超深防滲墻塑性混凝土制備及應(yīng)用技術(shù)研究

穆清君 ，程書凱 ，劉書程 ，孫曉偉 ，田曉川

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430040；3.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040）

0 引言

中交二航局襄陽市魚梁洲沉管隧道項(xiàng)目為漢江上的首座沉管隧道，其東汊干塢采用國內(nèi)最大規(guī)模臨江岸堤軸線干塢格型地連墻結(jié)構(gòu)作為臨江富水沉管干塢塢門處江堤防護(hù)結(jié)構(gòu)。地連墻深度方向采用“鋼筋混凝土+素混凝土”組合結(jié)構(gòu)，干塢面積大，基礎(chǔ)透水性強(qiáng)，防滲墻墻體材料的選擇是施工的一個難點(diǎn)。同時，東汊干塢止水墻深度在65～70 m（含70 m）的段落長度約791 m，70～76 m的段落長度約950 m。如此超深基坑防滲墻對塑性混凝土原材料選擇、制備、施工等技術(shù)提出了巨大挑戰(zhàn)。為了保證良好的施工質(zhì)量和防滲性能，采用柔性塑性混凝土防滲墻施工是非常有效的一個方式[1-3]，可以在很大程度上降低施工成本，保證良好的經(jīng)濟(jì)效益。另外，塑性混凝土還能克服普通混凝土防滲墻與周圍土體間容易產(chǎn)生較大變形差的缺點(diǎn)[4-8]。

根據(jù)襄陽魚梁洲區(qū)域地質(zhì)勘探資料，施工場地有大量的粉細(xì)砂和黏土。根據(jù)塑性混凝土設(shè)計(jì)要求，因地制宜，就地取材，利用豐富的砂土資源生產(chǎn)防滲墻實(shí)體工程，既可以節(jié)約造價，又能減少對天然砂的消耗，達(dá)到了節(jié)省投資、縮短工期、保護(hù)環(huán)境的目的。

1 原材料選擇及技術(shù)指標(biāo)

1.1 原材料選擇

水泥為湖北三峽葛洲壩水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5水泥，初凝時間185 min，終凝時間245 min，比表面積330 m2/kg，燒失量為4.28%，密度為3.02 g/cm3，28 d抗壓強(qiáng)度為48.5 MPa。粉煤灰為湖北華電襄陽發(fā)電有限公司生產(chǎn)的二級粉煤灰，根據(jù)DL/T 5055—2007《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》對粉煤灰細(xì)度、需水量比、燒失量、含水率進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明粉煤灰符合Ⅱ級粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)要求。填充料選用魚梁洲地表粉砂及粉質(zhì)黏土。外加劑選用中交二航武漢港灣材料有限公司塑性混凝土專用外加劑。水采用魚梁洲地下水，質(zhì)量應(yīng)符合拌制混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 塑性混凝土性能指標(biāo)

根據(jù)DL/T 5150—2017《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》及SL174—2014《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范》[9]，塑性混凝土性能要求見表1所示。

表1 塑性混凝土性能指標(biāo)Table 1 Performance indexesof plastic concrete

2 塑性混凝土配合比設(shè)計(jì)及優(yōu)化

2.1 配合比設(shè)計(jì)依據(jù)

依據(jù)《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范》要求，通過初步配合比設(shè)計(jì)，原材料比選設(shè)計(jì)、配合比綜合性能比選優(yōu)化設(shè)計(jì)等步驟，確認(rèn)了本工程止水地連墻塑性混凝土配合比。

2.2 塑性混凝土初步配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)國內(nèi)外塑性混凝土調(diào)研結(jié)果，針對塑性混凝土不同的配合比選取10組進(jìn)行試驗(yàn)研究，初步設(shè)計(jì)工況及試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 塑性混凝土初步設(shè)計(jì)配合比Table 2 Mix proportion of plastic concrete

通過塑性混凝土初步設(shè)計(jì)結(jié)果分析可知，制備的塑性混凝土抗壓強(qiáng)度及密度雖基本滿足塑性混凝土性能指標(biāo)要求，但工作性能較差，主要表現(xiàn)在混凝土流動度超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，黏度較大，無法滿足現(xiàn)場灌注施工工藝要求。必須引入部分改善材料，以提高和改進(jìn)混凝土的工作性能。

2.3 塑性混凝土綜合性能比選優(yōu)化

通過前期塑性混凝土采用不同設(shè)計(jì)思路試驗(yàn)結(jié)果，塑性混凝土的水泥用量及砂土比例的關(guān)系，對塑性混凝土的強(qiáng)度、流動度、滲透系數(shù)等性能有很大的影響。為了改善塑性混凝土的強(qiáng)度和工作性能，提高混凝土抗?jié)B能力，塑性混凝土砂占砂土的比例宜控制在20%～70%，并摻適量的專用外加劑和粉煤灰調(diào)整其工作性能，滿足現(xiàn)場施工需要。

2.3.1 減水劑摻量對塑性混凝土性能影響

表3為摻減水劑塑性混凝土配合比，圖1為減水劑摻量對塑性混凝土性能影響。由圖1（a）可知，隨著外加劑摻量增加，塑性混凝土流動性逐漸增大，而密度表現(xiàn)出先增大后降低趨勢，如外加劑摻量分別為11%和12%時，塑性混凝土密度均超過1.8 g/cm3，當(dāng)減水劑摻量為13%時，塑性混凝土流動性最大，此時塑性混凝土密度卻低于1.8 g/cm3。因此，減水劑摻量不宜過大。圖1（b）可看出，隨著減水劑摻量增加，塑性混凝土28 d強(qiáng)度表現(xiàn)出一定的降低，此時，塑性混凝土28 d強(qiáng)度范圍在2.8～3.7 MPa，均能滿足設(shè)計(jì)要求。同時，由圖1（c），塑性混凝土抗?jié)B系數(shù)隨著減水劑摻量增大而增加。綜合分析，外加劑適宜摻量為11%。

