機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計及在滑模施工中的應(yīng)用

葉小魯，于 方

（1、中交第四航務(wù)工程局有限公司 廣州 510290；2、中交四航工程研究院有限公司 廣州 510230；3、水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通運輸行業(yè)重點實驗室 廣州 510230）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各類公路、鐵路、港口、跨海大橋等各類基礎(chǔ)設(shè)施都在加速建設(shè)，目前這些大型交通基礎(chǔ)設(shè)施均采用了水泥混凝土結(jié)構(gòu)，而天然河砂作為混凝土理想的細(xì)集料變得越來越緊缺，利用機(jī)制砂取代河砂也成為了必然趨勢?；炷辽a(chǎn)時利用機(jī)制砂取代河砂在美國、英國、日本等國家已有了數(shù)十年的歷史，積累了大量的經(jīng)驗。我國利用機(jī)制砂生產(chǎn)混凝土起步較晚，在河砂資源短缺地區(qū)的低強(qiáng)度等級混凝土結(jié)構(gòu)中已得到了利用。但目前機(jī)制砂的質(zhì)量控制指標(biāo)仍以經(jīng)驗為主，機(jī)制砂的生產(chǎn)設(shè)備及制砂流程還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致機(jī)制砂的質(zhì)量控制水平還較低［1-5］。此外，與河砂混凝土相比較，機(jī)制砂混凝土的配制技術(shù)整體還較落后，尤其是對于高強(qiáng)高性能混凝土配合比［6-11］。

本文基于機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計原則，提出了一種機(jī)制砂混凝土配合比。并應(yīng)用于某高速公路工程的空心薄壁墩結(jié)構(gòu)的滑模施工中，提出了機(jī)制砂混凝土應(yīng)用于滑模施工中的施工控制要點，可為類似工程實踐提供指導(dǎo)。

1 工程需求及分析

由于薄壁空心墩和高實心墩一般都較高，有的十幾米高，部分甚至高達(dá)十幾米，施工難度較大，所以在項目實施初期就需要擬定合理的施工工藝。目前常用的高墩施工主要采用翻模施工和滑模施工這兩種施工工藝。翻模施工其實就是大模板施工，通常由3層模板組成一個單元，以墩身作為支撐主體，上層模板支撐在下層模板上，循環(huán)交替澆筑混凝土。其結(jié)構(gòu)組成較簡單，主要包括了大模板、工作平臺和提升設(shè)備等。滑模施工是現(xiàn)澆混凝土、連續(xù)成型機(jī)械程度較高的施工工藝，其主要部件包括模板系統(tǒng)（包括內(nèi)外模板）、施工平臺系統(tǒng)（用于鋼筋綁扎、混凝土澆筑及振搗等）、提升架及提升系統(tǒng)（支撐桿、千斤頂、控制臺）以及施工控制系統(tǒng)等。無論是采用滑模施工還是翻模施工，均要求結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)形式單一、斷面尺寸無變化、無局部突出物等。

關(guān)于滑模施工與翻模施工的相關(guān)性能及優(yōu)缺點，國內(nèi)外已有相應(yīng)的文獻(xiàn)對這兩種不同的施工工藝進(jìn)行了比較 ，針對項目特點及不同的結(jié)構(gòu)形式，在保證施工質(zhì)量的前提下采用成本較低的施工工藝才是最優(yōu)選擇。

廣東省某高速公路TJ9合同段主線設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為雙向六車道，設(shè)計速度120 km/h，整體式路基。其中某大橋為本合同段的重點之一，大橋跨越村莊和山間溝谷。橋梁長度1.58 km，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土組合小箱梁，先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)體系。下部構(gòu)造橋墩采用柱式墩、空心薄壁墩配鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。大橋空心薄壁墩共18個，其中墩身最高達(dá)42 m。

基于項目的施工設(shè)備情況并結(jié)合當(dāng)?shù)氐氖┕l件，項目部擬定采用滑模施工工藝。典型的滑模施工流程如下：承臺鑿毛并清除松散混凝土→測量放線→綁扎鋼筋并焊接勁性骨架→模板拼裝加固→校正千斤頂并安裝爬桿→復(fù)核模板位置→報驗→混凝土澆筑，待下部混凝土達(dá)到一定的強(qiáng)度后控制臺操作千斤頂開始頂升模板并進(jìn)入下一個循環(huán)，周而復(fù)始不間斷施工。分析該流程可知，混凝土的凝結(jié)時間和強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律對滑模工藝的總耗時影響最大，是影響下道工序流水作業(yè)的關(guān)鍵點。

