細長鉆孔樁水下混凝土試驗研究及施工控制

相軍濤

(中鐵二局五公司，四川 成都 610000)

1 工程背景

鄭濟鐵路黃河特大橋設計為公鐵兩用橋梁，上層為快速公路，下層為四線鐵路(高速鐵路和市域鐵路)。本橋梁位于河南省新鄉市原陽縣黃河北岸灘涂地內。

本橋梁樁基礎采用摩擦樁設計，主要樁徑為φ1.5 m，φ1.8 m，φ2 m，樁長在55 m～90 m范圍內。地質以粉質砂性土為主，環境為碳化環境T3、化學侵蝕環境H1。樁身混凝土采用C40水下耐久性混凝土，混凝土結構的設計使用年限為100年。[1]

2 鉆孔樁自密實混凝土施工工藝及重難點

本地區春季干燥多風，夏季炎熱多雨，秋季秋高氣爽，冬季寒冷干燥。年平均氣溫15.1℃，累年極端最低氣溫-11℃，極端最高氣溫42.5℃，冬夏季溫差達50度以上，地表水和地下水對混凝土具有L1氯鹽侵蝕性。鉆孔樁施工采用反循環回旋鉆成孔為主，采用導管法進行水下混凝土的灌注。鉆孔樁耐久性混凝土施工要求高，混凝土采用攪拌站集中拌和，罐車運送、現場導管澆筑，施工方式采用自密實澆筑成型。施工過程每根樁的灌注要連續、不間斷施工，這就要求配合比設計不僅要保證有足夠的強度，更要有良好的工作性能以及合適地初凝時間，才能充分地保證樁身混凝土不產生冷縫、孔洞、夾渣分離及斷樁現象。[2]

夏季施工時，環境溫度最高達40度左右，本標段內細長鉆孔樁較多，單樁灌注混凝土方量大，灌注持續時間長，單樁灌注混凝土最大方量超過300 m3，單樁灌注最長時間超過5 h，對混凝土工作性要求特別高，灌注風險較大。如果混凝土初凝時間較短、工作性較差就會影響施工操作，造成堵管，浪費人力物力，還容易造成樁身夾泥、夾砂，甚至造成斷樁事故。因此，在混凝土配合比的設計中，高溫條件下混凝土的初凝時間是重點考慮因素，由于單樁最長灌注時間超過5 h，再加上運輸時間，混凝土的初凝時間必須控制在7h以上。為保證細長鉆孔樁混凝土順利施工，必須從組成混凝土的各種原材料、強度設計、工作性能以及凝結時間等方面入手，開展混凝土配合比設計工作 。

細長鉆孔樁水下混凝土配合比設計路線和技術指標：為提高混凝土的耐久性，改善混凝土的工作性能，采用大摻量優質粉煤灰代替部分水泥作為膠凝材料，并通過優選高性能減水劑，盡可能降低混凝土的水膠比，同時選擇適當的砂率，確保混凝土具有良好的和易性和較長的初凝時間，以保證樁基的質量。

3 C40鉆孔樁水下混凝土配制

3.1 原材料選擇

水泥：本工程選用衛輝春江P.O 42.5低堿水泥，堿含量0.54%，C3 A含量6.23%，實測3天抗折強度為6.2 MPa，28天為9.3 MPa；3天抗壓強度為30.3 MPa，28天為55.1 MPa。

粉煤灰：粉煤灰不僅可以改善混凝土的流動性，還可以降低混凝土水化熱 ，增加混凝土的密實性。本工程選用山西陽城Ⅱ級粉煤灰，細度19.3%、需水量比98%、燒失量4.82%。

細骨料：細骨料的顆粒級配和含泥量對樁基混凝土的流動性具有關鍵性的影響。本工程選用南陽唐河中砂，細度模數為 2.9，級配范圍屬于Ⅱ區，含泥量1.2%。

粗骨料：本工程選用衛輝市天然資源5～25 mm連續級配碎石，其中5～10 mm碎石與10～25 mm碎石比例為3∶7互摻。

外加劑 ：本工程選用山西金盾苑建材有限公司JDY-02型聚羧酸減水劑，該型減水劑具有減水率高、坍落度損失低等特點，并與本工程所用水泥和礦物摻合料具有較好的適應性。

3.2 配合比設計

根據施工環境、施工工藝以及施工規范要求，C40水下混凝土試配強度為54.2 MPa，結合混凝土耐久性和自密實施工高流動性要求，水膠比不能過大，否則影響混凝土耐久性，也不能過小，否則影響混凝土自密實性能，同時考慮到樁身混凝土所處環境條件為T3、L1環境，初步確定混凝土水膠比為0.36，在膠凝材料和用水量及砂率相同的情況下，通過調整摻合料的摻量(粉煤灰摻量分別為膠凝材料的25%、30%、35%)來比較混凝土的工作性能、強度指標及耐久性能。[3]表 1給出了試配的 3組混凝土的配合比，各配合比的堿含量均小于3.0 kg/m3，氯離子總含量均小于膠凝材料總量的0.10%。

