地鐵車站鋼管柱樁超緩凝混凝土試驗研究

馮志紅

（中鐵十八局集團第四工程有限公司 天津 300222）

1 工程概況

地鐵某車站設計為地下四層島式站臺車站，雙柱框架結構，車站主體基坑支護設計中有鋼管柱及柱下擴孔灌注樁基；鋼管柱插入擴孔灌注樁中，形成鋼管柱樁；鋼管柱插入施工必須在擴孔灌注樁中的混凝土初凝前完成，鋼管柱安裝的時間較長，一般都會大于24 h，遇到特殊情況安裝時間還會延長，而普通混凝土初凝時間較短，一般為6～10 h，如果采用普通混凝土，其初凝時間將無法滿足施工要求，導致鋼管柱無法插入擴孔灌注樁混凝土中，造成破樁等問題，從而帶來人力、物力、財力的增加和工期延誤的損失，因此鋼管柱下擴孔灌注樁基混凝土必須采用超緩凝混凝土，這樣既滿足鋼管柱樁的施工時間要求，也滿足工程設計要求。

2 超緩凝混凝土的技術要求

超緩凝混凝土的技術要求包括：強度等級：C35；抗滲等級：P8；坍落度：180 mm±20 mm；初凝時間：不小于36 h；終凝時間：不大于42 h；水膠比：不大于0.4；最小膠材總量：不得小于360 kg/m3。

3 影響混凝土凝結時間的因素分析

（1）水泥品種。水泥品種對混凝土混合料的凝結時間有較大的影響。水泥中C3A、C3S的含量越高、細度越大、混合材含量越少，水泥凝結越快，相應混凝土混合料的凝結時間也越短。

（2）水灰（膠）比和單位用水量的影響。水灰（膠）比大，則水泥水化率略有加快，但水化產物需要填充的空間也明顯增大，因此水泥漿體的凝結時間延長。

（3）礦物摻合材。混凝土中所使用礦物摻合材對凝結時間的影響類似于水泥中所摻入的混合材，細小的摻合材微粒可以包覆水泥顆粒表面，并將水化產物彼此分開，因此具有降低水泥水化速度的作用。同等條件下，礦物摻合材的用量越大，混凝土的凝結時間越長，特別是采用大摻量粉煤灰的情況下可以考慮適量減少緩凝劑的計量。

（4）緩凝劑。緩凝劑的作用效果與摻量有很大關系，摻量越大，緩凝劑的緩凝效果越明顯，但過量使用會導致混凝土的凝結時間異常，出現長時間不凝或者效果相反出現速凝的狀況，因此，應根據水泥品種、礦物摻合材的品種與摻量、環境溫度濕度、施工要求等具體條件來調整緩凝劑的品種和用量。

（5）環境溫度濕度。水泥水化反應速度隨溫度的提高而明顯加快，水泥漿體和混凝土混合料的凝結時間也隨之縮短；此外高溫環境下拌合用水蒸發速度加快，也是引起混合料凝結時間縮短的原因之一。環境濕度的變化主要影響水分的蒸發速度，對水泥水化速度影響并不明顯。

4 超緩凝混凝土配合比設計思路

根據設計混凝土的等級和其他技術要求分析，該混凝土配合比設計應首先考慮初凝時間和強度等級滿足施工要求，即初凝時間不得小于36 h和混凝土強度不能低于35 MPa，因此，在原材料的選擇和設計混凝土配合比時應優先選用強度高質量好的水泥、緩凝時間符合要求的外加劑、摻加礦物摻和料以提高混凝土的后期強度為目的；其次，優化配合比的設計，使混凝土空隙率最小，達到抗滲等級的要求。

混凝土配合比設計應根據工程使用年限、環境條件和施工工藝進行設計，為保證施工質量，混凝土的配合比選用要比設計強度適當提高，總體設計思路如下：首先根據工程水文地質條件、設計要求、規范標準等相關要求，確定混凝土最大水膠比及最小膠材用量；其次根據環境條件和施工工藝以及現有原材料的相關情況，進行配合比的基本設計；另外混凝土配合比應以節約成本、保護環境、可持續發展為基礎，應能滿足工作、力學、耐久性等相關性能及要求。

5 原材料的選擇與檢驗

（1）水泥。選用本地產的P.O 42.5級水泥，其性能指標為：3 d的水化熱為240 kJ/kg；7 d的水化熱為270 kJ/kg；比表面積為340 m2/kg。各項指標檢驗結果見表1，其均滿足普通混凝土的配制要求。

表1 普通P.O 42.5級水泥的檢驗結果

（2）粉煤灰。選用F類II級粉煤灰，需水量比98%。添加粉煤灰能使混凝土的后期強度顯著提高。其檢驗結果見表2，經檢測符合配置普通混凝土的要求。

表2 F類II級粉煤灰檢測結果

（3）礦粉。選用S95級礦粉，比表面積為425m2/kg。采用礦物摻合料添加技術，到達降低水泥用量、節約成本的作用。其物理化學檢驗結果見表3，均滿足普通混凝土的配制要求。

