超缓凝大掺量矿物掺合料混凝土的配制及在钻孔咬合桩中的应用

云南建工集团有限公司 昆明 650501

1 工程概况

昆明轨道交通3号线塘子巷站3、4号出入口一期及二期工程由中铁十二局集团有限公司负责施工，主体结构深基坑采用钻孔咬合桩作为围护结构。桩径1 000 mm，相邻两桩咬合量250 mm，桩长5～18 m。咬合桩分为A桩和B桩，A桩为C20超缓凝水下素混凝土桩，B桩为C30水下钢筋混凝土桩，C20水下超缓凝混凝土量约2 685.4 m3。塘子巷站的地基土层特征情况是上部土层大致稳定，下部土层变化较大。土层主要是素填土、河底淤泥层、粉质黏土、黏土等。

2 钻孔咬合桩施工工艺[1-3]

钻孔咬合桩是一种在桩与桩之间形成相互咬合排列的新型地下工程支护结构，主要起挡土、止水作用。为便于切割，桩的排列方式为1 根素桩（A桩）和1 根钢筋桩（B桩），A 桩混凝土为超缓凝混凝土，要求必须在A 桩混凝土初凝之前完成B桩施工，B桩施工时采用MZ全套管钻机切割相邻A桩相交部分的混凝土，实现咬合。钻孔咬合桩的浇筑顺序和排列方式见图1。桩的施工工艺流程是A1→A2→B1→A3……An→Bn-1。钻孔咬合桩主要适用于地铁、超高层建筑等深基坑围护结构，具有环保、成本低、地质适应能力强、施工速度快等优点，可在黏性土、粉土、淤泥、流砂、地下水富集等不良条件地层中应用。

图1 钻孔咬合桩的施工顺序

3 超缓凝混凝土的关键技术

超缓凝混凝土不仅要求混凝土早期有较长的凝结时间，而且要求混凝土必须有足够的后期强度。超缓凝混凝土的设计和质量控制在钻孔咬合桩施工中起重要作用，尤其是缓凝时间和坍落度的控制对钻孔咬合桩施工至关重要。目前，超缓凝混凝土的初凝时间和坍落度较难控制。

3.1 超缓凝混凝土的初凝时间

A桩的初凝时间是影响B桩咬合成功的关键。A桩的初凝时间由单桩成桩时间来确定，与地质条件、桩长、桩径和钻机能力等有关。首先应根据具体工程情况进行试桩，确定单桩成桩所需时间t，然后按式（1）确定超缓凝混凝土的初凝时间。

式中：T——超缓凝混凝土的初凝时间；

K——安全储备时间，一般取1.5t；

t——单桩成桩所需时间。

3.2 超缓凝混凝土的坍落度

水下灌注超缓凝混凝土的坍落度宜为180～200 mm，以满足水下混凝土灌注和防止B桩在成孔过程中发生A桩混凝土向B桩内管涌。考虑到混凝土在运输工程中的坍落度经时损失，应根据实际情况控制混凝土出厂坍落度在200～220 mm。

3.3 超缓凝混凝土的抗压强度

早期强度较低，后期强度要求发展迅速，是超缓凝混凝土强度的主要特点。应用于钻孔咬合桩的超缓凝混凝土要求3 d强度不大于3 MPa，28 d强度满足设计要求。

4 混凝土的配制及性能

4.1 原材料

（a）水泥： P.O 42.5级水泥。

（b）矿物掺合料：Ⅱ级粉煤灰，密度为2.26 g/cm3，比表面积为327.9 m2/kg，45 μm筛余为16.3％，烧失量为2.31％，需水量比为98.3％，SO3含量为0.35％，7 d活性指数62.3％，28 d活性指数78.5％。S75矿粉，密度2.91 g/cm3，比表面积368.1 m2/kg，7 d活性指数59.0％，28 d活性指数81.0％。

（c）集料：细集料由水洗人工砂和水洗山砂按1∶3的比例复配，细度模数3.0，Ⅱ区中砂，含泥量2.1％，压碎指标值16.2％；粗集料是粒径为5～25 mm连续级配的碎石，压碎值9.2％，含泥量0.82％，泥块含量0.15％，针片状颗粒含量1.7％。

