高性能混凝土在水下灌注樁基工程中的應(yīng)用

高性能混凝土在水下灌注樁基工程中的應(yīng)用

1概述

容奇新橋北引橋樁基設(shè)計(jì)直徑分別為1.2m、1.5m、1.8m、2.0m，其中2.0m樁的長度65m，定額混凝土方量為245m3，設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度C25。于1998年11月開鉆，至1999年8月結(jié)束。混凝土設(shè)計(jì)為高性能大流動(dòng)度混凝土，它具有新拌混凝土形變能力和抗離析性高，能自動(dòng)充滿各個(gè)角落，早期混凝土下沉和硬化收縮小，即混凝土分層離析小、干縮小、水化放熱低，硬化后滲透性低等優(yōu)點(diǎn)。灌注過程中保持良好的流動(dòng)性、穩(wěn)定性，與導(dǎo)管的摩阻力小(切變應(yīng)力是普通混凝土的1/3)，在樁孔內(nèi)的混凝土能夠自動(dòng)充滿密實(shí)、不離析，凝結(jié)后強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度基本相等。

2砼施工中出現(xiàn)異常凝結(jié)及原因分析

2.1砼原材料及配合比

所使用材料如下：某廠生產(chǎn)的立窯425R水泥，1-4連續(xù)級(jí)配石子，細(xì)度模數(shù)為2.6～2.9的中砂，摻和料為黃埔二級(jí)粉煤灰，NⅡ型緩凝減水劑?；炷僚浜媳纫姳?。

根據(jù)公路工程施工技術(shù)規(guī)范對(duì)配合比的要求，除砂率偏小以外其余都符合規(guī)范要求。

施工機(jī)械和設(shè)備：500L單軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)1臺(tái)；500L雙軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)1臺(tái)；HBT60混凝土泵機(jī)1臺(tái)；高2.5m的備料斗1個(gè)，可備料方量8～10m3。

2.2施工中異常凝結(jié)情況

在施工中我們發(fā)現(xiàn)單軸機(jī)攪拌有時(shí)會(huì)攪出直徑達(dá)十幾cm的橢圓形混凝土球，把它打散和攪拌幾下就能達(dá)到原配合比要求。首批混凝土存放于備料斗中，當(dāng)混凝土快滿時(shí)，混凝土表面有大約5cm的泌水，備料斗口因少量漏漿時(shí)混凝土無法下落。首批混凝土施工完畢，混凝土泵機(jī)泵管堵塞，即時(shí)使用商品混凝土。在使用商品混凝土?xí)r，第一車灌注完畢停留15min即發(fā)生堵管，拆除導(dǎo)管時(shí)發(fā)現(xiàn)堵塞處混凝土呈層、片狀。清除管內(nèi)混凝土?xí)r，按混凝土下落方向很難清除，但把導(dǎo)管反過來清除就容易得多。第二次出現(xiàn)導(dǎo)管堵塞多次抖動(dòng)導(dǎo)管都無法下落，提出導(dǎo)管發(fā)現(xiàn)橡膠密封圈被擠出，混凝土膠凝，有明顯的發(fā)熱現(xiàn)象。當(dāng)采用吊斗施工時(shí)，有時(shí)從攪拌機(jī)流到吊斗內(nèi)的混凝土看上去露石嚴(yán)重，但把混凝土倒到一堆后，混凝土又出現(xiàn)攪拌均勻的現(xiàn)象。

出現(xiàn)以上情況后，我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)做混凝土試驗(yàn)。當(dāng)用水量與外加劑用量偏差都在規(guī)范范圍內(nèi)時(shí)，用水量和外加劑用量同時(shí)偏大，混凝土容易產(chǎn)生離析。在其它條件不變時(shí)，當(dāng)水灰比為0.51時(shí)坍落度為17.2cm(手拌)，流動(dòng)性一般(32cm)，混凝土泌水比較少，從外觀上看幾乎看不出有泌水現(xiàn)象。當(dāng)稍稍振動(dòng)做實(shí)驗(yàn)用鋼墊板時(shí)，混凝土的擴(kuò)展值稍大于相同坍落度的無外加劑混凝土，混凝土發(fā)粘、貼底，鏟動(dòng)阻力大，混凝土鏟開后底發(fā)干，將混凝土翻過來，慢慢地又會(huì)再一次出現(xiàn)沉底現(xiàn)象。當(dāng)水灰比為0.56時(shí)坍落度為18.5cm，流動(dòng)度為40cm左右，此時(shí)有泌水現(xiàn)象，混凝土表面有水膜狀?；炷羚P開后底發(fā)干，砂粒清晰可見。當(dāng)水灰比為0.60時(shí)坍落度反而降為14.8cm，混凝土的擴(kuò)展值已不能反映流動(dòng)性。此時(shí)泌水特別嚴(yán)重，混凝土出現(xiàn)中間露石、外圍流漿和水，混凝土沉漿、貼底現(xiàn)象嚴(yán)重，鏟動(dòng)阻力大，手拌根本無法拌勻。

