超缓凝混凝土在桩基工程中的应用研究

贾志生，包文龙

（1. 天津市中凝佳业混凝土有限公司，天津 300380；2. 江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 211103）

0 引言

随着社会经济的发展，城市建设日新月异，施工工艺多种多样，对混凝土的要求已大大提高。在一些大型桥梁和超高层建筑工程中，为提高单桩的承载能力，需要桩的长度和横截面都较大，单桩所需灌注的混凝土方量较大，且浇注完成后还要进行其它作业，所要求混凝土的凝结时间较长，尤其是在炎热的夏季，必须把混凝土的初凝时间大大延长，才能保证一次性灌注成功。

缓凝剂是一种能延长混凝土凝结时间的外加剂，缓凝剂主要是用于延缓水泥的水化硬化速度，以使新拌混凝土在较长时间内保持塑性。缓凝剂对新拌混凝土性能的影响主要有：延缓混凝土初终凝时间，降低水化放热速率，降低坍落度损失。从强度的发展来看，掺入缓凝剂，混凝土 1 天、3 天强度要低，但对后期强度没有明显的影响，如果掺量过大，则由于水分的蒸发和散失会对混凝土强度造成永久性不可恢复的影响。

普通商品混凝土缓凝剂，由于具有引入空气的性质，掺量过多会引起混凝土强度的降低和硬化不良，且缓凝时间较短，一般不能用于需长时间延长混凝土凝结时间的地方，较好的普通缓凝剂初凝时间差不多 8～10h，很难达到保坍时间较长的效果。但超缓凝剂却不然，超缓凝剂即为能较长时间延缓混凝土的凝结，其缓凝时间可以根据掺量来人为控制，而且混凝土在较长的时间内坍落度损失较小，一般终凝时间在 50个小时左右。

1 工程概况

由中建八局施工的中信城市广场项目建筑面积 120 万余平米，地处天津站东 800m，距海河不足百米。工程建成后将超过津塔 3m（津塔高度 336.9m），为海河之滨新的标志性建筑。工程设计为全向逆施法施工，即地上结构完成后再进入地下施工。其中最先进行的是桩基部分混凝土施工，要求混凝土初凝时间控制在 36h 之内，终凝时间 48h 左右。只有这样才能有足够时间，完成先把 100 余方的混凝浇筑完毕后，再平整现场吊装设备，一次性将钢管柱垂直插入到混凝土桩中这一过程，这对混凝土的凝结时间提出了很高的要求。考虑插入钢管的需要，灌注桩的混凝土要有较长的缓凝时间，一般终凝时间不小于 48h，同时要求混凝土运输至插入钢管柱时间段内混凝土的坍落度不少于 160mm，以及施工过程所持续的时间，为了保证钢管的顺利插入，混凝土 18 小时后坍落度不少于 160mm，且有良好的和易性及流动性，再进行二次压管（如图 1）。若未达到缓凝要求，或坍落度损失过快，钢管柱就不能顺利的压进去。由于要压进去的钢管柱为该工程地下部分的永久性柱子，所以一但失败，该桩基就此作废。需要重新设计、重新施工，每根废桩造成的损失近百万元。考虑到该工程的重要性，我们做过系列的实验，包括从原材料的选取、外加剂配方的制定，最终确定以下材料及配合比。

图1 垂直插入钢管柱的施工工艺

2 超缓凝桩基混凝土原材料控制和配合比选定

2.1 原材料控制情况及性能

（1）水泥：选用质量较稳定唐山冀东 P·O42.5 水泥，性能指标见表 1。

表1 冀东水泥各项物理性能指标

（2）粉煤灰：选用天津军粮城电厂 Ⅱ 级 F 类粉煤灰，性能指标见表 2。严格控制粉煤灰的细度及需水量，以确保混凝土流动性、减少泌水、改善和易性。

表2 粉煤灰物理性能指标

（3）矿渣粉：选用唐山瑞丰钢铁集团有限公司生产的S95 粒化高炉矿渣粉。性能指标见表 3。

表3 矿粉物理性能指标

（4）细骨料：选用河北新乐河砂，细度模数 2.6 左右，含泥量在 2.0% 以内；河北迁安铁矿选矿采矿碎屑，细度模数2.2 左右，石粉含量在 3% 以内。

（5）粗骨料：选用河北易县 5～25mm 连续级配碎石。

（6）外加剂：选用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的 PCA-I 聚羧酸高性能减水剂，具有减水、缓凝、引气等特点，与水泥的适应性良好。