表1 試配混凝土配合比

3.3 配合比試驗結果及分析

3.3.1 基本性能

試配的3組混凝土均表現出良好的粘聚性和保水性能，表2為試配混凝土拌和物的坍落度 、擴展度、含氣量以及硬化混凝土的抗壓強度。

表2 拌合物基本性能試驗結果

從表2的結果來看，隨著混凝土膠凝材料中粉煤灰摻量的提高，混凝土初始坍落度增大，120 min坍落度損失也明顯降低，混凝土的流動性越好，這說明由于粉煤灰的微珠效應，大摻量粉煤灰可明顯改善混凝土拌合物的工作性能；另一方面粉煤灰的摻入取代了部分水泥，使得混凝土在凝結過程中水化熱釋放速度減慢 ，從而有助于推遲凝結時問，隨著粉煤灰摻量的提高，水泥用量相應降低，凝結時間也逐漸延長。

3.3.2 耐久性能

由于本工程鉆孔樁混凝土處于L1侵蝕環境，所以混凝土56 d的電通量指標和氯離子擴散系數指標均應滿足規范要求，同時設計中也明確要求C40混凝土配合比中混凝土彈性模量須不小于3.4×104 MPa。通過觀察以上數據我們可以發現粉煤灰摻量越大，電通量和氯離子擴散系數越小，說明粉煤灰可以明顯改善混凝土抗氯離子滲透性能 ，這是由于粉煤灰中微細顆粒均勻分布在水泥漿體內，填充孔隙和毛細孔 ，從而改善混凝土的孔結構和增大密實度 ，優化混凝土性能，從而提高其耐久性。

表3 拌合物耐久性能試驗結果[5]

根據規范要求，當混凝土處于氯鹽環境下且水膠比小于等于0.40時，粉煤灰摻量范圍為30%～50%。[4]由于C40-3配合比中56 d強度為53.6 MPa，達不到設計強度，所以綜合施工規范要求及混凝土各項指標要求，配合比選定為C40-2方案。

4 水下混凝土質量控制

嚴格、正確的施工是把設計變成優質構件的保證，精確配置，精心施工，才能達到所要求的預期性能。在鉆孔樁施工中重點做了以下控制：4.1嚴把原材料進場驗收關對粉煤灰、減水劑等容易引起混凝土質量波動的原材料實行車檢制度。每批減水劑進場時除了檢測規范要求的指標之外，同時還對該批減水劑進行配合比驗證，滿足混凝土工作性能之后方允許進場；每車粉煤灰均進行細度、需水比、燒失量檢測，同時用顯微鏡觀測粉煤灰玻璃微珠含量，如圖1所示，以確保混凝土工作性能穩定。同時每工作班對砂石料的含水率進行測定，根據測定結果及時調整施工配合比。圖1 顯微鏡觀測粉煤灰玻璃微珠含量4.2混凝土拌和每周對粉料、液料及粗細骨料稱進行一次使用量程校準 ，每月對所有稱量系統進行全量程校準，當出現計量誤差超標，操作人員及時進行調整、檢校。混凝土拌和過程中按骨料稱量精度誤差不大于± 2%，粉料、液料稱量精度誤差不大于± 1%的要求進行嚴格控制。每盤混凝土凈攪拌時間保持在120s，當進入冬季施工時，凈攪拌時間調整為180s，確保混凝土攪拌均勻。4.3混凝土運輸混凝土采用罐車運輸至澆筑地點，每輛罐車罐體外部覆蓋篷布，這樣在夏季高溫季節施工時可有效避免混凝土在運輸過程中溫度升高而造成坍落度損失，當進入冬季施工時又可以對混凝土起到保溫作用，確保混凝土在澆筑之前不受凍。4.4 混凝土灌注在灌注水下混凝土之前，再次對樁孔的各項指標進行檢測，同時檢測混凝土坍落度、溫度、含氣量等指標，符合灌注要求后方允許灌注混凝土。混凝土灌注過程中，出料口必須埋在已澆注部分的混凝土中至少2m以上，并不大于6m。隨著孔內混凝土的上升，及時提升或拆除導管。在控制混凝土初凝時間的同時，必須合理地加快灌注速度，這對提高混凝土的灌注質量十分重要，因此必須做好灌注過程的施工組織。

5 結 論

控制水膠比，提高粉煤灰摻量，可有效改善水下混凝土的工作性能、初凝時間和耐久性能；嚴格控制原材料、混凝土拌和及現場施工過程，是保證鉆孔樁水下混凝土質量的關鍵。

截止2020年1月1日，本標段共計完成鉆孔樁施工4607根，累計澆筑水下混凝土方量60余萬方，未發生較大的鉆孔樁質量事故，共完成樁基檢測4607根，其中Ⅰ類樁4519根，占比98.1%，Ⅱ類樁88根，占比1.9%，樁基施工質量良好。