水運(yùn)工程鉆孔灌注樁水下混凝土配合比設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究

林錦榕

（福州潮洋工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，福建 福州 350001）

水下混凝土配合比設(shè)計(jì)是鉆孔灌注樁施工的重要環(huán)節(jié)，直接影響到灌注樁的質(zhì)量。鉆孔灌注樁施工之初，對(duì)水下混凝土配合比的準(zhǔn)確掌握，對(duì)于后續(xù)的施工和后期的質(zhì)量保證都有重要作用[1]。因此，在水運(yùn)工程建設(shè)中，鉆孔灌注樁水下混凝土配合比設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究具有重要意義。

1 工程概況

某水運(yùn)工程位于福建地區(qū)，已建成3萬t級(jí)碼頭和5萬t級(jí)碼頭，設(shè)計(jì)通過能力合計(jì)220萬t，擬沿已建成的兩個(gè)泊位前沿線，向西順延新建2個(gè)泊位及配套的陸域設(shè)施。碼頭平臺(tái)采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，平臺(tái)總長(zhǎng)402 m，寬35 m。排架間距9.85 m，共44榀，每榀排架設(shè)置6根Φ1 250 mm 灌注樁。平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)由疊合面板、前邊梁、預(yù)應(yīng)力軌道梁、縱梁、后邊梁、橫梁和樁帽組成。

2 水下混凝土配合比的控制要點(diǎn)

2.1 原材料要求

2.1.1 水泥

水泥是水下混凝土的主要成分，是控制水下混凝土強(qiáng)度和耐久性的關(guān)鍵要素之一。水下混凝土所用水泥可采用礦渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥、普通硅酸鹽水泥或硅酸鹽水泥，理論強(qiáng)度值應(yīng)在42.5 MPa以上。在碼頭水下混凝土配比設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)具體使用環(huán)境選擇合適的水泥類型。本次選擇普通硅酸鹽水泥。

2.1.2 粗細(xì)骨料

骨料是碼頭水下混凝土中另一個(gè)重要的組成部分。水泥與骨料的黏結(jié)情況，將影響水下混凝土的強(qiáng)度和耐久性。在碼頭水下混凝土的配合比設(shè)計(jì)中，應(yīng)選擇經(jīng)過篩分良好、顆粒均勻、無影響混凝土強(qiáng)度和耐久性的雜質(zhì)的高質(zhì)量骨料[2]。粗、細(xì)集料應(yīng)選用連續(xù)級(jí)配標(biāo)準(zhǔn)的集料，細(xì)骨料應(yīng)選擇使用中粗砂，粗骨料的最大粒徑不大于導(dǎo)管內(nèi)徑的1/6,混凝土的輸送管的1/3和鋼筋凈距的1/4。

2.1.3 粉煤灰

加入適量的粉煤灰可以改善混凝土的流動(dòng)性、減少水泥使用量，提高水下混凝土的抗壓性能和耐久性。該配合比粉煤灰選用滿足F類Ⅱ級(jí)指標(biāo)要求的粉煤灰。如何調(diào)整粉煤灰摻量，也是本研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

2.1.4 減水劑

水下混凝土添加適量的減水劑可在混凝土制備過程中減少水泥的使用量，并且提高混凝土的流動(dòng)性，降低混凝土成本，提高混凝土強(qiáng)度和耐久性。本研究配合比選用某品牌聚羧酸高性能減水劑，推薦摻量為1.5%。

2.2 配比設(shè)計(jì)

根據(jù)JTS 202—2011《水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范》要求，水下混凝土的施工配置強(qiáng)度要比設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值提高40%～50%，當(dāng)摻減水緩凝劑或粉煤灰時(shí)，最小凝膠用量應(yīng)為300 kg/m3，坍落度控制為160 ～220 mm。本工程水下混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C35。本研究取試配強(qiáng)度較設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值提高40%，即49 MPa。根據(jù)配合比計(jì)算程序，初始配合比水泥用量為320 kg/m2，粉煤灰用量為80 kg/m3，膠凝材料用量為400 kg/m3,粗集料用量為1 071 kg/m3，細(xì)集料用量為763 kg/m3時(shí)，減水劑用量為5.12 kg/m3，水用量為160 kg/m3，砂率控制在42%左右，水泥及粉煤灰占比待配合比優(yōu)化試驗(yàn)后確定。最終確保混凝土質(zhì)量等級(jí)可以滿足水下作業(yè)要求。

3 水下混凝土鉆孔灌注樁配合比的優(yōu)化試驗(yàn)

隨著粉煤灰等水化熱材料的普及，人們對(duì)灌注樁工程提出了更高的要求。若想更好滿足工程建設(shè)需要，可通過加入摻合料的方式實(shí)現(xiàn)混凝土鉆孔灌注樁配合比的優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]。為此，本研究提出在膠凝材料內(nèi)加入不同比例粉煤灰的性能測(cè)試試驗(yàn)，驗(yàn)證配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性。

3.1 試驗(yàn)方法

以上文提出的鉆孔灌注配合比設(shè)計(jì)為基準(zhǔn)，添加不同比例的粉煤灰替代水泥，控制好用水量與集料用量，保證外加劑用量恒定，進(jìn)一步探究鉆孔灌注樁混凝土的工作性能、力學(xué)性能、耐久性的變化情況。

