高性能桩基混凝土可灌注性评价方法研究

2017-03-24向小龙戴银刚谭明涛胡运恒

建材发展导向 2017年1期

向小龙+戴银刚+谭明涛+胡运恒

摘要：文章主要研究影响桩基混凝土工作性能——“桩基可灌注性”的因素和总体评价体系。通过桩基施工模拟实验，针对坍落度、扩展度等常规检测数据以及混凝土的砂率、骨料级配、最大粒径等因素进行系统的对比分析，可以提前判断该混凝土是否达到桩基混凝土基本灌注要求，避免靠经验主义来判断，降低人为产生的质量隐患。

关键词：桩基；混凝土；工作性能

随着混凝土技术的迅猛发展与逐步成熟，混凝土桩基已经成为房建、市政和公路等工程不可缺少的组成部分。由于桩基承受了来自于建筑物所有的力，相当于建筑物的根基，所以它的质量代表着建筑物的安全性。尤其是高架桥中上部结构由于自身重力较大，且易受水平载荷影响，因此对基础承载力和沉降要求更高。因此，对桩基混凝土的研究至关紧要。而在实际生产和施工过程中，大多数施工方仅对混凝土的坍落度进行测量和个人经验就去判断该混凝土是否可以进行桩基灌注。这种判断方式较为武断，且缺少严谨、科学的态度，对个人经验要求很高。而当施工方达不到该要求时，往往容易产生非常严重且不可逆转的后果。

文章旨在通过对高性能桩基混凝土工作性能的研究及对“桩基可灌注性”的评价，以寻求最适宜连续灌注且体积稳定、耐久性良好、抗渗性能高的混凝土，为现代桩基混凝土的浇筑提供参考依据。

1 原材料

考虑到与实际工程相结合，本次课题研究所用材料以常见的原材料为主。以下是本实验所用的原材料及其检测数据。

水泥：选用质量稳定的普通硅酸盐P.O42.5水泥，具体检测数据如表1所示。

粗骨料：选用粒径为5-16mm、5-20mm、5-25mm、5-31.5mm和5-40mm5种连续级配的碎石以及5-10mm和10-20mm单粒粒级的碎石。粗骨料应为粒形良好、质地坚固、洁净的Ⅱ类碎石。

细骨料：选用天然河砂，要求级配合理、质地坚固的洁净天然中粗河砂，具体检查数据如表2所示。

粉煤灰：选用Ⅰ级粉煤灰，具体检查数据见表3所示。

外加剂：选用20%固含量高性能聚羧酸减水剂，其性能符合《混凝土外加剂》标准要求。

混凝土拌合用水：混凝土拌合用水质量符合《混凝土用水标准》规定，水中不应含有影响水泥正常凝结与硬化的有害杂质或油脂、糖类及游离酸类。

2 理论分析

2.1 桩基施工原理分析

桩基混凝土施工时常采用导管施工法，即混凝土经不漏水不变形的导管借自重输送至浇筑点。导管中的混凝土在一定的高度后，自重产生一定的压力，将下层混凝土压出导管下口，使孔内导管外的混凝土面上升，直至压力平衡为止。新送进的混凝土是从已浇完的混凝土面以下进入的，末曾接触到水，整个浇制过程中，只有表面的一小部分混凝土接触过水。这一层接触过水的强度已被削弱了的混凝土始终浮在混凝土表面，因此可以在浇制完成时加以清除。其余混凝土的配合比将是充分符合要求的。同时，由于混凝土是靠压力压出的，而且压力值较大，就保证了混凝土的密实性。具体施工步骤如图1所示。

水下桩基混凝土经导管输送在底部呈扩散方式，工作性能不好容易引起导管附近局部堆积进而导致混凝土灌注困难。而水下混凝土流动状态以临界速度为主、以影响直径为辅的方式进行分类，将孔内水下混凝土流动状态分为完全平稳流态、完全翻滚流态、局部平稳流态和局部翻滚流态四种流态。

2.2 实验模型与方法

本次实验采用的是模拟桩基施工灌注，以ormit儀器为原型进行改造。其中上部混凝土浇筑管的高度改为1000mm，导管直径为150mm，设备原型如图2所示。按照要求把仪器安装好后，将工作性能各不相同的混凝土装满整个设备的导管中，开始计时打开下部出料阀门，记录混凝土完全流出模拟灌注仪所用的时间。

3 试验数据及分析

3.1 混凝土工作性能对可灌注性能影响

3.1.1 坍落度与扩展度的关系

坍落度试验是目前施工现场最常见的一种混凝土工作性能检测方法。一般情况下，坍落度能简单的反映出混凝土的灌注性能。如果坍落度过大，流动性好但易产生泌水和离析；坍落度过小，则混凝土的流动性受影响，管阻增大，两者都会造成堵管。本实验通过测量不同工作性能的混凝土的坍落度与扩展度的关系，得到数据并加以整理得图3。

由图2可看出，塌落度小于200时，扩展度与塌落度有着一定的线性关系，然而塌落度在200以上时，塌落度和扩展度的变化关系就没有线性关系了。这是由于混凝土拌合物的坍落度只能代表其屈服应力，而不能代表其塑性粘度。当混凝土拌合物的坍落度大于200mm时，虽然坍落度可能相同，但混凝土拌合物内的塑性粘度可能相差很大，塑性粘度决定了混凝土的扩展度及流动速度，因此，即便坍落度很大的拌合物，如果它的塑性粘度小，其扩展度也会很小。因此，塌落度并不能很客观地反映浇筑桩基混凝土的工作性能。浇筑混凝土的工作性能与其塑性粘度有着很大的相关性，而扩展度也是混凝土塑性粘度的一种表观形式，所以，用扩展度来衡量浇筑桩基混凝土的工作性更加符合客观事实。