表3 摻減水劑塑性混凝土配合比Table 3 Mix proportion with water reducing agent of plastic concrete

圖1 減水劑摻量對塑性混凝土性能影響Fig.1 The effect of the amount of water reduction on plastic concrete performance

2.3.2 粉煤灰摻量對塑性混凝土性能影響

表4為摻粉煤灰塑性混凝土配合比，圖2為粉煤灰摻量對塑性混凝土性能影響。由圖可知，粉煤灰摻量在5%～30%的范圍內(nèi)變化時，塑性混凝土拌和物的流動性先增大后減小，塑性混凝土密度表現(xiàn)出一定的波動性。除了30%摻量粉煤灰外，各組塑性混凝土密度均在1.77～1.81 g/cm3之間。另外，隨著粉煤灰摻量逐漸增大，塑性混凝土抗?jié)B系數(shù)表現(xiàn)先降低后增大趨勢：塑性混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。雖然混凝土后期強(qiáng)度滿足要求，但強(qiáng)度保證率無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。綜合分析來看，塑性混凝土中粉煤灰摻量不宜過高，具體摻量應(yīng)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)一步研究。

表4 摻粉煤灰塑性混凝土配合比Table 4 Mix proportion with fly ash of plastic concrete

圖2 粉煤灰摻量對塑性混凝土性能影響Fig.2 The effect of the amount of fly ash on theperformance of plastic concrete

2.4 塑性混凝土配合比確定

經(jīng)過多次的配合比試驗(yàn)，摻入粉煤灰雖然能改善塑性混凝土拌合物的流動性，但塑性混凝土密度小，28 d抗壓強(qiáng)度低，難以保證塑性混凝土施工質(zhì)量。根據(jù)塑性混凝土綜合性能比選優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，結(jié)合混凝土性能設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，塑性混凝土中不加入粉煤灰，最終確定塑性混凝土配合比如表5所示。

表5 塑性混凝土不同配合比結(jié)果Table 5 Results of different mix proportion of plastic concrete

經(jīng)過多次的配合比比對試驗(yàn)及綜合性能驗(yàn)證，止水地連墻塑性混凝土PC-11、PC-12和PC-13號配合比，根據(jù)不同的砂土比例組合得到的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)，均能滿足塑性混凝土設(shè)計(jì)性能指標(biāo)要求，可用于止水地連墻塑性混凝土施工。為了保證塑性混凝土施工質(zhì)量，在正式施工過程中須控制以下環(huán)節(jié)：1）砂占砂土材料的比例控制在20%～70%范圍；2）混凝土密度控制在1.80～1.90 g/cm3；3）混凝土流動度控制在（35±5）s；4）塑性混凝土在開盤施工前，應(yīng)準(zhǔn)確檢測砂土比例及含水率，嚴(yán)格控制混凝土配合比各種原材料用量，根據(jù)砂土比例檢測結(jié)果選取合理的理論配合比指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證

在大量室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，東汊干塢選定了首段槽段DCZSQ-S52為試驗(yàn)槽段，進(jìn)行塑性混凝土的澆筑，以驗(yàn)證該工藝的可行性。在施工齡期滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求后，在該槽段不同深度處進(jìn)行了鉆芯取樣分析，并進(jìn)行了降水滲透性試驗(yàn)檢測。通過施工過程取樣或制備試件及成槽后的鉆芯取樣試驗(yàn)驗(yàn)證表明，在該配合比情況下，墻體材料于各深度處均勻良好，芯樣完整且連續(xù)，各項(xiàng)檢測指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)及施工要求。

在首段槽段施工完成并經(jīng)相關(guān)試驗(yàn)檢測，初步驗(yàn)證該塑性混凝土滿足施工工藝及設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上。開展了東汊干塢地連墻的正式施工，為進(jìn)一步驗(yàn)證該材料的穩(wěn)定性，對部分已施工且齡期滿足設(shè)計(jì)要求的槽段，進(jìn)行了鉆芯取樣分析，并在施工過程中隨機(jī)抽取樣品進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，結(jié)果如表6所示。

表6 正常施工槽段塑性混凝土檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 6 The statistical table of plastic concrete detection data for normal construction grooves

由表6可知，在正常大規(guī)模施工階段，該塑性混凝土性狀穩(wěn)定，與前期首節(jié)槽段施工時所檢測參數(shù)結(jié)果相符。進(jìn)一步驗(yàn)證了該塑性混凝土對于本工程的適用性，同時對于類似項(xiàng)目的施工有著可靠的參考與借鑒意義。

4 結(jié)語

1）塑性混凝土流動性和滲透系數(shù)隨專用減水劑摻量增大而增加，抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出一定降低，密度波動范圍較小，專用減水劑適宜摻量為11%；

2）摻入粉煤灰后對塑性混凝土流動性表現(xiàn)出先增大后降低，滲透系數(shù)表現(xiàn)為先降低后增大趨勢，同時降低了塑性混凝土早期和后期抗壓強(qiáng)度，雖然能滿足設(shè)計(jì)要求，但后期強(qiáng)度保證率較低，建議粉煤灰摻量不宜過高，應(yīng)根據(jù)施工情況進(jìn)一步分析；

3）設(shè)計(jì)塑性混凝土砂占砂土材料的比例控制在20%～70%范圍，密度控制在1.80～1.90 g/cm3，流動度控制在（35±5）s，現(xiàn)場施工均能滿足沉管止水墻性能要求。