隧道工程咬合樁C30超緩凝混凝土的研制與應用

黃海珂，武海輪，陳景，王斌和

（中建西部建設西南有限公司，四川 成都 610052）

0 前言

隨著城市建設的發展和地下空間的開發利用，鉆孔咬合樁圍護作為一種新型圍護結構形式，在深圳、廣州、北京、寧波等城市的市政、地鐵工程中廣泛應用，施工工藝也日趨成熟[1-3]。近年來，在寧波下穿工程中，選用水泥—粉煤灰—礦粉體系，摻入高效緩凝泵送劑，配制出凝結時間為 64h 的 C15 超緩凝混凝土[4]；在杭州地鐵工程中，選用水泥—粉煤灰體系，摻入超緩凝劑，配制出凝結時間為 80h 的 C20 超緩凝混凝土[5]。但是，關于超緩凝混凝土的耐久性以及養護條件對緩凝劑作用效果的研究則較少。咬合樁適用于淤泥、流砂、富水等不良地層，具有對地層擾動小、噪聲小、成孔垂直度高、抗滲能力強等優點[6-9]。成都市區地層一般呈現典型的上軟下硬二元結構，上部為黏土，底部為卵石層，地下水豐富，在開挖過程中，質量控制難度高，容易引發工程事故[10]。

目前，在成都地區鉆孔咬合樁應用極少，本文就成都雙鐵站前下穿工程咬合樁技術要求，通過對原材料優選、配合比優化以及混凝土性能（工作性能、力學性能、耐久性能）檢測，研究了 C30 超緩凝混凝土的制備技術，在該工程成功應用，并形成超緩凝混凝土生產質量控制技術措施，為此類工程在本地區的施工提供參考。

1 工程概況

成都犀浦雙鐵站前下穿隧道為雙向六車道，總長1690m，其中暗埋段長 1250m，設犀浦站過街下穿通道一座，總長 100m?？紤]到成都地區上軟下硬二元結構以及地下水豐富，在靠近高鐵線路一側，選用鉆孔咬合樁作為下穿隧道的深基坑圍護結構，其優點是：配筋率低，大大降低原材料成本；樁間不存在施工縫，抗滲能力強；施工靈活，能夠更好地適應設計要求。根據現場地質條件以及施工組織安排，確定超緩凝混凝土應滿足相關指標：混凝土初凝時間不低于 60h，不高于 72h；坍落度應控制在 180～200mm，擴展度大于 450mm；3d 強度不大于 3MPa，28d 強度滿足設計要求。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料及其性能

（1）水泥：拉法基 P·O42.5R 水泥，技術性能指標見表1。

表1 水泥基本性能指標

（2）粉煤灰：成都Ⅰ級粉煤灰，需水量比小于95%，細度小于 12%，符合國標 GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》。

（3）拌合水：為地下水和自來水混合使用，符合國家現行標準 JGJ 63—2006《混凝土拌合用水標準》。

（4）機制砂與碎石：砂的含泥量、泥塊含量、細度模數、級配等均符合國標 GB/T 14684—2011《建設用砂》；碎石為 5～31.5mm 連續級配碎石，其含泥量、泥塊含量、級配、壓碎指標等均符合 GB/T 14685—2011《建設用卵石、碎石》。

（5）外加劑：減水劑為中建 ZJC-01 聚羧酸高性能減水劑，固含量 10%～12%；超緩凝劑為 Sika Retardol-25。

2.2 試驗方法

（1）坍落度與擴展度測試方法，混凝土初凝與終凝時間，均參照 GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》 。

（2）混凝土 3d、28d 抗壓強度測試方法，參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》。

（3）混凝土的收縮性能、抗裂性能、抗氯離子滲透性能以及抗凍性能，參照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能與耐久性能試驗方法》及 JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性檢驗評定標準》。

