超高層建筑超深樁基水下高性能混凝土的研究與應(yīng)用

李永慶 曹良桂 王世強(qiáng) 童 杰

云南建投綠色高性能混凝土股份有限公司 云南 昆明 650501

1 工程應(yīng)用概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

“春之眼”商業(yè)中心工程項(xiàng)目位于昆明市盤龍區(qū)東風(fēng)廣場(chǎng)，是集商場(chǎng)、辦公、酒店和城市公寓為一體的超高層綜合建筑體，建成后將成為昆明市第一高的地標(biāo)性建筑。項(xiàng)目建筑主體由主塔、副塔、裙房以及地下室組成，其中主塔建筑高度407 m，副塔建筑高度308 m，項(xiàng)目總建筑面積約600 000 m2，基坑面積約為32 600 m2，深度達(dá)23 m。主塔、副塔樁基礎(chǔ)采用超深鉆孔灌注樁，總樁數(shù)818根，樁基單樁極限承載力設(shè)計(jì)為30 000 kN，混凝土設(shè)計(jì)為C50水下混凝土；主塔樁基的樁徑為1 000 mm，樁長(zhǎng)達(dá)100 m，屬于典型的超深、超大長(zhǎng)徑比、高承載力水下灌注樁。

1.2 超深樁基水下混凝土的技術(shù)要求

1）超深樁基混凝土在水下灌注成形，僅靠自身重力作用完成流動(dòng)并達(dá)到自密實(shí)狀態(tài)，所以水下混凝土應(yīng)具有良好的流動(dòng)性、抗離析性能、黏性和保水性，以滿足水下100 m深度的自密實(shí)要求，防止發(fā)生夾渣、分層、堵管、斷樁等現(xiàn)象[1-2]。

2）水下混凝土在水下成形和凝結(jié)硬化，其強(qiáng)度、均勻性不可避免地會(huì)受到地下水及泥沙等影響。該樁基混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)為水下C50，單樁極限承載力達(dá)30 000 kN，成樁后須進(jìn)行超聲波檢測(cè)、低應(yīng)變動(dòng)測(cè)、鉆芯取樣等檢驗(yàn)，故必須保證樁身混凝土質(zhì)量及樁身完整性。

3）樁基礎(chǔ)不僅要承受建筑主體的荷載，還要長(zhǎng)期承受服役環(huán)境中腐蝕介質(zhì)的作用，工程樁基結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)年限為100年，因此超深樁基混凝土必須加強(qiáng)耐久性能設(shè)計(jì)。

4）根據(jù)水下混凝土的工藝特點(diǎn)和質(zhì)量控制要求，必須保證每根樁基混凝土一次性連續(xù)澆筑而成，以保證樁身混凝土不產(chǎn)生接縫、孔洞、夾渣和斷樁現(xiàn)象，而且單根澆筑時(shí)間較長(zhǎng)，故要求混凝土初凝時(shí)間要大于澆筑時(shí)間的2倍。

2 C50水下高性能混凝土的配制

2.1 原材料

水泥選用華新東駿P·O 52.5普通硅酸鹽水泥，礦物摻合料選用F類Ⅱ級(jí)粉煤灰和S75級(jí)礦渣粉；骨料應(yīng)要求是質(zhì)地堅(jiān)硬、級(jí)配合理、含泥量低且無(wú)堿的活性材料，細(xì)集料采用機(jī)制砂復(fù)合山砂的混合砂，機(jī)制砂為連續(xù)級(jí)配，細(xì)度模數(shù)2.5～2.9，MB值小于1.4；粗集料選用5～25 mm連續(xù)級(jí)配的碎石，壓碎指標(biāo)7.8%，針片狀顆粒含量2.7%；外加劑選用固含量為15%的聚羧酸PCA-800型高性能減水劑，減水率大于25%，與膠凝材料適應(yīng)性良好。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

由于超深樁基混凝土水下施工條件的限制，為了保證樁身混凝土強(qiáng)度要求，本工程C50水下混凝土根據(jù)樁基相關(guān)施工標(biāo)準(zhǔn)提高至C60等級(jí)進(jìn)行配制。設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)坍落度宜為220 mm±20 mm，坍落擴(kuò)展度為600 mm±50 mm，拌和物流動(dòng)性、抗離析性良好，黏度適中，其配合比參數(shù)按以下原則進(jìn)行確定：

1）根據(jù)配制強(qiáng)度以及JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》、GB/T 50476—2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》，計(jì)算試驗(yàn)混凝土力學(xué)性能和耐久性指標(biāo)，選定C50水下混凝土的水膠比為0.37，用水量175 kg/m3。

2）利用細(xì)磨礦物粉改善混凝土性能，礦物摻合料摻量控制在20%～30%范圍，經(jīng)過前期試配結(jié)果和以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，最終確定粉煤灰摻量為12%、礦渣粉摻量為10%。

3）根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，水下混凝土砂率過大或過小均會(huì)引起易泵性不佳或離析的問題，故本工程超深樁基C50水下混凝土的砂率控制在47%～52%。

4）利用高性能減水劑技術(shù)，優(yōu)化調(diào)整配方，保證拌和物流動(dòng)性、黏聚性和保坍性，控制混凝土凝結(jié)時(shí)間為10～12 h，并確定減水劑的摻量。

