（贛州市公路發(fā)展中心瑞金分中心，江西贛州 342500）

0 引言

由于凍土的不穩(wěn)定性，常常會導致凍土區(qū)修建的建筑物出現不均勻的變形而發(fā)生損壞、倒塌等情況。研究表明，在凍土區(qū)采用樁基礎形式，對地基的溫度場擾動較小，并且樁基的承載力較高、抗凍性較好，適合作為建筑物的基礎，但樁基礎在施工的過程中也會對土層中的凍土產生一定的影響，尤其是在澆筑混凝土時，其混凝土的水化作用釋放出的熱量會影響凍土的穩(wěn)定。

為進一步對在凍土地區(qū)施工樁基的技術進行研究，本文在現有研究的基礎上[1-5]，結合實際的工程案例，研究混凝土水化熱對樁周土的影響及低溫混凝土質量的控制技術。

1 工程概況

本工程線路全長為3 255km，沿線所經過的地貌為高原臺地貌，地勢較為平坦，通過實地的考察未發(fā)現地下水，現場地形見圖1（a）所示。本工程所建橋梁上部采用先張法預應力混凝土空心板，下部采用摩擦樁基礎，所處地區(qū)的海拔高度的最低點約為4 688m，最高點約為4 707m，相對高差不大；根據勘探結果，該工程所處的工程地質層包括草皮層、含土冰層、飽冰凍土層、多冰凍土層及少冰凍土層，具體的地質斷面可見圖1（b）所示。

2 混凝土水化熱對樁周土的影響研究

2.1 檢測點布置方案

圖1 地形及地質斷面圖

本文為研究在澆筑混凝土時混凝土水化反應[6]釋放出的熱量對樁周土的影響，通過在現場布置檢測點，對整個澆筑過程進行實時的檢測。在樁的左右兩側分別布置7個地溫檢測點，其中在樁左側分別離樁邊900mm及800mm布置一個，在樁右側分別布置五個點，距離分別為0mm、500mm、1 300mm、2 000mm及4 000mm，沿豎向的檢測點布置在地下0～10m范圍內，檢測點間距為500mm、地下10～20m范圍內，檢測點的間距為1 000mm。地下20m以下的檢測點間距為2 000mm。

2.2 檢測結果分析

本文對其中的一個點進行分析，分別記錄該點在200mm、500mm、1 000mm、1 500mm、2 000mm及2 500mm處的溫度變化，具體的溫度變化情況見圖2所示。

圖2 不同地溫點的溫度變化曲線圖

從圖2中可以看出，不同深度的點的溫度變化趨勢大致相似，其總體的溫度變化趨勢為先降低后升高，最后再降低的變化趨勢。剛開始出現降低的主要原因是樁周凍土低溫在澆筑混凝土前為負溫，當混凝土澆筑完成后，受到負溫的影響，樁基混凝土的溫度出現短暫的降低情況，大概在4h左右達到最低溫度；隨后其溫度快速上升，主要是由于隨著混凝土的澆筑，發(fā)生了水化反應，釋放出大量的熱量，使其溫度大幅度上升，大約在30h左右達到最高溫；隨后其溫度逐漸下降，主要是由于水化反應完成，不再釋放熱量，隨后在凍土的作用下，其周邊的溫度開始下降，大約在60h后恢復到0℃。

2.3 混凝土樁水化熱影響范圍試驗研究

為進一步分析混凝土樁水化熱的影響范圍，通過室內試驗進一步對其進行研究，試驗時采用水泥∶水∶砂∶石子為412∶180∶755∶1053配置C30的混凝土；試驗的樁長約為150mm，試驗的坑平面尺寸為1 325mm長，235mm寬；試驗所采用的水泥為標準的硅酸鹽水泥，其具體的含量參數為：鋁酸三鈣7%，硅酸三鈣57.5%，游離氧化鈣小于1.2%，堿小于1.0%，比表面積350m2/kg。試驗過程中，溫度傳感器沿豎向布置，各傳感器間距為現場布置成比例縮小20倍。

2.4 試驗結果分析

2.4.1入模溫度及水泥水化熱影響分析

本實驗將混凝土的入模溫度定為10℃，根據試驗最終得到入模溫度及水泥水化熱影響時間關系曲線圖，如圖3所示，從圖中可以看出，混凝土剛入模時的溫度與凍土地層的溫度不同，因此，整個澆筑的過程中，混凝土對地層熱量可以分為兩個部分，一是混凝土澆筑時的入模溫度，二是澆筑的過程中及澆筑完成后水泥水化作用產生的熱量。

圖3 地溫曲線圖

2.4.2 入模溫度及水泥水化熱空間影響分析

本文為研究混凝土的入模溫度及水泥水化熱的空間影響范圍，分別對不同樁徑距離點設置溫度感應器，檢測不同范圍的溫度變化規(guī)律，具體的結果見圖4所示。從圖中可以看出，距樁中心不同距離的點溫度變化趨勢大致相似，均隨時間的推移而緩慢上升。其中，距離樁最近的點，當距離為1D時，開始時其土體的溫度迅速上升，而距離較遠的2D、3D、4D的溫度變化較小，主要是由于該點距離澆筑點近，初始的入模溫度對該點具有較大的影響，也說明混凝土在澆筑時，其入模溫度的影響范圍約為1D；從圖中也可看出，對于距離為2D、3D及4D的距離，在前1 000min內溫度的變化較小，當超過1 000min后溫度開始上升，主要是由于前1 000min主要為澆筑混凝土的時間，此時的溫度影響來源主要是混凝土的入模溫度，隨后造成溫度變化的原因是水泥水化反應放出的熱量，同時也可以看出水泥的水化作用釋放的熱量影響范圍較廣，可達到4D。