3.2 工作性能試驗(yàn)

在進(jìn)行鉆孔灌注樁混凝土的工作性能試驗(yàn)過程中，應(yīng)以坍落度試驗(yàn)為主，上述闡述的鉆孔灌注樁混凝土的最大集料粒徑不超過40 mm，并屬于大坍落度砼，在試驗(yàn)過程中可將配合比的插搗難度、保水性、含砂狀況作為測(cè)試指標(biāo)。同時(shí)，為了進(jìn)一步探究混凝土性能，還要測(cè)量1 h坍落度的實(shí)際損失量[4]。不同粉煤灰摻量的混凝土性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同粉煤灰摻量下的混凝土性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可知，在基準(zhǔn)配合比中加入粉煤灰，會(huì)進(jìn)一步提高坍落度，且隨著加入比例的提升，新拌鉆孔灌注樁混凝土的坍落度也隨之增加，直至30%后趨近平穩(wěn)。從凝聚性與保水性層面分析，與基準(zhǔn)混凝土相比，在摻入比例達(dá)到20%時(shí)效果最佳。至于從1 h坍落度的損失量角度來看，加入粉煤灰后的坍落度損失量仍存在一定的降低變化，直至摻量在30%時(shí)達(dá)到最小值，證明粉煤灰能夠起到提升塑性的作用[5]。

3.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

鉆孔灌注樁混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)通常以砼的抗壓強(qiáng)度作為測(cè)試指標(biāo)，在試驗(yàn)過程中同樣要以上述不同粉煤灰的配合比作為研究對(duì)象，并分別作為抗壓試件，依照規(guī)范要求完成配制、成型，測(cè)試在3、7、28、90 d的強(qiáng)度數(shù)值，之后依照水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程中的各項(xiàng)要求完成數(shù)值計(jì)算，進(jìn)一步分析其變化規(guī)律。具體數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)：在低齡期，隨著粉煤灰摻量的提升，強(qiáng)度的降低趨勢(shì)也更加明顯；隨著齡期不斷提升，添加粉煤灰的砼強(qiáng)度提升速率也會(huì)隨之加快，直至28 d齡期后，添加粉煤灰的混凝土強(qiáng)度能夠符合適配砼強(qiáng)度要求，基本與未添加粉煤灰的混凝土強(qiáng)度一致[6]；至于在90 d齡期后，大多數(shù)添加粉煤灰的混凝土強(qiáng)度基本高于基準(zhǔn)砼，究其原因在于粉煤灰存在一定的火山灰效應(yīng)，其活性成分會(huì)與水泥產(chǎn)生水化反應(yīng)，進(jìn)而生產(chǎn)成Ca（OH）2。該物質(zhì)會(huì)與粉煤灰活性成分進(jìn)一步反應(yīng)生成水化硅酸鈣，能夠用于填充混凝土孔隙；但摻量較高的混凝土與基準(zhǔn)砼相比，強(qiáng)度較低。綜上所述，混凝土內(nèi)添加粉煤灰存在一個(gè)上限值，一旦超過該數(shù)值，便會(huì)造成后期強(qiáng)度的削減，因此，可確定最佳的粉煤灰摻量應(yīng)為20%。

3.4 抗?jié)B試驗(yàn)

抗?jié)B試驗(yàn)方法以水壓力法為止，需要在試件養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行，水壓最初為0.1 MPa，之后每隔8小時(shí)提升0.1 MPa，直至組件出現(xiàn)滲水為止。根據(jù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，基準(zhǔn)配合比試件在水壓達(dá)到0.7 MPa后發(fā)生滲水，至于其他兩個(gè)試件，則在水壓分別達(dá)到0.8 MPa和0.9 MPa發(fā)生滲水。由此看出，加入粉煤灰能夠在一定程度上提高混凝土的抗?jié)B效果。同時(shí)當(dāng)摻入量達(dá)到30%左右時(shí)，混凝土的抗?jié)B能力最佳。究其原因在于，粉煤灰顆粒相對(duì)較小，能夠填充至混凝土孔隙中。并且粉煤灰與水泥發(fā)生水化反應(yīng)后的Ca（OH）2可以填充至混凝土水泥漿水分蒸發(fā)后留下的孔隙，進(jìn)而增加混凝土密實(shí)度。

4 結(jié)語

綜上所述，當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，混凝土工作性能及抗?jié)B性能最優(yōu)，但水下混凝土對(duì)適配強(qiáng)度的要求較高，該項(xiàng)目水下混凝土試配強(qiáng)度為49 MPa，粉煤灰摻量為20%時(shí)滿足試配強(qiáng)度要求。（最終確定的配合比為水泥320 kg/m3,粉煤灰80 kg/m3，粗集料用量為1 071 kg/m3，細(xì)集料用量為763 kg/m3時(shí)，減水劑用量為5.12 kg/m3，水用量為160 kg/m3。）

碼頭水下混凝土的施工需要根據(jù)具體情況進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)和優(yōu)化。在配合比設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮混凝土的強(qiáng)度要求、水泥種類、砂石等級(jí)和水灰比等因素，確?；炷翉?qiáng)度和耐久性滿足要求。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)方法，可以優(yōu)化配合比，選擇最佳粉煤灰摻和比例，確保混凝土的最佳強(qiáng)度和耐久性，保障碼頭的使用壽命和安全性。