2.3原因分析

出現(xiàn)以上情況后，在混凝土協(xié)會(huì)的有關(guān)專家指導(dǎo)下，對(duì)上述現(xiàn)象進(jìn)行分析，得出以下主要原因：

(1)水泥中外摻料為煤矸石，且每一批的摻量不一樣，在9%～14%以內(nèi)變化。煤矸石的比表面積比較大，對(duì)外加劑具有強(qiáng)烈的吸附作用，對(duì)引氣類外加劑更為明顯，在摻量大時(shí)導(dǎo)致外加劑減水率下降。

(2)水泥中使用工業(yè)石膏作調(diào)凝劑，外加劑中使用木鈣作緩凝成份，易產(chǎn)生速凝。

(3)外加劑使用粉劑，在施工中采用同摻法，直接將外加劑放于水泥上或水泥中，造成局部外加劑濃度過高，易發(fā)生假凝。

(4)施工中為了趕進(jìn)度，攪拌時(shí)間不夠，粉劑外加劑未充分溶解和發(fā)生反應(yīng)。在施工中用水量來控制坍落度，當(dāng)外加劑減水率不夠時(shí)，用水量加大，外加劑在施工中進(jìn)一步反應(yīng)使混凝土離析、泌水、沉漿、貼底等。

(5)粗骨料偏大。混凝土離析的趨向與骨料的三次方成正比，而流動(dòng)性只與骨料的二次方成正比。

(6)當(dāng)減水率不夠時(shí)，混凝土的砂率偏小，用水量加大便易產(chǎn)生混凝土沉漿貼底、露石。

(7)現(xiàn)場(chǎng)施工條件與試驗(yàn)室的條件不一樣，當(dāng)時(shí)正處于11月份，空氣濕度小，中午氣溫高、風(fēng)大，使混凝土的坍落度損失加快。

(8)高性能混凝土配合比的嚴(yán)謹(jǐn)性高，施工中因原材料的變化混凝土的變異系數(shù)大。原配合比對(duì)原材料選擇范圍比較窄，施工中以坍落度控制用水量，原材料的變化已經(jīng)不能滿足原配合比的需要，混凝土的性能也發(fā)生變化。

3混凝土的調(diào)整和試配

根據(jù)以上分析，在專家指導(dǎo)下經(jīng)過數(shù)十次混凝土試配，配制出高性能大流動(dòng)度混凝土。坍落度為20～22cm，流動(dòng)度50～60cm。從施工實(shí)踐來看，新拌混凝土沒有泌水現(xiàn)象，混凝土存放30min也不會(huì)泌水、離析，流動(dòng)態(tài)保持時(shí)間達(dá)2h以上，灌注施工順利。

3.1高性能大流動(dòng)度混凝土配合比原材料的選用

3.1.1水泥

由于已經(jīng)與水泥廠簽訂了供應(yīng)合同，所以在水泥品種上無法選擇。水泥用量：規(guī)范中規(guī)定“每m3混凝土水泥用量不少于350kg，摻有適宜數(shù)量的外加劑和粉煤灰時(shí)可不少于300kg”。在配制過程中，為提高混凝土的坍落度往往是在水灰比不變的條件下增加水泥和砂的用量，水泥用量大時(shí)，混凝土的粘性大、穩(wěn)定性差。在高性能混凝土的配制中，使用復(fù)合高效減水劑和外摻料來解決坍落度與水泥用量的問題。

3.1.2外摻料

外摻料是高性能混凝土不可缺少的一部分。外摻料的使用可以降低水泥用量、減少水化熱。可以使屈服值明顯下降，但塑性粘度不變，增加流態(tài)混凝土的和易性，提高流動(dòng)性，減少混凝土的用水量和泌水率，同時(shí)延長了混凝土流態(tài)的保持時(shí)間。外摻料一般選用粉煤灰或礦渣。由于礦渣價(jià)格比較貴且泌水率稍大，而粉煤灰為球狀體，流動(dòng)性好且需水量少，所以決定采用粉煤灰。取代用量為內(nèi)摻10%～25%。

