水下预填骨料升浆混凝土的应用

2013-06-30康松涛李广森郁祝如

中国港湾建设 2013年1期

康松涛，李广森，郁祝如

（中交一航局第三工程有限公司，辽宁大连 116083）

1 水下预填骨料升浆混凝土的原理

预先在水下模板内将粗骨料铺好，再向其空隙中注入水泥砂浆的混凝土，称为水下预填骨料升浆混凝土。

水下预填骨料升浆混凝土是在预先处理好的基槽中，抛填一定粒径级配的骨料，然后打入升浆管，把搅拌好的水泥砂浆输送到骨料的空隙中去进行填充。浆液在骨料中由压力高处向压力低处移动，移动在上面和前面的浆液由于与水接触，浆液浓度降低，密度减小。浆液在整个移动过程中，密度小的浆液始终在整体移动浆液的上面和前面，而密度较大的浆液在下面。随着砂浆的不断输入，浆液在骨料中不断的移动，将粗骨料空隙中的水全部置换成砂浆，最终填充所有骨料的空隙，达到水下预填骨料全部被升浆填充成混凝土的目的。

2 水下预填骨料升浆混凝土的用途

水下预填骨料升浆混凝土主要应用于湿法施工的大型船坞工程的船坞底板、坞墙和重力式围堰基础的止水工程；船坞底板配重混凝土体；减少基床沉降作用和局部堵洞；水工工程基床的补强、加固、淘刷孔洞的修补；重载码头（如海工构件出运码头）沉箱内块石整体强度的加固等。

3 工程应用状况

上个世纪90年代中后期，在我国大连中远6万吨级船坞工程中，水下预填骨料升浆混凝土的施工工艺被大规模应用，被专家们认为“该项大型船坞工程的施工工艺达到九十年代的国际先进水平”。该工程采用的是高速砂浆搅拌机集中搅拌砂浆，前方分散供应砂浆的方法进行施工。由于该工程坐落在曾被判定为不能建坞的喀斯特地貌断裂带，地质条件极为复杂，既有破碎带3处、又有大小不等溶洞、溶沟、溶槽等200多处。尤其是首次采用水下预填骨料升浆混凝土，这种混凝土对于结构的影响，认识还较肤浅，也没有较好的强度检测手段，还没有建立实际强度与标准试件强度的相关性，因此，在该工程上最后尚没有作为结构混凝土应用，而是只作为船坞底板的止水及配重，按人造地基来对待。

之后，大连造船重工30万吨级船坞工程采用了干法和湿法施工相结合的工艺，该工程水下预填骨料升浆混凝土的砂浆采用高速搅拌机集中拌和，前方分散供应砂浆的方法施工。在该工程中成功地解决了基础淤泥层的填充问题；二次升浆混凝土界面的浮浆处理问题；围堰沉箱基础的止水问题。

后在大连香炉礁港区新建造船坞建设项目（三标段）中也应用了该项技术。该工程坞墙采用沉箱重力式结构，共计50个沉箱，坞口为钢浮箱结构，坞墙基础及坞口基础均为升浆基床；坞底板采用减压排水结构，底板下为换填块石混凝土及灌注桩基础。该工程的水下预填骨料升浆混凝土采用慢速集中搅拌砂浆，前方高速分散搅拌的施工工艺。同时，在砂浆中首次掺入掺和料。

接着在采用干湿法结合施工的大连大船海工钻井平台专用坞工程中再次成功应用。在坞墙和坞口围堰基础的水下预填骨料升浆混凝土采用慢速集中搅拌砂浆，前方高速分散搅拌的施工工艺。同时，加大了砂浆中的掺和料掺量。

还在旅顺大连造船项目应用中成功实现了对坞首堵口围堰的止水。该项目1号、2号船坞工程由两座平行、相依的大型船坞组成，是中远旅顺造船基地的重要组成部分。该工程的水下预填骨料升浆混凝土采用慢速集中搅拌砂浆，前方高速分散搅拌的施工方法，实现了成功止水。