表3 S95礦粉檢測結果

（4）細骨料。河砂應選擇級配良好、干凈、細度適中、非堿活性骨料，含泥量應不大于1%。表觀密度為2.58 kg/m3，堆積密度為1.57 kg/m3，泥污含量為0.8%。河砂的檢測結果見表4，均滿足普通混凝土的配制要求。細度模數2.60，符合2區粗細程度：中砂。（5）粗骨料。碎石應顆粒形狀圓潤、級配良好、針片狀少、干凈、含泥量不大于1%、非堿活性、石粉含量不大于4%的良好碎石。碎石表觀密度為2.140 kg/m3，堆積密度為1.58 kg/m3，泥污含量為

表4 河砂顆粒級配（累計篩余）檢測結果

0.5%，針片狀含量為3.5%壓碎指標為3.9%。配合比采用兩級配骨料，比例為5～10 mm：10～20 mm=2:8。防止混凝土因堿活性、含泥等因素產生混凝土開裂的問題。碎石的檢測結果見表5，均滿足普通混凝土

的配制要求。

表5 碎石檢測結果

（6）外加劑。選用聚羧酸系高性能緩凝型減水劑，其性能指標為：初凝時間36 h，終凝時間42 h，密度為1.060 g/m3 ，PH值為4.02。其高性能緩凝型減水劑檢測結果見表6，其指標符合國家標準要求，滿足普通混凝土的配制要求。

表6 高性能緩凝型減水劑檢測結果

（7）水。攪拌用水優先選用市政自來水，嚴禁使用海水和其他污水。其中水的pH值應大于4，水中的氯離子含量不能超過200 mg/L，硫酸根離子的含量不得超過0.25%。

6 超緩凝混凝土配合比設計

6.1 混凝土基準配合比設計

設計圖要求混凝土最大水泥用量450 kg/m3，最大水膠比不得大于0.45，最小膠材總量不得小于340 kg/m3；首先按照JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規程》要求進行配合比設計，通過理論計算確定C35混凝土基準配合比；然后按Ⅱ類環境設計，其滲透水對混凝土結構有弱侵蝕性，對鋼筋混凝土結構具有微侵蝕性；最后結合本項目工程設計使用年限為100年，擴孔灌注樁采用C35超緩凝耐久性混凝土等相關要求標準，通過數學計算、材料試配、調整配合比，最終得出三組配合比進行混凝土性能研究，得出的超緩凝配合比見表7。

表7 混凝土基準配合比

6.2 混凝土配合比的工作性能檢測

根據GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》，分別對編號為P1、P2、P3的混凝土基準配合比進行和易性和坍落度性能檢測，檢測結果見表8。通過試驗結果分析比較，編號P2的混凝土配合比和易性良好，粘度適中，流速快，混凝土的工作性能優于其他兩組。

表8 混凝土的性能檢測

6.3 緩凝型外加劑對混凝土凝結時間的影響

表9 緩凝型外加劑試驗檢測結果

通過以上試驗，選擇試配P2為超緩凝混凝土凝結時間的基準配合比。超緩凝混凝土的重中之重，就是選擇外加劑。，一般來說，不同的緩凝劑效果是不同的,要根據混凝土緩凝劑說明書做試樣,確定實際緩凝效果。外加劑中的緩凝成分、外加劑本身的凝結時間和外加劑的摻量對外加劑凝結時間有明顯的影響。試驗采用混凝土貫入阻力法對不同摻量緩凝型外加劑的混凝土凝結時間進行檢測。其檢測結果見表9。根據表9分析得出，外加劑摻量為1.4%時，最符合施工要求。

6.4 緩凝型外加劑對混凝土強度的影響

通過以上試驗，得出C35超緩凝混凝土的配合比為：C:S:G1:G2:K:F:Y:W=320:752:214:854:50:60:6.2:156。

C35超緩凝混凝土的抗壓強度與普通C35混凝土的強度進行對比試驗。結果見表10。

表10 抗壓強度檢測表

根據表10所示，C35超緩凝混凝土和普通C35混凝土的抗壓強度對比發現，緩凝劑會對混凝土1～7 d早期強度有所降低，但對后期強度的正常發展并無影響。所以說超緩凝外加劑對混凝土的抗壓強度基本沒有產生影響。

7 結語

C35超緩凝混凝土配合比采用C:S:G1:G2:K:F:Y:W=320:752:214:854:50:60:6.2:156。經過現場反復檢測和計算，C35超緩凝混凝土的初凝時間大于36 h，終凝時間小于42 h。從現場施工來看，每根鋼管柱都能在30 h內施工完畢，1.4%摻量的C35超緩凝配合比初凝時間滿足了施工現場需要。在實際生產過程中，嚴格控制原材料的進場質量，嚴格檢測超緩凝混凝土的和易性、坍落度等技術指標，生產的C35超緩凝混凝土，滿足了設計和現場施工要求，保障了地鐵鋼管柱樁的順利施工，為以后類似的地鐵超緩凝混凝土施工提供了經驗參考。