2 混凝土原材料及配合比設(shè)計

2.1 混凝土原材料

混凝土配合比主要原材料及性能如下：

⑴ 水泥。某品牌P·O42.5 水泥，氯離子含量0.018%，水泥的物理性能檢測指標(biāo)如表1所示。

表1 水泥物理性能檢測結(jié)果Tab.1 Cement Physical Performance Test Results

⑵粉煤灰。廣州黃埔某公司生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，粉煤灰的性能指標(biāo)為細(xì)度9.9%，需水量比101%，燒失量3.26%，密度2.32 g/cm3，SO3為1.30%，含水量為0.6%。

⑶粗骨料。清遠(yuǎn)某石場生產(chǎn)的石灰?guī)r三級配碎石，粒徑分別為4.75～9.50 mm、9.50～19.00 mm 和16.00～31.50 mm，比例為2∶6∶2，母巖抗壓強(qiáng)度達(dá)到了1.5倍的混凝土配制強(qiáng)度，無潛在堿-硅酸反應(yīng)危害，級配碎石的壓碎值為18.5%，松散堆積密度1 470 kg/m3，表觀密度2 600 kg/m3，吸水率1.0%。

⑷ 細(xì)骨料。清遠(yuǎn)某碎石加工場的水洗機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)3.2，Ⅱ區(qū)級配，表觀密 度2 600 kg/m3，含 泥 量1.0%，機(jī)制砂的石粉含量為8%，亞甲藍(lán)值低于1.0%。

⑸ 減水劑。廣州某公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，Na2SO4含量為1.4%，氯離子含量為0.005%，減水率為25%。

⑹水。飲用水。

2.2 混凝土配合比設(shè)計思路

混凝土配合比設(shè)計需要綜合考慮混凝土的強(qiáng)度等級、一次澆筑結(jié)構(gòu)體積的大小、鋼筋的疏密分布情況、澆筑和振搗工藝等需求，坍落度由輸送或運送距離的遠(yuǎn)近來加以控制，以結(jié)構(gòu)現(xiàn)場的拌合物情況為準(zhǔn)，確保混凝土在滿足施工要求的同時滿足耐久性要求，基于本工程的實際情況，設(shè)計坍落度為160～200 mm。

以往經(jīng)驗和資料表明，混凝土的水膠比和膠凝材料用量對混凝土的抗壓強(qiáng)度和耐久性影響最大，經(jīng)過前期的多次試拌，確定了混凝土的基準(zhǔn)水膠比為0.37。膠凝材料的總量及粉煤灰的比例也是影響混凝土強(qiáng)度、工作性和耐久性的重要因素。經(jīng)過不同膠凝材料體系混凝土的多次試拌，本次滑模施工擬采用的膠凝材料總量不宜超過460 kg/m3，粉煤灰摻量為10%～20%。

機(jī)制砂的比例和粗細(xì)程度影響到拌合物的工作性、收縮率和密實性等性能。根據(jù)滑模施工的坍落度要求和機(jī)制砂的質(zhì)量波動穩(wěn)定情況（機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)在3.0～3.4之間變動），砂率選取和調(diào)整范圍定在42%～47%?；炷僚浜媳葏?shù)的確定按絕對體積法計算［15］。

由于混凝土的凝結(jié)時間是影響滑模施工工藝整個工序流程和混凝土質(zhì)量的重要因素。根據(jù)施工現(xiàn)場的工序流程時間及模板高度，確定混凝土的凝結(jié)時間要求。即：初凝時間不低于3 h，終凝時間不超過6 h。通過試拌來確定減水劑中緩凝組分的比例。

2.3 混凝土配合比試拌

混凝土配合比的參數(shù)及混凝土性能如表2所示。

表2 滑模施工C45混凝土配合比與主要性能Tab.2 Slip Form Construction C45 Concrete Mix Ratio and Main Performance