4 骨料粒径的选择与配合比

4.1 骨料粒径

水下预填骨料升浆混凝土骨料粒径大小的选择，与钻孔埋设升浆管工艺有关。骨料粒径大，在打设升浆管时容易把钢管打弯或者打斜。经几个工程实践，直接将升浆管打入基床，粗骨料粒径宜用50～200 mm。如果粒径太大，需加打套管，则又与升浆混凝土原理“浆液始终向压力低的方向流动”有关。如套管埋入升浆混凝土（部分），则浆液延套管与升浆管壁上升；当套管拔出后，孔隙率的大小与骨料自然塌落程度和升浆管直径有关，因此加套管的效果比不加变差。骨料粒径太小，浆液在粗骨料中流动阻力变大，坡降变陡，流速变慢，在升浆过程中产生的浮浆量增大。

4.2 配合比

水下预填骨料升浆混凝土的砂浆配合比是根据在工程中不同的作用和用途进行设计的。设计时应考虑砂浆的流动度、泌水率、膨胀率、凝结时间和抗压强度等指标。并根据工程要求进行配合比调整，不能千篇一律采用一个配合比，应根据不同的目的和要求掺入粉煤灰或其它掺和料。

水下预填骨料升浆混凝土的施工有夏季和冬季，由于季节的差别，气温是不同的。因此，温度对于砂浆流动度的损失是有影响的，浆液的温度高，流动度的损失就大，温度低流动度损失较小。在施工时，要根据环境温度进行配合比的调整。

预填骨料升浆混凝土可以分段升浆，每个升浆单元的升浆量，是根据工程的规模、搅拌站的搅拌能力、水泥罐储存水泥数量的多少、砂浆输送的距离等来确定。在完成同一个升浆单元时，浆液的凝结时间与温度变化是有影响的。同样的配合比和外加剂掺量，在夏季水泥浆液凝结时间快，而在冬季凝结时间就慢，为保证连续灌注水泥砂浆能充分填充饱满，应根据现场温度情况和升浆量合理地进行砂浆浆液凝结时间的调整。在夏季采用缓凝型外加剂，适当延缓由于温度的影响使砂浆浆液初凝时间缩短的问题，保证在一个升浆单元施工完毕后初凝。

5 施工中的质量控制

5.1 灌浆压力

水下预填骨料升浆混凝土的砂浆是通过砂浆泵输送，输送压力的大小与骨料空隙的大小、浆液性能、升浆深度有关，不是固定不变的。一般可控制在0.1～0.3 MPa范围内。

5.2 砂浆搅拌

水下预填骨料升浆混凝土的浆液从试验玻璃槽内观察到，浆液即沿孔隙表面成一定的坡度流动。因此，浆液宜经高速砂浆搅拌机进行搅拌，水泥颗粒经高速剪切、分散，增大水泥的比表面积，使水泥与砂完全溶合且搅拌均匀，才能具有良好的流动性。另外，通过高、低速搅拌机搅拌砂浆性能对比试验结果见表1。可以看出采用高速搅拌机搅拌的砂浆强度比低速搅拌机搅拌的3 d、7 d、28 d抗压强度分别高出11.6%、20.5%、13.5%。同时高速搅拌机搅拌的砂浆泌水率比低速搅拌机小、流动度要好。这是因为水泥砂浆经高速搅拌机搅拌，把水泥颗粒充分破碎，使水泥水化更完全，提高了混凝土的流动度和强度。

5.3 升浆方法

应按预填骨料升浆混凝土基础的大小及升浆能力对基础进行分段抛填和升浆。每分段之间需用隔断隔开成为独立的升浆单元，保证每个升浆单元之间不串浆。常用的隔断措施有钢板、土工布及混凝土方块等。见图1。

