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(shè)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(xiāng)市原陽縣黃河北岸灘涂地內(nèi)。

本橋梁樁基礎(chǔ)采用摩擦樁設(shè)計，主要樁徑為φ1.5 m，φ1.8 m，φ2 m，樁長在55 m～90 m范圍內(nèi)。地質(zhì)以粉質(zhì)砂性土為主，環(huán)境為碳化環(huán)境T3、化學(xué)侵蝕環(huán)境H1。樁身混凝土采用C40水下耐久性混凝土，混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)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(qū)春季干燥多風(fēng)，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(huán)回旋鉆成孔為主，采用導(dǎo)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(xiàn)場導(dǎo)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(xù)、不間斷施工，這就要求配合比設(shè)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(chǎn)生冷縫、孔洞、夾渣分離及斷樁現(xiàn)象。[2]

夏季施工時，環(huán)境溫度最高達40度左右，本標段內(nèi)細長鉆孔樁較多，單樁灌注混凝土方量大，灌注持續(xù)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(fēng)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(shè)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(shè)計、工作性能以及凝結(jié)時間等方面入手，開展混凝土配合比設(shè)計工作 。

細長鉆孔樁水下混凝土配合比設(shè)計路線和技術(shù)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(yōu)質(zhì)粉煤灰代替部分水泥作為膠凝材料，并通過優(yōu)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?shù)纳奥剩_?；炷辆哂辛己玫暮鸵仔院洼^長的初凝時間，以保證樁基的質(zhì)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(wèi)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(guān)鍵性的影響。本工程選用南陽唐河中砂，細度模數(shù)為 2.9，級配范圍屬于Ⅱ區(qū)，含泥量1.2%。

粗骨料：本工程選用衛(wèi)輝市天然資源5～25 mm連續(xù)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(yīng)性。

3.2 配合比設(shè)計

根據(jù)施工環(huán)境、施工工藝以及施工規(guī)范要求，C40水下混凝土試配強度為54.2 MPa，結(jié)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(huán)境條件為T3、L1環(huán)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(diào)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(jié)果及分析

3.3.1 基本性能

試配的3組混凝土均表現(xiàn)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(jié)果

從表2的結(jié)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(yīng)，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(jié)過程中水化熱釋放速度減慢 ，從而有助于推遲凝結(jié)時問，隨著粉煤灰摻量的提高，水泥用量相應(yīng)降低，凝結(jié)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(huán)境，所以混凝土56 d的電通量指標和氯離子擴散系數(shù)指標均應(yīng)滿足規(guī)范要求，同時設(shè)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(shù)據(jù)我們可以發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻量越大，電通量和氯離子擴散系數(shù)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(nèi)，填充孔隙和毛細孔 ，從而改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)和增大密實度 ，優(yōu)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(jié)果[5]

根據(jù)規(guī)范要求，當混凝土處于氯鹽環(huán)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(shè)計強度，所以綜合施工規(guī)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(zhì)量控制

嚴格、正確的施工是把設(shè)計變成優(yōu)質(zhì)構(gòu)件的保證，精確配置，精心施工，才能達到所要求的預(yù)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(guān)對粉煤灰、減水劑等容易引起混凝土質(zhì)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(guī)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(wěn)定。同時每工作班對砂石料的含水率進行測定，根據(jù)測定結(jié)果及時調(diào)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(tǒng)進行全量程校準，當出現(xiàn)計量誤差超標，操作人員及時進行調(diào)整、檢校?；炷涟韬瓦^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(diào)整為180s，確?；炷翑嚢杈鶆颉?.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(jié)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?；炷凉嘧⑦^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(nèi)混凝土的上升，及時提升或拆除導(dǎo)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(zhì)量十分重要，因此必須做好灌注過程的施工組織。

5 結(jié) 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(xiàn)場施工過程，是保證鉆孔樁水下混凝土質(zhì)量的關(guān)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(fā)生較大的鉆孔樁質(zhì)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(zhì)量良好。