水下灌注樁機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)及應(yīng)用

吳文凱

(北京金河水務(wù)建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 102206)

0 引 言

在天然河砂資源日漸匱乏的情況下，機(jī)制砂因資源豐富、品質(zhì)可控、價(jià)格穩(wěn)定等優(yōu)勢而在工程領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。機(jī)制砂主要通過對(duì)巖石除土開采、機(jī)械破碎、篩分而得到，其顆粒粗糙、棱角多、級(jí)配差異大。水下灌注樁機(jī)制砂混凝土主要借助一定落差及自身重力，在密封且連通的導(dǎo)管內(nèi)流動(dòng)至初灌混凝土下方，頂托初灌混凝土上升，并最終形成結(jié)構(gòu)均勻密實(shí)的灌注樁樁身[1]。這就要求水下灌注樁機(jī)制砂混凝土必須具備較好的均勻性、穩(wěn)定性、抗離析性、流動(dòng)性以及導(dǎo)管輸送性。而由于機(jī)制砂材料自身的性能特征，機(jī)制砂水下流動(dòng)性混凝土的配置存在一定技術(shù)難度，所以，必須從原材料選擇、配合比設(shè)計(jì)、泵送及施工等方面加強(qiáng)水下灌注樁機(jī)制砂混凝土質(zhì)量控制。

1 工程概況

中堤泵站位于大寧調(diào)蓄水庫中堤側(cè)，四湖一線循環(huán)泵站南側(cè)。中堤泵站是河西支線工程梯級(jí)泵站的第1級(jí)提升泵站，將大寧調(diào)蓄水庫的水加壓提升至園博泵站。泵站設(shè)計(jì)流量10.0m3/s，泵站位于庫區(qū)內(nèi)，其第5標(biāo)段的施工內(nèi)容主要包括圍堰填筑、防滲墻、鋼筋混凝土地下連續(xù)墻、土方開挖及施工期間基坑安全監(jiān)測維護(hù)檢修等。進(jìn)水池及主廠房地基處理型式為C30鋼筋混凝土灌注樁，樁徑1.2m，樁長度8m，間距4m，數(shù)量約350根。該標(biāo)段鉆孔灌注樁作為進(jìn)水池和主廠房主體結(jié)構(gòu)的地基加固項(xiàng)目，承擔(dān)著結(jié)構(gòu)及設(shè)備等的所有荷載，因此鉆孔灌注樁的施工質(zhì)量非常重要。

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 原材料

1)膠凝材料。水下灌注樁機(jī)制砂混凝土必須具備高黏聚性、高流動(dòng)性、低泌水性，為此，選用粉煤灰或者粒化高爐礦渣粉并與水泥形成良好級(jí)配，以延緩水化放熱過程，提升混凝土保水性能和工作性能。具體而言，水泥主要使用海螺P.O42.5水泥，3d和28d抗壓強(qiáng)度分別為27.3MPa和50.9MPa，初凝時(shí)間不早于2.5h；粉煤灰采用工程所在地H電廠生產(chǎn)的細(xì)度23.8%、活性指數(shù)74%、需水量99%的F類Ⅱ級(jí)粉煤灰。

2)骨料。粗細(xì)骨料粒徑、級(jí)配等對(duì)水下機(jī)制砂混凝土性能影響較大。粗骨料針片狀顆粒含量越高、粒徑越大、單級(jí)配，則越容易造成混合料中粗集料的堆積，并使混合料流動(dòng)阻力增大，該工程粗骨料最大粒徑不應(yīng)大于導(dǎo)管內(nèi)徑的1/6-1/8以及鋼筋最小凈距的1/4，且≤40mm。機(jī)制砂是近年來自然資源開采受限后所出現(xiàn)的替代品，機(jī)制砂因顆粒形狀粗糙、尖銳且多棱角、石粉含量高，在應(yīng)用于流動(dòng)性混凝土?xí)r很容易引發(fā)離析、泌水?？梢酝ㄟ^摻加適宜的石粉以改善混凝土混合料的流變性，根據(jù)石粉含量與混凝土混合料抗壓強(qiáng)度的關(guān)系(見圖1)，應(yīng)將石粉含量控制在7.0%。細(xì)砂則使用漳浦產(chǎn)整形機(jī)制砂，無針片狀，且表面粗糙、顆粒尖銳、細(xì)度模數(shù)3.0，石粉含量3%、整體壓碎值18%的Ⅱ區(qū)中砂[2]。

圖1 石粉含量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線

3)外加劑?？紤]到水下灌注樁機(jī)制砂混凝土流動(dòng)性較大，存在較大的離析傾向，為保證混凝土在高流動(dòng)性下不發(fā)生泌水、離析，并能保證良好的塌落度，故該工程選用當(dāng)?shù)亟ú墓旧a(chǎn)的減水率22%的緩凝型聚羧酸高效減水劑。

2.2 配置思路

水下灌注樁機(jī)制砂混凝土所使用的原材料與普通混凝土大同小異，最主要的區(qū)別在膠凝材料、骨料用量不同而使其具備更高的保水性、流變性及抗離析性等方面。為此在配置過程中，應(yīng)調(diào)整骨料級(jí)配，使骨料空隙減小，增大骨料間水泥漿層厚度，從而使混凝土內(nèi)水泥漿數(shù)量顯得較多；同時(shí)還應(yīng)提高砂率，因?yàn)樯皾{量為水泥漿與細(xì)骨料之和，提高砂率就意味著砂漿量的提高，以更好地填充粗骨料空隙[3]。最后，通過粗細(xì)骨料及膠凝材料的搭配使原材料和外加劑具備較好的相容性，進(jìn)而提升混凝土混合料的黏聚性、保水性、流動(dòng)性及和易性，使其具備較好的塌落度保持性能，避免水下混凝土離析，形成均勻密實(shí)的結(jié)構(gòu)。