經(jīng)多次試驗(yàn)和優(yōu)化調(diào)整，最終確定了C50水下高性能混凝土施工配合比：水∶水泥∶礦渣粉∶粉煤灰∶細(xì)骨料∶粗骨料∶外加劑= 180∶413∶53∶63∶ 833∶868∶7.9，砂率為49%，水膠比為0.34，設(shè)計(jì)密度2 410 kg/m3。

根據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)配合比多次驗(yàn)證和試生產(chǎn)，結(jié)果表明C50水下混凝土流動(dòng)性、黏聚性和保坍性能良好，混凝土強(qiáng)度發(fā)展良好，3 d抗壓強(qiáng)度為42.6 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為69.8 MPa，28 d齡期混凝土抗?jié)B性能和抗氯離子滲透性能強(qiáng)，滿足超深樁基工程對(duì)混凝土強(qiáng)度、工作性能和耐久性的設(shè)計(jì)要求。

3 水下高性能混凝土的生產(chǎn)與施工

3.1 水下高性能混凝土生產(chǎn)質(zhì)量控制

1）原材料控制。生產(chǎn)前檢驗(yàn)原材料質(zhì)量及穩(wěn)定性，加強(qiáng)砂石的含水率檢測(cè)及外加劑適應(yīng)性驗(yàn)證，控制原材料中影響強(qiáng)度、耐久性和工作性的關(guān)鍵指標(biāo)。

2）生產(chǎn)過程控制。生產(chǎn)中根據(jù)原材料檢測(cè)結(jié)果調(diào)整配合比，考慮到運(yùn)輸途中有一定的坍落度損失，故須嚴(yán)格控制混凝土出廠工作性能，每一車混凝土都要檢測(cè)和易性，對(duì)不滿足超深水下澆筑施工要求的混凝土嚴(yán)禁出廠。

3）調(diào)度運(yùn)輸控制。超深水下樁基項(xiàng)目應(yīng)制訂規(guī)劃混凝土供應(yīng)和運(yùn)輸方案，根據(jù)澆筑進(jìn)度合理調(diào)配車輛和發(fā)料速度，以保證水下混凝土澆筑的連續(xù)性。

4）現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制?；炷吝\(yùn)到工地后，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)員應(yīng)先檢驗(yàn)混凝土狀態(tài)，合格后才能進(jìn)行澆筑施工。

3.2 水下混凝土澆筑施工質(zhì)量控制

1）水下混凝土采用導(dǎo)管法水下澆筑。導(dǎo)管應(yīng)平直且內(nèi)壁光滑平整，導(dǎo)管管徑應(yīng)與樁徑匹配，以免出現(xiàn)頂管現(xiàn)象或增加澆筑時(shí)間，對(duì)于φ800～1 500 mm的樁，導(dǎo)管內(nèi)徑宜為250 mm、壁厚不宜小于5 mm，底管長(zhǎng)度不宜小于4 m，導(dǎo)管采用絲扣連接，導(dǎo)管安裝后底部距離孔底宜為300～500 mm，導(dǎo)管在使用前應(yīng)進(jìn)行水密承壓試驗(yàn)。

2）在二次清孔并檢驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)合格后，應(yīng)立即澆筑混凝土。初灌量是超深樁基水下澆筑施工的關(guān)鍵，澆筑前須按一定的富裕系數(shù)計(jì)算首批混凝土用量?；炷脸豕嗔繎?yīng)滿足導(dǎo)管埋入混凝土深度大于0.8 m的要求，以保證混凝土將導(dǎo)管內(nèi)泥漿排出，實(shí)現(xiàn)水下封底。

3）澆筑過程應(yīng)控制好提拔導(dǎo)管速度，必須保證導(dǎo)管始終埋在混凝土內(nèi)，嚴(yán)禁將導(dǎo)管提出混凝土澆筑面，導(dǎo)管埋入混凝土深度宜為2～6 m。若導(dǎo)管埋入較深，會(huì)因頂升阻力加大而產(chǎn)生局部夾泥，或因混凝土泛出阻力較大，致上部混凝土澆筑不暢；若埋入過淺，則新澆筑的混凝土容易沖翻頂面，造成夾泥、斷樁等事故。

4）澆筑過程應(yīng)有專人負(fù)責(zé)測(cè)量導(dǎo)管埋深及混凝土澆筑面上升情況，并填寫水下混凝土澆筑記錄。水下混凝土應(yīng)控制最后一次澆筑量，超灌高度宜高于設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高1.0 m以上，樁身不得有頸縮現(xiàn)象，混凝土充盈系數(shù)應(yīng)控制在1.0～1.2之間。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)超高層建筑鉆孔灌注樁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工要求，通過采取針對(duì)性的控制措施，最終保障了施工效率和質(zhì)量。工程中共計(jì)澆筑C50水下混凝土約51 500 m3，工程成樁樁基經(jīng)超聲波檢測(cè)、低應(yīng)變動(dòng)測(cè)和鉆芯取樣等質(zhì)量檢測(cè)，表明樁身完整密實(shí)，無(wú)明顯結(jié)構(gòu)缺陷，靜載強(qiáng)度等均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，工程應(yīng)用質(zhì)量效果良好。