表1 不同搅拌速度对砂浆性能的影响

图1 基床土工布隔断示意图

升浆孔排距、管距的布置必须能够保证相邻升浆孔之间浆液流动范围能够重合，距离宜为3 m，观测管应布置在相邻两排升浆管之间，排距和管距同样宜为3 m。见图2。

图2 升浆管、观测管布置示意图

升浆时应从低处起始，待低处升满后，再升高处。升浆方法有“平升”和“斜升”两种方法，“斜升”工艺为从一端开始向另一端推进，即当上排管的砂浆流至下排管并埋深600 mm时，下排管开始升浆。“平升”工艺为全部升浆管同时压浆，浆液同时上升。如图3、图4。

图3 斜升工艺示意图

图4 平升工艺示意图

在升浆能力允许的条件下，应尽可能采用平升工艺。

对于升浆混凝土中充填不密实的部分必须采取措施。对密实性有疑虑的部位进行二次压浆，或者压注水泥浆，以保证升浆混凝土的充分充填性和充填的密实性。

6 施工中的检测

6.1 强度检测

混凝土的质量检测一般采用150 mm×150 mm×150 mm的标准试件进行检验，并用数理统计方法进行质量评定。由于水下预填骨料升浆混凝土不是一种均匀分布骨料及致密的混凝土，它不同于普通混凝土，它的实际强度与标准试件强度的相关性目前尚没有建立，没有任何试验数据的支持，可参见文献[1]。升浆混凝土是新技术，目前试验研究和工程实践中实体强度与试件强度的相关关系还在不断地积累资料和探索之中。

6.2 钻孔检测

目前参照日本土木学会1986年制定的混凝土标准第22章灌浆混凝土中的检测，从钻孔取芯样及水下孔内电视观察升浆混凝土的整体性。水下预填骨料升浆混凝土尚难以达到整个“升浆体积”都充分密实，局部有砂浆与块石接触或结合不密实的地方，存在缝隙，有砂浆没有进入块石空隙的。特别是预填骨料的下部和小粒径成堆或缝隙较小处没有砂浆，或包裹在升浆混凝土中间不成片，或成层成片。对于这些现象，再通过进行水泥灌浆—用固结灌浆方式可以消除成层成片无浆液弊病。它作为止水及配重是没有问题的，也可以检测推算的。

6.3 力学性能

水下预填骨料升浆混凝土至目前为止，只做试件模拟试验，尚难于做升浆体的实体检测。

7 质量检验评定

7.1 试件检验

水下预填骨料升浆混凝土的抗压强度检验，可采用200 mm×200 mm×200 mm的试件，由于水下预填骨料升浆混凝土的骨料粒径在50～200 mm之间，根据骨料粒径和试模尺寸的尺寸效应，只能模拟施工现场的升浆混凝土成型。检验其与配合比对照是否满足设计强度要求，尚难于以其试验值评价升浆体的实际强度是否达到设计强度。

7.2 工艺控制

在水下预填骨料升浆混凝土施工中，采取工艺措施进行控制。计算每个隔舱的体积，填充骨料的数量。在陆地测定骨料的空隙率，作为计算水下填充骨料的空隙率，计算升浆混凝土所需要的水泥砂浆数量。在施工时，绘制水下升浆高度曲线图，掌握砂浆灌入量。水泥砂浆的计算量，应考虑在施工中，由于土工布外推、或者局部渗漏而损失的部分砂浆，因此实际灌入量要大于计算量。通过实践采用工艺控制其质量来保证其用途是有效的，经工程实例验证均效果较好。

7.3 钻芯检测

水下预填骨料升浆混凝土通常钻芯取样直径在75～150 mm，对于升浆混凝土显然代表性有限。若以芯样直径尺寸达到骨料粒径2～3倍的要求时，较难取到完整芯样。用常规混凝土钻芯取样方式遇到大粒径的骨料时，由于钻机的振动，水泥浆与骨料的黏结力较低，芯样的整体性较差，且表面存在很多细微裂缝，芯样多呈破碎状。但是在采用钻芯取样机钻取的芯样，毕竟能够用芯样判别升浆混凝土实际致密性质量，比较直观。