3.1.3集料

大坍落度混凝土的流動(dòng)性主要是由抗離析性來控制的。而在坍落度與工作性的關(guān)系中，普通高坍落度的變形能力與抗離析力是相互矛盾的，離析力與骨料粒徑的三次方成正比，抗離析力與粒徑的二次方成正比。為保持混凝土良好的穩(wěn)定性，選用級(jí)配良好的5～31.5mm的石子。細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為2.6～2.9的中砂。因外加劑與其適應(yīng)良好，減水率相對(duì)于2.3和3.18約高5%，且除對(duì)引氣比較大的外加劑減水率有波動(dòng)以外，一般比較穩(wěn)定。所以采用級(jí)配良好，細(xì)度模數(shù)為2.6～2.9的中砂，砂率為40%～50%。本試驗(yàn)以45%左右作試驗(yàn)。

3.1.4外加劑

規(guī)范中以新拌混凝土的坍落度和初凝時(shí)間來作為灌注樁基水下混凝土的控制因素。但是常溫下混凝土的初凝時(shí)間一般為6～8h，而施工時(shí)坍落度有可能在0.5h內(nèi)損失30%～50%。當(dāng)普通混凝土坍落度降到14cm以下、高性能混凝土降到10cm以下時(shí)很難施工，所以需用混凝土的流動(dòng)性保持時(shí)間來作為樁基水下混凝土的控制因素。通過使用外加劑可以使混凝土達(dá)到高性能的要求。緩凝劑和普通型緩凝減水劑是樁基混凝土常用的選擇，復(fù)合型高效減水劑內(nèi)各品種之間的相互作用對(duì)改變混凝土性能可起到更佳的作用。所以決定選用緩凝高效減水劑FS-2A和純高效減水劑FS-1進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2混凝土配合比的調(diào)整與確定

通過大量的實(shí)驗(yàn)，得出典型的配合比作對(duì)比(表1)，其中A組是基準(zhǔn)混凝土、B組是普通大流動(dòng)度混凝土、C組用的是緩凝減水劑、D1組使用FS-1(水劑)與FS-2A(水劑)復(fù)合，D2組使用FS-2A外加劑(水劑)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，C組泌水率最大，B組的泌水率次之，D1組泌水率最小，D2組的泌水率與A組的泌水率基本相等。

施工配合比的確定：對(duì)五組配合比的混凝土性能進(jìn)行比較，除基準(zhǔn)混凝土A組以外其它配合比都能達(dá)到規(guī)范要求。其中C組泌水率最大，B組的泌水率次之，且B組水泥用量大、流動(dòng)性保持時(shí)間不夠長。D1組配合比的性能相對(duì)較好，且從經(jīng)濟(jì)上節(jié)省很多。但由于這組配合比在以前沒有使用過，且無法在短時(shí)間內(nèi)對(duì)其變異性進(jìn)行分析，從穩(wěn)妥出發(fā)決定先使用D2組配合比進(jìn)行施工。在有了D1組配合比的變異分析，確定它的敏感因素，確認(rèn)能控制敏感因素以后才決定是否使用。

4調(diào)整后混凝土的施工

確定了配合比以后進(jìn)行混凝土灌注施工，在機(jī)械設(shè)備方面新購一臺(tái)雙軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)，其它與原來一樣。在施工中設(shè)專職監(jiān)控技術(shù)員，加強(qiáng)施工控制。

(1)溫度控制：混凝土的施工盡量在溫度不高于30℃時(shí)進(jìn)行。

(2)準(zhǔn)確測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)砂石的含水率，以達(dá)到嚴(yán)格控制材料用量。

(3)材料控制：砂、石、水泥、摻和料用電子稱控制，設(shè)備精度為±1%；水用攪拌機(jī)自動(dòng)控制，允許偏差為±1%；外加劑用量筒控制，允許偏差為±1%。

(4)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)：每次施工前先做現(xiàn)場(chǎng)混凝土配比試驗(yàn)，以觀察有無異常。

(5)拌和方法：先將稱量好的水泥、砂、摻和料和水投入攪拌機(jī)攪拌均勻，然后投入粗骨料攪拌至均勻，再加入外加劑攪拌60s。

(6)當(dāng)坍落度達(dá)不到規(guī)范要求時(shí)在最大用量范圍內(nèi)增加外加劑，一般不用加大用水量來調(diào)節(jié)混凝土坍落度。

調(diào)整后的配合比施工灌注順利，未再出現(xiàn)離析泌水等異常凝結(jié)現(xiàn)象，泵機(jī)泵送混凝