（d）缓凝高效减水剂：采用公司自行研制的JG-C型萘系缓凝高效减水剂。

（e）水：昆明市自来水。

4.2 配合比的确定

根据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55—2011设计原则，综合考虑云南地区的原材料特性，经过实验室大量试配和生产试配，根据混凝土的流动性能、凝结性能、抗压强度试验结果及配合比的经济性优选确定配合比参数选择范围。最终确定初凝时间为60～80 h的C20水下超缓凝大掺量矿物掺合料混凝土生产配合比，具体配合比参数范围见表1。

表1 C20水下超缓凝大掺量矿物掺合料混凝土配合比参数范围

4.3 混凝土的性能

选取生产搅拌站的50 组C20水下超缓凝大掺量矿物掺合料混凝土代表性试样进行工作性能、凝结性能和抗压强度统计分析，结果见表2。混凝土拌和物工作性能见图2。

由表2及图2可知：C20超缓凝大掺量矿物掺合料混凝土的工作性能较好，混凝土拌和物具有良好的黏聚性和保水性，现场易于施工操作。混凝土施工现场抽检坍落度为180～205 mm，扩展度为440～500 mm。C20超缓凝大掺量矿物掺合料混凝土的凝结时间较长，很好地满足了钻孔咬合桩施工工艺的要求。混凝土的初凝时间为67.5～84.0 h，平均初凝时间为73.2 h；终凝时间为78.2～95.3 h，平均终凝时间为85.4 h。C20超缓凝大掺量矿物掺合料混凝土的早期强度得到显著抑制，后期强度发展迅速。混凝土的3 d强度低于3 MPa，平均强度为1.3 MPa；28 d抗压强度为24.5～29.0 MPa，平均强度26.2 MPa，达到设计强度等级的131％，28 d强度满足设计要求。

表2 混凝土的工作性能和凝结性能统计值

图2 C20超缓凝大掺量矿物掺合料混凝土的拌和物工作性能

5 混凝土生产及施工质量控制

超缓凝混凝土的质量是钻孔咬合桩施工工艺成功的前提，混凝土凝结时间、和易性及各龄期强度中一项出现意外，均会严重影响施工进度和工程质量，因此，对混凝土生产质量控制及现场施工组织的要求较高，在超缓凝混凝土生产及施工中应特别注意以下几个问题。

（a）生产前应使各类材料的质量保持相对稳定，特别是JG-C缓凝剂、掺合料和水泥的质量必须严格控制。

（b）应根据生产站实际材料情况进行生产试配，确定最终配合比，并保证生产原材料与试配材料保持一致。当原材料发生变化时，应提前按混凝土配合比进行试拌验证，混凝土性能符合要求方可生产。

（c）生产中应采取可靠措施防止材料误用，主要材料应专罐专用，运输时专车运送。

（d）生产前和生产过程中，应保证JG-C缓凝高效减水剂的缓凝成分充分溶解和搅拌均匀，并保证生产过程中不与其他外加剂混用。生产时应严格控制JG-C超缓凝外加剂的掺量，调整比例±0.2％，保证超缓凝混凝土初凝时间在60 h以上，且不影响后期强度的发展。

（e）超缓凝混凝土出厂时，必须严格检测其工作性，每桩混凝土应进行取样监测混凝土的凝结时间，并取样成型相应龄期强度试件。

（f）超缓凝混凝土运抵工地后，施工方应仔细核查混凝土类别和等级，防止普通混凝土与超缓凝混凝土误用以及强度等级不符，同时施工方应在监理方的陪同下进行取样监测凝结时间，并取样成型相应龄期强度试件。

（g）混凝土凝结时间监测试件及强度检验试件制作后须以保鲜膜或塑料纸覆盖，强度检验试件应在试件终凝后12 h左右方可拆模，并应注意保护试块，防止试块在搬运及养护过程受损。

（h）A桩混凝土浇筑完毕后待B桩混凝土钻孔浇筑完成后应进行填土养护。

6 结语

根据云南地区的原材料特性，采用Ⅱ级粉煤灰和S75矿粉复掺等量取代40％～50％水泥以及自己开发生产的JG-C超缓凝外加剂，成功配制出了满足施工要求的C20超缓凝大掺量矿物掺合料混凝土。

C20超缓凝大掺量矿物掺合料混凝土具有较好的工作性能，易于施工操作；初凝时间达到70 h以上，混凝土的3 d强度低于3 MPa，28 d抗压强度满足设计要求，很好地满足了钻孔咬合桩施工工艺的要求，也满足了工程的质量要求。