高性能混凝土在水下灌注桩基工程中的应用

高性能混凝土在水下灌注桩基工程中的应用

1概述

容奇新桥北引桥桩基设计直径分别为1.2m、1.5m、1.8m、2.0m，其中2.0m桩的长度65m，定额混凝土方量为245m3，设计混凝土强度C25。于1998年11月开钻，至1999年8月结束。混凝土设计为高性能大流动度混凝土，它具有新拌混凝土形变能力和抗离析性高，能自动充满各个角落，早期混凝土下沉和硬化收缩小，即混凝土分层离析小、干缩小、水化放热低，硬化后渗透性低等优点。灌注过程中保持良好的流动性、稳定性，与导管的摩阻力小(切变应力是普通混凝土的1/3)，在桩孔内的混凝土能够自动充满密实、不离析，凝结后强度与实验强度基本相等。

2砼施工中出现异常凝结及原因分析

2.1砼原材料及配合比

所使用材料如下：某厂生产的立窑425R水泥，1-4连续级配石子，细度模数为2.6～2.9的中砂，掺和料为黄埔二级粉煤灰，NⅡ型缓凝减水剂。混凝土配合比见表1。

根据公路工程施工技术规范对配合比的要求，除砂率偏小以外其余都符合规范要求。

施工机械和设备：500L单轴强制式搅拌机1台；500L双轴强制式搅拌机1台；HBT60混凝土泵机1台；高2.5m的备料斗1个，可备料方量8～10m3。

2.2施工中异常凝结情况

在施工中我们发现单轴机搅拌有时会搅出直径达十几cm的椭圆形混凝土球，把它打散和搅拌几下就能达到原配合比要求。首批混凝土存放于备料斗中，当混凝土快满时，混凝土表面有大约5cm的泌水，备料斗口因少量漏浆时混凝土无法下落。首批混凝土施工完毕，混凝土泵机泵管堵塞，即时使用商品混凝土。在使用商品混凝土时，第一车灌注完毕停留15min即发生堵管，拆除导管时发现堵塞处混凝土呈层、片状。清除管内混凝土时，按混凝土下落方向很难清除，但把导管反过来清除就容易得多。第二次出现导管堵塞多次抖动导管都无法下落，提出导管发现橡胶密封圈被挤出，混凝土胶凝，有明显的发热现象。当采用吊斗施工时，有时从搅拌机流到吊斗内的混凝土看上去露石严重，但把混凝土倒到一堆后，混凝土又出现搅拌均匀的现象。

出现以上情况后，我们在现场做混凝土试验。当用水量与外加剂用量偏差都在规范范围内时，用水量和外加剂用量同时偏大，混凝土容易产生离析。在其它条件不变时，当水灰比为0.51时坍落度为17.2cm(手拌)，流动性一般(32cm)，混凝土泌水比较少，从外观上看几乎看不出有泌水现象。当稍稍振动做实验用钢垫板时，混凝土的扩展值稍大于相同坍落度的无外加剂混凝土，混凝土发粘、贴底，铲动阻力大，混凝土铲开后底发干，将混凝土翻过来，慢慢地又会再一次出现沉底现象。当水灰比为0.56时坍落度为18.5cm，流动度为40cm左右，此时有泌水现象，混凝土表面有水膜状。混凝土铲开后底发干，砂粒清晰可见。当水灰比为0.60时坍落度反而降为14.8cm，混凝土的扩展值已不能反映流动性。此时泌水特别严重，混凝土出现中间露石、外围流浆和水，混凝土沉浆、贴底现象严重，铲动阻力大，手拌根本无法拌匀。

2.3原因分析

出现以上情况后，在混凝土协会的有关专家指导下，对上述现象进行分析，得出以下主要原因：

(1)水泥中外掺料为煤矸石，且每一批的掺量不一样，在9%～14%以内变化。煤矸石的比表面积比较大，对外加剂具有强烈的吸附作用，对引气类外加剂更为明显，在掺量大时导致外加剂减水率下降。

(2)水泥中使用工业石膏作调凝剂，外加剂中使用木钙作缓凝成份，易产生速凝。

(3)外加剂使用粉剂，在施工中采用同掺法，直接将外加剂放于水泥上或水泥中，造成局部外加剂浓度过高，易发生假凝。

(4)施工中为了赶进度，搅拌时间不够，粉剂外加剂未充分溶解和发生反应。在施工中用水量来控制坍落度，当外加剂减水率不够时，用水量加大，外加剂在施工中进一步反应使混凝土离析、泌水、沉浆、贴底等。

(5)粗骨料偏大。混凝土离析的趋向与骨料的三次方成正比，而流动性只与骨料的二次方成正比。

(6)当减水率不够时，混凝土的砂率偏小，用水量加大便易产生混凝土沉浆贴底、露石。

(7)现场施工条件与试验室的条件不一样，当时正处于11月份，空气湿度小，中午气温高、风大，使混凝土的坍落度损失加快。

(8)高性能混凝土配合比的严谨性高，施工中因原材料的变化混凝土的变异系数大。原配合比对原材料选择范围比较窄，施工中以坍落度控制用水量，原材料的变化已经不能满足原配合比的需要，混凝土的性能也发生变化。

