長、大直徑樁基高性能混凝土設計與優化探討

趙興華

0 引言

長、大直徑樁基混凝土配合比設計考慮的重點在于混凝土的保坍性能和擴展度的保留，而不僅僅在于初凝時間的長短。室內配制的混凝土，對于大方量水下混凝土實際現場施工時，為保證連續澆筑和較快的速度，仍需繼續優化，與一般水下混凝土配合比設計有所不同。本文以廣西河池至百色高速公路第五合同段丘莫大橋長、大直徑樁基施工為依托，通過對樁基水下混凝土配合比設計與優化，克服了長、大直徑樁基水下灌注對混凝土性能要求高，澆筑時間長的不利因素，成功實現了大方量水下樁基混凝土的順利澆筑。

1 長、大直徑樁基大方量水下混凝土配制要點

1.1 長、大直徑樁基水下混凝土施工的特點

(1)水下混凝土澆筑時間長。以直徑D=3.4 m，樁長H=52 m，水下灌注混凝土方量480 m3為例，連續澆筑時間長達10～12 h，這對混凝土的保坍性能提出了很高的要求。

(2)連續澆筑，澆筑速度快。施工組織比一般樁基水下混凝土灌注更為嚴格。不允許出現諸如便道不暢通、混凝土澆筑不順暢(上下抖動導管)的情形。對直徑D=300 mm導管，可達到每小時施工40～45 m3左右，是一般普通小樁基水下混凝土無法比擬的。

(3)拆除導管速度快。其導管埋深比小樁基水下混凝土深，前提是混凝土黏性要小，從而提高施工速度的灌注效率。但埋深過大，會增加施工的風險。

1.2 大方量水下混凝土配制要點

1.2.1 對原材料要求高

水泥采用等級比較高的42.5級以上的水泥。28 d抗壓強度宜≥48 MPa，砂盡可能采用河砂，細度模數值宜在2.6～2.9之間，且不摻外加劑混凝土試驗時河砂需水量要正常。某些需水量很大的河砂，對于不摻外加劑C30混凝土，坍落度210 mm時，每方混凝土需水量高達290～300 kg/m3，遠超正常值240～250 kg/m3。采用機制砂時，細度模數宜在2.7～3.1，亞甲藍MB值控制在1.4以內，應采用比相應河砂更高的砂率。粉煤灰嚴格控制在Ⅱ級以上時使用。

1.2.2 對混凝土粘度及工作性能要求高

混凝土黏度也代表混凝土的工作性能，黏度過高的混凝土會粘貼導管壁，使水下混凝土澆筑速度變慢。導致混凝土黏度大的因素有：

(1)水泥與外加劑適應性不相匹配。

(2)外加劑減水率過大，以及外加劑(主要指聚羧酸)分子量的大小。

(3)集料特別是細集料含泥量大，機制砂亞甲藍MB值過大，含粉量大。

(4)某些摻合料如礦粉或不合格的粉煤灰也可能使混凝土黏度過大。

(5)混凝土初始坍落度宜控制在200～220 mm，在條件滿足的情形下盡可能在上限220 mm，擴展度控制在500～600 mm。

(6)水灰比在高性能混凝土偏上限，水量大，但膠材也多，盡可能降低黏度。當與擴展度產生矛盾時，宜追求低黏度且使擴展度在規范的范圍內。

(7)室內20 ℃條件下，坍落度4 h損失30～40 mm，4 h時坍落度仍可檢測在180 mm左右，擴展度損失100～150 mm。坍落度保留主要通過外加劑配方的調整來實現。這比一般小樁基水下混凝土坍落度保留的要求嚴格。

1.2.3 C30水下大方量混凝土配制

設計要求與普通混凝土配合比設計規范要求相同；混凝土黏度控制：黏度測試采用倒坍落度法。如表1所示。

表1 C30水下大方量混凝土設計配合比表

水泥采用河池市東蘭縣虎鷹P.O 42.5水泥，28 d水泥膠砂抗壓強度≥48 MPa。砂采用當地河砂，細度模數Mx=2.4～2.5，需水量大，配制C30不摻外加劑混凝土，坍落度為220 mm時，每方用水量高達295 kg/m3。限于當地條件，采用此種河砂需外加劑減水率高，砂率Sp=44%，(試驗采用砂率Sp=42%時，實際澆筑混凝土時需上下抖動導管，施工不流暢)，混凝土黏度測試38 s。表2是不同外加劑摻量，通過用水量微調，使坍落度相同時的混凝土測試記錄。