分別對配合比開展試拌，通過對配合比參數(shù)的微調(diào)，最終對3 個配合比的對混凝土的工作性、凝結(jié)時間進(jìn)行觀察，結(jié)合其強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律和經(jīng)濟(jì)性原則，最終選擇了2 號配合比為施工配合比。2號配合比混凝土工作性如圖1所示。

圖1 新拌混凝土的工作性Fig.1 Workability of Fresh Concrete

3 質(zhì)量控制及工程應(yīng)用

3.1 混凝土施工質(zhì)量控制

混凝土結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量控制涵蓋了混凝土原材料質(zhì)量控制、與施工密切相關(guān)聯(lián)的機(jī)械質(zhì)量控制、現(xiàn)場混凝土入模環(huán)節(jié)控制，以及施工振搗工序控制等環(huán)節(jié)。

3.1.1 混凝土原材料控制

在實際施工中，材料的控制必須嚴(yán)格把關(guān)。特別是連續(xù)作業(yè)時間長、單次方量小的結(jié)構(gòu)物更需重視。

⑴減水劑檢驗合格投入使用時，應(yīng)統(tǒng)一堆放點，并遮蓋好，避免日曬雨淋，影響質(zhì)量。防止出現(xiàn)入場時檢驗合格，存放久了品質(zhì)變得不合格的減水劑，如使用了將直接影響到混凝土質(zhì)量。

⑵粗集料應(yīng)集中堆放，不混倉使用，并設(shè)遮陽防雨和排水設(shè)施，鏟車裝料應(yīng)離地面30 cm高，避免粗集料粉塵含量過高，影響混凝土質(zhì)量。對料倉離地面30 cm高的碎石，定期鏟出沖水清洗，確保粗集料粉塵含量。

⑶機(jī)制砂應(yīng)集中堆放，并設(shè)遮陽防雨和排水設(shè)施，不得混倉使用，避免水洗機(jī)制砂含水量波動過大，并對每批次入場的機(jī)制砂進(jìn)行石粉含量和亞甲藍(lán)指標(biāo)檢測，降低混凝土拌和控制難度。

⑷拌合用水應(yīng)設(shè)高于1.5 m 的儲水池，采用離底部30 cm 以上的水為拌合用水。季度性清潔儲水池，禁止亂丟生活垃圾與建筑材料進(jìn)儲水池，影響拌合用水質(zhì)量，從而影響混凝土質(zhì)量。在高溫季節(jié)生產(chǎn)的混凝土，當(dāng)混凝土出場溫度高于30 ℃時應(yīng)采用加冷卻水進(jìn)入拌合用水，從而降低混凝土出場及入模溫度。

⑸砂石上料時，鏟料應(yīng)同一部位，避免砂石料干濕度差距過大，如未留意和及時調(diào)整，將造成拌和物坍落度差距過大或離析等情況。

3.1.2 與施工密切相關(guān)聯(lián)的機(jī)械控制

⑴由于當(dāng)前混凝土采用高性能聚羧酸減水劑，對混凝土用水量較為敏感，因此需要精確度和穩(wěn)定性都較高的拌和系統(tǒng)。應(yīng)定期對稱料系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定及動態(tài)系統(tǒng)自校。確保稱料偏差符合《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)：GB 50164—2011》要求。

⑵混凝土的攪拌時間應(yīng)不低于120 s，讓其充分?jǐn)嚢杈鶆?，提高水泥漿與骨料的粘結(jié)力，從而提高混凝土強(qiáng)度。此外攪拌車的攪拌罐內(nèi)嚴(yán)禁積水，避免拌和料在攪拌車?yán)镌綌囋较　?/p>

3.1.3 現(xiàn)場混凝土入模環(huán)節(jié)控制

從拌合樓到施工現(xiàn)場有一定的距離，因此拌和物的坍落度、凝結(jié)時間指標(biāo)應(yīng)以現(xiàn)場實測值為主。

⑴在混凝土生產(chǎn)完應(yīng)在拌合樓進(jìn)行出場坍落度檢測，到了施工現(xiàn)場時應(yīng)進(jìn)行到場坍落度檢測，坍落度控制在160～200 mm（入模時）。在同一車料，應(yīng)進(jìn)行至少2 次的坍落度檢測，以混凝土坍落度損失不超過20 mm 作為出場前拌合物的控制指標(biāo)，以保證到達(dá)施工現(xiàn)場拌合物坍落度穩(wěn)定。