3 試驗結果與分析

3.1 配合比設計

針對超緩凝混凝土技術要求，選用以下途徑來優化配合比性能：采用大摻量優質粉煤灰，摻量控制在60～100kg/m3；選用高性能減水劑與性能穩定的超緩凝劑。參考混凝土配合比設計及外加劑相關標準，并結合我司以往的試配與生產經驗，選擇三個主要影響因素：用水量、緩凝劑摻量以及粉煤灰摻量，對每個因素選擇3 個水平（因素水平表如表2 所示），進行正交試驗，并對本考核指標進行測試，其結果如表3 和 4 所示。摻量。根據工程質量要求以及經濟性，最佳的組合為A1B2C2。首先，從凝結時間上看，不宜太長或太短，緩凝劑摻量應控制在1.8%；隨著用水量增大，混凝土強度降低明顯，在用水量為 160kg/m3時，評價強度為43.6MPa。粉煤灰摻量變化對于強度與凝結時間的影響較其他兩個因素小，但是它對于改善新拌混凝土工作性能以及后期耐久性能非常明顯，并考慮到成都地區粉煤灰生產質量波動較大，選定本試驗粉煤灰摻量為 20%。

表2 正交試驗因素與水平

表3 正交試驗及其考核指標試驗結果

表4 正交試驗結果極差分析

由表3 所示，本次試驗主要考核的性能指標包括有：凝結時間、3d 及 28d 抗壓強度。從表4 中極值數據可以看出：影響混凝土凝結時間的主次順序是緩凝劑摻量、用水量、粉煤灰摻量；影響 3d 抗壓強度的主次順序是凝結時間、用水量、粉煤灰摻量；影響 28d抗壓強度的主次順序是用水量、緩凝劑摻量、粉煤灰

然而，本工程施工正值夏季，成都地區多雨，晝夜溫度變化大，對緩凝劑作用效果影響較大。針對不同養護條件，試驗緩凝劑摻量對混凝土凝結時間的影響，如圖1 所示。其中，標準養護是指養護溫度為(20±2)℃、濕度不小于 95%；16℃ 養護是指養護溫度為 (16±2)℃、濕度不小于 95%；自然養護是指放置在自然環境中，覆膜養護（該試驗時間段環境溫度為25～35℃）。

圖1 不同養護條件與緩凝劑摻量對凝結時間的影響

圖1 表明，隨著緩凝劑摻量提高，混凝土的凝結時間延長；不同環境條件對同摻量混凝土凝結時間影響不同，其中 16℃ 養護條件能夠延長混凝土凝結時間，自然養護條件下混凝土凝結時間縮短。隨著溫度的增大，混凝土凝結時間降低，這主要是由于較高溫度使膠凝材料的水化速度加大以及緩凝劑作用效果降低。因此，根據本試驗結果以及成都地區夏季溫度變化，為保證超緩凝混凝土凝結時間，緩凝劑摻量宜選用在 1.9%。

綜合分析其考核指標以及成都地產生產質量控制水平，確定本工程基準配合比如表5 中 S1 所示。然而，由于目前對超緩凝耐久性能研究較少，本文通過超緩凝混凝土與普通混凝土（S0）耐久性試驗結果對比分析，便于指導生產施工應用過程中質量控制。

3.2 工作性能與力學性能

摻入或未摻入緩凝劑混凝土工作性能與力學性能試驗結果如表6 所示，其中，摻入緩凝劑的混凝土工作性能與未摻混凝土工作性能差別不大，強度降低，混凝土凝結時間延長，能滿足工程質量要求；兩組混凝土勻質性好、不泌水離析，具有良好的施工性能；與普通混凝土 28d 強度相比，超緩凝混凝土強度降低 9%，仍能滿足設計要求。

表5 C30 超緩凝混凝土生產指導配合比

表6 混凝土工作性能與力學性能試驗結果

3.3 耐久性能

本試驗的耐久性能包括混凝土的干燥收縮、早期開裂、抗氯離子滲透性能以及抗凍性能。

3.3.1 干燥收縮與早期開裂

摻入或未摻入緩凝劑混凝土的各齡期干燥收縮如圖2 所示。當摻入緩凝劑，會增大混凝土的干燥收縮率，其 3d 與 7d 的收縮率較未摻入緩凝劑增長了 42% 和46%。這主要是由于摻入緩凝劑延長了混凝土的凝結時間，導致混凝土在塑性狀態下自由水向外界蒸發，增加混凝土內毛細孔張力和加劇混凝土早期收縮。