2.3 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-2008)的規(guī)定，在粉煤灰及礦粉摻量分別為16%和23%時(shí)，選擇三組不同配合比展開對(duì)比試驗(yàn)，具體見表1。

表1 三組不同配合比設(shè)計(jì)方案

與普通混凝土所不同，水下灌注樁機(jī)制砂混凝土對(duì)混合料性能有更高要求，故單純采用普通混凝土性能測試技術(shù)和指標(biāo)很難滿足水下灌注樁機(jī)制砂混凝土性能檢測要求，為此，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)及施工現(xiàn)場均以塌落度、塌落擴(kuò)展度及T500時(shí)間組合等指標(biāo)進(jìn)行水下灌注樁機(jī)制砂混凝土性能檢測與控制。按照此原則，對(duì)三個(gè)方案混凝土混合料進(jìn)行擴(kuò)展度、塌落度、流動(dòng)性、保水性、黏聚性等性能指標(biāo)的檢測，結(jié)果見表2。根據(jù)表中試驗(yàn)結(jié)果，以混合料初始工作性能以及3h后工作性能均為最佳為判斷標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)當(dāng)選擇方案B為水下灌注樁機(jī)制砂混凝土生產(chǎn)配合比。

表2 不同配合比水下灌注樁機(jī)制砂混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果

3 水下灌注樁混凝土灌注施工

考慮到該工程水下灌注樁機(jī)制砂混凝土灌注施工工期緊、工程量大，為保證施工過程順利展開，必須加強(qiáng)混凝土試配、運(yùn)輸及施工過程控制。

3.1 水下灌注樁機(jī)制砂混凝土制配

為保證現(xiàn)場混凝土混合料較好的和易性、流動(dòng)性、黏聚性，應(yīng)將塌落度保持在200-220mm范圍內(nèi)，塌落擴(kuò)展度則控制在550-650mm之間，擴(kuò)展時(shí)間應(yīng)保持在4-6s。水下灌注樁機(jī)制砂混凝土對(duì)含水量十分敏感，故應(yīng)在拌制期間加強(qiáng)含水量測定與控制，防止因混合料和易性、流動(dòng)性等波動(dòng)較大而影響灌注施工質(zhì)量?；旌狭铣跄龝r(shí)間應(yīng)控制在8-10h之間，并根據(jù)灌注樁體量、運(yùn)輸時(shí)間及灌注施工時(shí)間等作出相應(yīng)調(diào)整。

水下灌注樁機(jī)制砂混凝土攪拌時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長，以保證外加劑成分能充分釋放并發(fā)揮作用。機(jī)制砂擁有相對(duì)較高的石粉含量及不規(guī)則的顆粒粒型，這也要求其攪拌時(shí)間應(yīng)略長于普通混凝土，至少為60s。

水下灌注樁機(jī)制砂混凝土灌注施工必須綜合考慮澆筑速率、運(yùn)輸距離及時(shí)間，確保連續(xù)供料，防止因供料時(shí)間延長而使混合料工作性能損失，引發(fā)灌注過程中堵管、卡管、斷樁。

3.2 水下混凝土灌注

在灌注開始前準(zhǔn)備導(dǎo)管、漏斗、儲(chǔ)料斗及隔水栓等機(jī)具，并進(jìn)行導(dǎo)管拼裝、試壓、密封性試驗(yàn)及混凝土灌注設(shè)備性能檢查，導(dǎo)管試水壓力應(yīng)控制在0.6-1.0m。導(dǎo)管由無縫鋼管制成，導(dǎo)管管壁厚度≥3mm，直徑230mm，灌注施工開始前，應(yīng)保證導(dǎo)管底部和孔底預(yù)留250-400mm空間，提升導(dǎo)管時(shí)不能掛靠鋼筋籠。

混凝土混合料運(yùn)輸至灌注施工點(diǎn)后必須再次檢查塌落度、和易性等工作性能，塌落度不超出180-220mm，首批混凝土灌注前儲(chǔ)料斗內(nèi)混凝土儲(chǔ)量應(yīng)能使灌注后導(dǎo)管埋入混凝土內(nèi)的深度達(dá)到1.0m以上。灌注施工開始后必須勻速無間斷灌注，并在規(guī)定范圍內(nèi)控制導(dǎo)管拆除的間隔時(shí)間，及時(shí)測定灌注孔內(nèi)混凝土液面高度。灌注期間一旦出現(xiàn)堵管，應(yīng)小幅度上下活動(dòng)導(dǎo)管，避免使用振搗設(shè)備敲擊導(dǎo)管或暴力拔管，若處理無效，則按照設(shè)計(jì)要求及時(shí)拔除導(dǎo)管及鋼筋籠，清孔后重新吊裝鋼筋籠、導(dǎo)管，恢復(fù)混凝土灌注。

4 結(jié) 論

綜上所述，水下灌注樁屬于隱蔽性較強(qiáng)的工程，其施工質(zhì)量也受到諸多因素的影響，而混凝土工作性能無疑是最為重要的因素之一。機(jī)制砂因表面粗糙、棱角多，能使混凝土強(qiáng)度顯著提升，但不利于配制水下高流動(dòng)性灌注混凝土，同時(shí)由于機(jī)制砂粉末含量較高，會(huì)使混凝土收縮性能增大，不利于混凝土耐久性及穩(wěn)定性。而通過選擇低堿水泥、專用外加劑及石粉含量適中的機(jī)制砂材料，同時(shí)摻加礦物摻合料及高效減水劑，便能配制出流動(dòng)性和強(qiáng)度等工作性能良好的水下灌注樁機(jī)制砂混凝土，為水下灌注樁施工質(zhì)量控制提供保證。