由于该工程的技术要求和施工工艺要求，对外加剂的选择尤为重要，首先面临的几个问题：

（1）混凝土凝结时间，天气状况；施工季节比较炎热，为一年中最热的六七月份。

（2）搅拌站距离施工现场运距长；我公司到施工现场为25 公里左右，路况极差，行程大约一个半小时左右。

（3）由于混凝土的超长凝结时间，使得混凝土的强度尤为重要。

（4）在施工工艺中，灌装结束后要压入一个布满钢钉似的钢管柱，因此对混凝土的含气量要求更高。

针对以上问题，提出解决方案。

外加剂选择江苏苏博特新材料股份有限公司 PCA-I 聚羧酸高性能减水剂，针对以上问题，首先解决混凝土的出机状态、凝结时间，从现场原材料考虑，最终定为大减水率搭配适量中等减水率母体复合使用，在保证减水剂的减水率的前提下，降低减水剂的分散性，防止外加剂分散性过强对混凝土状态不好把控。在此前提下，选用高效缓凝剂，在缓凝剂的选择过程中，我们也做过系列的试验，共做过 4 类缓凝剂。

A 类产品，尽管能满足对产品凝结时间的需求，但由于该产品的溶解度相对较低，外加剂放置一段时间后有少量晶体析出，且价格较贵，因此排除。

其他三类缓凝剂经过实验验证，最终确定两种搭配使用时才能满足需求，而在这期间我们也做了系列的比例调整实验，最终确定当两种比例为 1∶3 时满足该凝结时间的需求。

解决完凝结时间的问题，我们发现，尽管凝结时间能满足施工要求，但是混凝土状态在 16h 后变化较大，混凝土坍落度损失严重，黏度较之出机状态相差大，因此我们把攻克重点放在坍落度损失问题上。

针对此问题，保坍剂选用江苏苏博特新材料股份有限公司保坍剂，调整减水剂、保坍剂和缓凝剂的比例，使混凝土在 16h 左右保证坍落度在 170～180mm，保证混凝土的状态，满足钢管的插入。

调整混凝土的含气量，使得混凝土出机含气量在4%～5% 左右，要保证混凝土有一定的含气量，既不宜过高又不宜过低，一方面考虑到施工的可行性，另一方面考虑到混凝土的强度。最终施工混凝土的含气量在 4.2%。最终确定外加剂的配方。

2.2 配合比的设计及确定

该施工工艺在灌注桩混凝土浇灌完成后能一次性将钢管柱垂直插入到混凝土中，就对混凝土的性能提出了很高的要求。

此次设计配合比的难点是：提高混凝土的流动性、和易性，控制超缓凝混凝土的凝结时间。我们采取以下措施：

（1）适量增加单位用水量及调整砂率提高流动性；

（2）严格控制外加剂的缓凝成分，使混凝土能正常施工。

混凝土的设计配合比见表 4，强度等级为 C35，混凝土相关性能检测结果见表 5。

表4 设计试验配合比

表5 设计试验配合比工作性能和力学性能

从表 4 和表 5 中可以看出，适当提高砂率可以提高混凝土的流动性、和易性。

经过优选，配合比定为编号 2-2。

3 结论

超缓凝混凝土控制要比普通混凝土更为严格，坍落度不能过大和过小，绝不能有泌浆、泌水、离析等现象。如果发生此现象，当混凝土灌入桩基中，若混凝土出现离析浆体分离，使二次压桩时正好压在浆体分离的骨料上，就很难把钢管柱压到合适部位，则该根桩基就算报废，将造成严重事故，后果不堪设想，给企业造成严重影响和损失。所以，我们严格控制进厂原料，特别是对进厂的砂、石、含水、含泥、石粉含量、细度模数尤其要注意。保证砂石的质量，保证水胶比不变，也就保证了混凝土出机状态，实际生产中我们很好的控制混凝土出厂的和易性、坍落度，严格按照混凝土的配合比生产，每车出站混凝土都留置试样，观察其凝结时间，为工地压入钢管桩体提供了有效的时间数据。

在混凝土公司与施工单位共同努力下，累计为天津中信城市广场项目生产超缓凝混凝土 10000 余方，灌注了 100 多根钢管桩，没出现任何质量问题，7d 强度已超过 100%。