圖2 摻入與未摻入超緩凝劑對不同齡期收縮的影響

摻入或未摻入緩凝劑混凝土早期抗裂性能試驗結果如表7 所示。與普通混凝土相比，超緩凝混凝土的最大裂縫寬度與單位開裂面積增加，開裂風險增大。其中，超緩凝混凝土 7d 的最大裂縫寬度為 0.28mm，單位開裂面積為 290mm2/m2，比同齡期普通混凝土提升了 22%與 53%。在風吹和低溫的條件下，混凝土在塑性階段的水分蒸發速度較快，早期收縮顯著增加，單位開裂面積增加。

表7 混凝土開裂試驗結果

3.3.2 抗氯離子滲透系數

表8 是摻入或未摻入緩凝劑混凝土抗氯離子滲透性能試驗結果。超緩凝混凝土 28d 電通量為 469C，比普通混凝土 28d 電通量增加了 13%，均能滿足 Q-V:＜500。緩凝劑的摻入延緩了混凝土的凝結時間，孔隙率相應增加，會降低混凝土的抗氯離子滲透性。

表8 混凝土抗氯離子滲透性能試驗結果

3.3.3 抗凍性能

本試驗采用慢凍法，測試結果表明：超緩凝混凝土（S1）抗凍等級為 F200，普通混凝土（S0）抗凍等級為 F125。與普通混凝土相比，其強度損失較快，抗凍性下降明顯。這主要是由于緩凝劑的摻入，延長了混凝土凝結時間，早期塑性階段，水分蒸發過多，導致混凝土內部出現連通孔隙，降低混凝土抗凍性。

4 質量控制與工程應用

4.1 質量控制措施

由于咬合樁對超緩凝混凝土各方面性能要求高，控制難度大，為保證混凝土施工質量，必須全過程控制混凝土質量，包括原材料、混凝土生產與運輸、混凝土澆筑、混凝土養護及混凝土過程監測等各個環節。

針對質量波動較大的機制砂，每車抽驗關鍵指標，不合格的退掉；由于摻入超緩凝劑，為確?；炷恋木鶆蛐?，攪拌時間要較普通混凝土延長 30s；混凝土到現場后，應盡快灌注，避免現場等待時間過長，混凝土工作性能損失或緩釋，影響混凝土質量；灌注過程中保證連續性，中間間隔時間不能太長，應控制在 2h 之內；及時關注天氣變化情況，調整混凝土配合比及外加劑摻量。

4.2 應用效果

該混凝土自 2014 年 4 月起開始應用于成都犀浦雙鐵站前下穿工程，累計共生產 3000 余方。實際生產與現場取樣表明：混凝土工作性能良好，施工順利，質量穩定，各項性能指標滿足設計要求。超緩凝混凝土的凝結時間得到有效控制，提高開挖成樁效率，加快施工進度，能夠滿足工程項目部施工安排，保證工程質量。

5 結論

（1）試驗研究表明：選用水泥—粉煤灰體系，摻入適宜的超緩凝劑，能夠制備出初凝時間為 68h，工作性能良好，力學性能與耐久性能滿足設計要求的超緩凝混凝土；隨著養護環境溫度的提升，混凝土凝結時間變短；當初凝時間為 68h 時，與普通混凝土相比，超緩凝混凝土 28d 強度降低 9%，7d 收縮與開裂分別增大約46% 和 53%，抗氯離子滲透系數增大 13% 及混凝土抗凍等級降低。

（2）工程應用表明：超緩凝混凝土性能要求高，質量控制難，從生產到施工應采用全過程控制，優選性能穩定的原材料，現場施工組織安排合理，密切監控天氣環境變化，從而保證混凝土性能滿足要求。

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