⑵采用攪拌運輸車運輸混凝土，途中應(yīng)以2～4 r/min的慢速進(jìn)行攪拌，卸載前應(yīng)以高速再次攪拌。在炎熱天氣時，混凝土入模溫度不宜高于30 ℃，當(dāng)檢測混凝土溫度高于30 ℃時，應(yīng)對攪拌車進(jìn)行出場、到場灑水降溫。混凝土到達(dá)現(xiàn)場，需進(jìn)行二次檢測，檢測合格方可進(jìn)行澆筑。

3.1.4 施工振搗工序的控制

⑴混凝土澆筑時分層均勻?qū)ΨQ澆筑，分層澆筑厚度約30 cm，澆筑后混凝土表面距模板上緣的距離宜控制在10～15 cm。后一層混凝土澆筑應(yīng)在前一層混凝土凝結(jié)前進(jìn)行，按照先長邊后短邊的布料順序，同時采用插入式振搗器進(jìn)行搗固。振搗器插入前一層混凝土的深度不應(yīng)超過5 cm，避免振搗器觸及鋼筋、爬桿和模板，禁止在模板滑升時振搗混凝土。

⑵滑模施工的混凝土初凝時間控制在4～5 h（根據(jù)工序流程時間調(diào)整），混凝土出模強(qiáng)度應(yīng)控制在0.2～0.4 MPa 范圍內(nèi)，在混凝土開始澆筑時取樣檢測（同條件檢測），在檢測結(jié)果達(dá)到出模強(qiáng)度后開始滑模，出?；炷帘砻嬗媚粗赴磯?，有輕微痕跡但不下陷不沾手，能夠按出0.5～1.0 mm深的手指印即可。

3.2 混凝土結(jié)構(gòu)表面修飾及養(yǎng)護(hù)

混凝土結(jié)構(gòu)滑模向上頂升過程中，由于模板的接縫不平或提升拉裂等情況，結(jié)構(gòu)表面可能出現(xiàn)凹凸不平或裂縫等缺陷，必須及時修補(bǔ)，用抹子抹平或用同等級的砂漿補(bǔ)平壓光。脫模后的混凝土及時修飾，修飾用的漿液采用混凝土原漿，不能采用配制的漿液。為使已脫?；炷撩婢哂羞m宜的硬化條件，防止發(fā)生裂縫。混凝土出模后6～8 h 根據(jù)水化熱情況進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，主要目的在于保持適宜的溫濕條件，以達(dá)到2個方面的效果：①使混凝土免受不利溫、濕度變形的侵襲，防止有害的冷縮和干縮；②使水泥水化作用順利進(jìn)行，以期達(dá)到設(shè)計的強(qiáng)度。同時在輔助盤上對脫?；炷撩孢M(jìn)行塑料薄膜包裹養(yǎng)護(hù)，塑料薄膜之間用透明膠進(jìn)行粘貼，確保包裹嚴(yán)實，并灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間不小于7 d?；Ｊ┕ぶ械幕炷帘”诙杖鐖D2所示。

圖2 滑模施工中的薄壁墩Fig.2 Thin-walled Piers in Slipform Construction

4 結(jié)論

本文介紹了機(jī)制砂混凝土的配制思路和配合比設(shè)計的原則，并分析了影響滑模施工工藝的主要影響因素。以廣東省某高速公路的高空心薄壁墩施工為例，介紹了機(jī)制砂混凝土在該滑模施工工程中的應(yīng)用情況，提出了針對該典型工程和工藝的混凝土配合比設(shè)計及施工質(zhì)量控制要求，主要結(jié)論如下：

⑴混凝土凝結(jié)時間和強(qiáng)度是影響滑模施工工藝的主要影響因素；

⑵提出了滑模施工工藝下機(jī)制砂混凝土的推薦配合比，推薦配合比如表3所示；

表3 滑模施工C45混凝土推薦配合比Tab.3 Recommended Mix Ratio of C45 Concrete for Slipform Construction

⑶滑模施工混凝土質(zhì)量控制是集混凝土原材料質(zhì)量控制、與施工密切相關(guān)聯(lián)的機(jī)械質(zhì)量控制、現(xiàn)場混凝土入模環(huán)節(jié)控制以及施工振搗工序為一體的綜合性系統(tǒng)工程。