3混凝土的调整和试配

根据以上分析，在专家指导下经过数十次混凝土试配，配制出高性能大流动度混凝土。坍落度为20～22cm，流动度50～60cm。从施工实践来看，新拌混凝土没有泌水现象，混凝土存放30min也不会泌水、离析，流动态保持时间达2h以上，灌注施工顺利。

3.1高性能大流动度混凝土配合比原材料的选用

3.1.1水泥

由于已经与水泥厂签订了供应合同，所以在水泥品种上无法选择。水泥用量：规范中规定“每m3混凝土水泥用量不少于350kg，掺有适宜数量的外加剂和粉煤灰时可不少于300kg”。在配制过程中，为提高混凝土的坍落度往往是在水灰比不变的条件下增加水泥和砂的用量，水泥用量大时，混凝土的粘性大、稳定性差。在高性能混凝土的配制中，使用复合高效减水剂和外掺料来解决坍落度与水泥用量的问题。

3.1.2外掺料

外掺料是高性能混凝土不可缺少的一部分。外掺料的使用可以降低水泥用量、减少水化热。可以使屈服值明显下降，但塑性粘度不变，增加流态混凝土的和易性，提高流动性，减少混凝土的用水量和泌水率，同时延长了混凝土流态的保持时间。外掺料一般选用粉煤灰或矿渣。由于矿渣价格比较贵且泌水率稍大，而粉煤灰为球状体，流动性好且需水量少，所以决定采用粉煤灰。取代用量为内掺10%～25%。

3.1.3集料

大坍落度混凝土的流动性主要是由抗离析性来控制的。而在坍落度与工作性的关系中，普通高坍落度的变形能力与抗离析力是相互矛盾的，离析力与骨料粒径的三次方成正比，抗离析力与粒径的二次方成正比。为保持混凝土良好的稳定性，选用级配良好的5～31.5mm的石子。细骨料选用细度模数为2.6～2.9的中砂。因外加剂与其适应良好，减水率相对于2.3和3.18约高5%，且除对引气比较大的外加剂减水率有波动以外，一般比较稳定。所以采用级配良好，细度模数为2.6～2.9的中砂，砂率为40%～50%。本试验以45%左右作试验。

3.1.4外加剂

规范中以新拌混凝土的坍落度和初凝时间来作为灌注桩基水下混凝土的控制因素。但是常温下混凝土的初凝时间一般为6～8h，而施工时坍落度有可能在0.5h内损失30%～50%。当普通混凝土坍落度降到14cm以下、高性能混凝土降到10cm以下时很难施工，所以需用混凝土的流动性保持时间来作为桩基水下混凝土的控制因素。通过使用外加剂可以使混凝土达到高性能的要求。缓凝剂和普通型缓凝减水剂是桩基混凝土常用的选择，复合型高效减水剂内各品种之间的相互作用对改变混凝土性能可起到更佳的作用。所以决定选用缓凝高效减水剂FS-2A和纯高效减水剂FS-1进行试验。

3.2混凝土配合比的调整与确定

通过大量的实验，得出典型的配合比作对比(表1)，其中A组是基准混凝土、B组是普通大流动度混凝土、C组用的是缓凝减水剂、D1组使用FS-1(水剂)与FS-2A(水剂)复合，D2组使用FS-2A外加剂(水剂)。

实验结果表明，C组泌水率最大，B组的泌水率次之，D1组泌水率最小，D2组的泌水率与A组的泌水率基本相等。

施工配合比的确定：对五组配合比的混凝土性能进行比较，除基准混凝土A组以外其它配合比都能达到规范要求。其中C组泌水率最大，B组的泌水率次之，且B组水泥用量大、流动性保持时间不够长。D1组配合比的性能相对较好，且从经济上节省很多。但由于这组配合比在以前没有使用过，且无法在短时间内对其变异性进行分析，从稳妥出发决定先使用D2组配合比进行施工。在有了D1组配合比的变异分析，确定它的敏感因素，确认能控制敏感因素以后才决定是否使用。

4调整后混凝土的施工

确定了配合比以后进行混凝土灌注施工，在机械设备方面新购一台双轴强制式搅拌机，其它与原来一样。在施工中设专职监控技术员，加强施工控制。

(1)温度控制：混凝土的施工尽量在温度不高于30℃时进行。

(2)准确测定现场砂石的含水率，以达到严格控制材料用量。

(3)材料控制：砂、石、水泥、掺和料用电子称控制，设备精度为±1%；水用搅拌机自动控制，允许偏差为±1%；外加剂用量筒控制，允许偏差为±1%。

(4)现场试验：每次施工前先做现场混凝土配比试验，以观察有无异常。

(5)拌和方法：先将称量好的水泥、砂、掺和料和水投入搅拌机搅拌均匀，然后投入粗骨料搅拌至均匀，再加入外加剂搅拌60s。

(6)当坍落度达不到规范要求时在最大用量范围内增加外加剂，一般不用加大用水量来调节混凝土坍落度。

调整后的配合比施工灌注顺利，未再出现离析泌水等异常凝结现象，泵机泵送混凝