坍落度与扩展度的比值也不是可以随意改变的，当这个比值偏大时，表明混凝土的坍落度一定的情况下扩展度偏小，在实际中的表现为混凝土拌合物太黏，流不开；当坍落度与扩展度的比值偏小时，表明在塌落度一定的情况下扩展度偏大，在实际中的表现为水泥浆包裹不住集料单独流开，即“离析”。因此，工作性能良好的混凝土拌合物的坍落度与扩展度的比值应在一定的范围内。根据吴中伟院士的研究，混凝土拌合物坍落度与扩展度的比值应该在0.4～0.45之间。本实验暂取坍落度与扩展度的比值为0.40。实际生产过程中，浇筑桩基混凝土的施工要求为塌落度至少为200mm，这也就以为着如果讲工作性能用扩展度来评价，浇筑桩基混凝土的扩展度至少为500mm。

3.1.2 扩展度与模拟灌注时间的关系

确定了扩展度为浇筑桩基混凝土工作性能的指标，本实验接下来通过控制混凝土拌合物的扩展度，进行了关于浇筑桩基混凝土扩展度与灌注时间关系的对比试验。通过实验，我们记录下了11组符合要求的实验数据，并制得图4。

由图4可以很直观得看出，浇筑桩基混凝土拌合物的灌注时间与其扩展度呈现很明显的线性关系。当混凝土拌合物扩展度大于500mm时，灌注时间明显减少。但随着扩展度进一步增大，灌注时间的减少趋势弱化。因此根据以上得出结论，浇筑桩基混凝土扩展度应大于500mm，但超过550mm后影响效果逐渐弱化。

3.2 集料对可灌注性能影响

3.2.1 砂率和模拟灌注时间的关系

所谓合理砂率是指水泥用量最省、流动性和粘聚性都好的混凝土砂率。砂率过大，消耗水泥浆增多，混凝土流动性下降，影响桩基灌注；砂率过小，则混凝土产生空隙，和易性差，易产生堵管等。混凝土砂率是否合适直接关系混凝土用水量的高低，拌和物和易性以及硬化混凝土的各项性能。因此必须通过试验选择在设定条件下，和易性好，单位用水量最小时的砂率。

本次实验通过控制浇筑桩基混凝土扩展度为500mm，测定了混凝土拌合物砂率与灌注时间的关系，得到8组数据，将实验数据整理可得图5。

由图5可以很直观得看出，混凝土拌合物的灌注时间与其砂率呈现明显关系，灌注时间先随砂率的增加而减少，之后又随着砂率的增大而增大。本实验得出的最适宜浇筑桩基混凝土的砂率为0.39～0.41。

3.2.2 碎石最大粒径和模拟灌注时间的关系

碎石作为混凝土中不可缺少的组成部分，也是混凝土中单颗粒体积最大的原材料，因此，碎石最大粒径与混凝土的“可灌注性”有密不可分的联系。如果碎石的粒径过大，则混凝土的包裹性会有所下降，易造成导管堵管等现场。但当碎石粒径过小时，为保证包裹性一般要提高砂率，而这对混凝土的工作性能和力学性能又会有一定影响。因此，如何选取碎石合适的最大粒径是本实验的目的。

本实验通过对比使用5-10mm碎石混凝土、5-16mm碎石混凝土、5-20mm碎石混凝土、5-25mm碎石混凝土、5-31.5mm碎石混凝土和5-40mm碎石混凝土工作性能进行比较，并模拟灌注试验。将实验数据整理得图6。

由图可以看出浇筑桩基混凝土灌注时间与骨料最大粒径呈现一定关系，灌注时间先随骨料最大粒径的增加而减少，之后随骨料最大粒径的增大而增大。从图中和确定，最适宜灌注混凝土的骨料最大粒径为25mm。

3.2.3 碎石级配和模拟灌注时间的关系

在控制混凝土其他条件都相同的前提下，本实验分别用符合5-25mm连续级配的石头和粒径为10-20mm的单粒径石头做了桩基模拟灌注实验，实验数据如表4：

对比以上连续级配和单粒径石头混凝土灌注时间，可以明显得看出采用连续级配石头配制的混凝土拌合物的流动性优于单粒径石头配制的混凝土拌合物的流动性，相应的，采用连续级配的混凝土的灌注性能也强于单粒径的。

3.3 混凝土分散性对可灌注性能影响

桩基混凝土的分散性是指混凝土在灌注过程中与水接触时还能保持原态的能力，混凝土分散性指标试验以混凝土在水中10min时导致水PH变化幅度为梯度进行划分。

本实验通过控制桩基混凝土的分散性对经过分散性测试的混凝土进行模拟灌注实验，将实验数据加以整理得图7。

根据图7可以很直观的看出，混凝土的灌注时间与其分散性有很强的对数关系，随着混凝土分散性的增大，灌注時间增大，也就是灌注性能减低。因此，分散值越低的混凝土更容易灌注，在实际生产中，我们应该致力于增加混凝土的不分散性以增强其灌注能力。

4 结语

文章通过在理论分析基础上提出疑问，并用模拟实验的方式对疑问进行探究得出以下新的结论：

（1）坍落度和扩展度都是反应混凝土拌合物工作性能的重要指标，两者在一定范围内具有相关性，当混凝土的坍落度超过200mm时，这种相关性就不再明显；