圖4 水平向溫度曲線

3 低溫混凝土

為減小凍土區(qū)施工對混凝土溫度變化帶來的影響，在工程中常采用低溫混凝土。本文對環(huán)境溫度、水膠比、外加劑及礦物摻合料對低溫混凝土的影響進行研究。

3.1 原材料

本工程制備混凝土所采用的原材料包括水、水泥、粗集料、細集料、早強劑及粉煤灰等，其中水泥采用的是普通的硅酸鹽水泥，水泥的強度等級為42.5，經過試驗，該水泥的初凝時間為2.4h，終凝時間為3.5h，檢測其28d的標準抗壓強度為51.5MPa，抗剪強度為8.1MPa，均滿足國家規(guī)范要求；粉煤灰采用一級優(yōu)質粉煤灰，密度為2 200kg/m3，細度為7.0%，燒失量為0.8%，需水量比為93%，其余的性能指標均滿足要求；減水劑采用JM-PCA型聚羧酸高效減水劑，該減水劑的氯離子含量為0.02%，初凝時間為80min，終凝時間為70min。

3.2 混凝土的配合比

為研究不同的溫度環(huán)境對混凝土初凝及終凝的影響，分別設置四種不同溫度環(huán)境，分別為20℃、0℃、-50℃及-100℃環(huán)境，為研究不同混凝土配合比對凝結時間的影響，配置不同的混凝土配合比。此外，對混凝土配合比中的水膠比、礦物摻合料及外加劑等對混凝土凝結時間的影響進行分析。具體的混凝土配合比見表1所示。

表1 混凝土配合比表

3.3 試驗結果分析

3.3.1 不同環(huán)境溫度對混凝土凝結時間的影響

在四種不同溫度環(huán)境下對不同組混凝土的凝結時間進行分析，結果如圖5所示。從圖中可以看出，隨著環(huán)境溫度的升高，混凝土的初凝及終凝時間逐漸縮短，其中A2組混凝土最為明顯，這主要是由于環(huán)境溫度的升高加速了水泥的水化反應，從而縮短了混凝土的初凝及終凝時間；同時也可以看出，隨著溫度的升高，各組混凝土最后的初凝時間較為接近，而各組混凝土的終凝時間差值較大，說明環(huán)境溫度對混凝土的終凝時間影響較大。

圖5 環(huán)境溫度對混凝土凝結時間的影響

3.3.2 早強劑對混凝土凝結時間的影響

對不同早強劑摻量在低溫環(huán)境中對混凝土凝結時間進行分析，結果見圖6所示。從圖中可以看出，不同早強劑摻量的情況下，隨著環(huán)境溫度的升高，混凝土的初凝及終凝時間逐漸縮短，且早強劑摻量多的混凝土溫度縮短量要比早強劑摻量少的混凝土多，例如當環(huán)境溫度為20℃時，早強劑摻量越多的情況下，混凝土的初凝及終凝時間較短；當環(huán)境溫度為0℃時，早強劑摻量多的混凝土初凝時間大幅縮短。

圖6 早強劑摻量對混凝土凝結時間的影響

3.3.3 減水劑對混凝土凝結時間的影響

對不同減水劑摻量在低溫環(huán)境中對混凝土凝結時間進行分析，結果見圖7所示。從圖中可以看出，不同減水劑摻量的情況下，隨著環(huán)境溫度的升高，混凝土的初凝及終凝時間逐漸縮短，并且減水劑摻量小的混凝土溫度縮短量要比早強劑摻量多的混凝土多，例如當環(huán)境溫度為20℃時，減水劑摻量越小的情況下，混凝土的初凝及終凝時間均較短；當環(huán)境溫度為-10℃時，減水劑摻量小的混凝土初凝時間及終凝時間大幅縮短。

圖7 減水劑摻量對混凝土凝結時間的影響

3.3.4 礦物摻合料對混凝土凝結時間的影響

對礦物摻合料在低溫環(huán)境中對混凝土凝結時間進行分析，結果見圖8所示。從圖中可以看出，不論有無礦物摻合料，隨著環(huán)境溫度的升高，混凝土的初凝及終凝時間逐漸縮短，并且無礦物摻合料情況下的混凝土溫度縮短量要有礦物摻合料的混凝土多，例如當環(huán)境溫度為20℃時，無礦物摻合料情況下的混凝土初凝時間約為45min，而有礦物摻合料情況下的混凝土初凝時間約為60min；無礦物摻合料情況下的混凝土終凝時間約為70min，而有礦物摻合料情況下的混凝土初凝時間約為80min。表明有礦物摻合料的混凝土初凝及終凝時間較長。

圖8 礦物摻合料對混凝土凝結時間的影響

4 結論

本文研究了混凝土水化熱對樁周土的影響及低溫混凝土凝結時間的影響因素，研究結果表明：混凝土入模溫度及水泥水化熱的影響主要體現在樁基本身及附近土體，并且隨著樁徑倍數的增加，入模溫度對混凝土溫度的影響逐漸減??；在低溫環(huán)境中，環(huán)境溫度越低，混凝土的初凝及終凝時間越長；隨著減水劑摻量的增加，混凝土的初凝及終凝時間越長；隨著早強劑摻量的增加，混凝土的初凝及終凝時間有所縮短；有礦物摻合料情況下的混凝土初凝及終凝時間也有所縮短。