表2 坍落度相同時不同外加劑摻量混凝土測試記錄表

表2數據表明：外加劑摻量越高，減水率越大，混凝土黏度(倒坍落度筒測試)越大，倒坍落度筒測試混凝土流出時間越長。在合適的外加劑摻量及砂率的情況下，存在最小的黏度值，使混凝土工作性能及配制強度滿足設計要求。最終實際施工配合比調整為：混凝土28 d抗壓強度40.2 MPa，黏度26 S，初始坍落度220 mm，擴展度550 mm，如表3所示。

表3 C30水下大方量混凝土實際施工配合比表

1.2.4 室內坍落度、擴展度損失控制

坍落度及擴展度損失本質上是通過外加劑來控制的，外加劑組分的調整是改變混凝土坍落度及擴展度損失的重要方式。即使已經調整好配方的外加劑，其摻量的大小以及砂石材料與膠材的改變也可影響坍落度及擴展度損失。這是長、大直徑樁基大方量水下混凝土設計與優化重點要考慮的內容，直接影響到水下樁基灌注的成敗。

1.2.4.1 混凝土初凝時間的控制及測定

混凝土初凝時間長，坍落度保留效果好，長時間澆筑水下混凝土才可以正常進行。但應該注意的是，混凝土初凝時間長，只是長、大直徑樁基大方量水下混凝土設計時考慮的最基本的要素，《橋涵施工技術規范》對此也有具體的規定。

混凝土初凝時間、水下樁基方量、連續澆筑時間以及實際測定混凝土初凝時間(采用混凝土貫入阻力儀)如表4所示。

表4 實際測定混凝土初凝時間對比表

經咨詢外加劑生產專業人員，混凝土初凝時間的調整可以通過外加劑中的緩凝劑數量大小改變，每種含量都有嚴格的限制，均以水泥及膠材量的數量為基準加入。片面追求混凝土初凝時間過長，會造成混凝土的強度降低。

1.2.4.2 室內坍落度及擴展度損失控制

主要通過緩釋型聚羧酸含量的多少以及恰當的引氣劑或消泡劑等來綜合改變坍落度和擴展度損失，以長、大直徑樁基(φ3.4 m，H=52 m)水下混凝土調整過程為例，如表5所示。

表5 室內坍落度及擴展度損失控制表

實際混凝土澆筑結果表明，遠在混凝土初凝時間之前，首盤混凝土已不能通過正常的水下運動過程返至樁基頂面。初凝時間只是必要的條件，而坍落度與擴展度保留是大方量混凝土澆筑至關重要的因素。

混凝土坍落度及擴展度保留在室內(20 ℃)與水下的情況不同，雖然目前還無法通過一套裝置來準確模擬長、大直徑樁基混凝土在水下的運動軌跡。根據樁基施工經驗初步可判定長、大直徑樁基混凝土與小樁基不同之處：首盤剪球的混凝土未全部返回至樁基頂面，部分混凝土會停留在樁基一定深度的位置；混凝土返至樁基頂部的能力比小樁基混凝土強一些，但也有一定的時間界限。充分體現了長、大直徑樁基大方量混凝土的低黏度、高坍落度保留密不可分，如表6所示。

表6 長、大直徑樁基與小樁基混凝土施工技術指標對比表

2 長、大直徑樁基高性能混凝土的優化原則

(1)以長時間的坍落度及擴展度保留為原則。對于大方量的水下混凝土，室內20 ℃，4 h后坍落度損失僅為40 mm。

(2)低黏度混凝土為原則。倒坍落度筒流出時間一般不超出30 s。

(3)外加劑摻量最多采用設計正常摻量。不允許采用提高外加劑摻量的方法提高混凝土擴展度，這種方法會提高混凝土的黏度，不利于混凝土的澆筑。

(4)條件允許的情況下，采用比室內稍大1%～2%砂率的水下混凝土更有利于連續澆筑，從而提高澆筑效率，縮短澆筑時間，盡量規避澆筑時間過長的風險。

(5)當采用稍小外加劑摻量以改善混凝土黏度時，必須提高相應膠材(增加水泥漿)用量，以保證混凝土的強度，同時保證外加劑組分仍然可以實現足夠的坍落度與擴展度保留。

3 結語

人類資源日益匱乏，用于工程混凝土的砂、碎石等合格原材料尤為突出。通過優化高性能混凝土配合比，能有效解決長、大直徑樁基對大方量水下混凝土高性能的特殊要求。雖比常規小樁基水下普通混凝土成本略有增加，但通過配合比設計與優化增強了混凝土對原材料的適應性，縮短了長、大直徑樁基大方量水下混凝土的澆筑時間，有效保證了混凝土澆筑質量。

[1]田克平.公路橋涵施工技術規范[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]JG/T223-2007，聚羧酸系高性能減水劑[S].