长、大直径桩基高性能混凝土设计与优化探讨

赵兴华

0 引言

长、大直径桩基混凝土配合比设计考虑的重点在于混凝土的保坍性能和扩展度的保留，而不仅仅在于初凝时间的长短。室内配制的混凝土，对于大方量水下混凝土实际现场施工时，为保证连续浇筑和较快的速度，仍需继续优化，与一般水下混凝土配合比设计有所不同。本文以广西河池至百色高速公路第五合同段丘莫大桥长、大直径桩基施工为依托，通过对桩基水下混凝土配合比设计与优化，克服了长、大直径桩基水下灌注对混凝土性能要求高，浇筑时间长的不利因素，成功实现了大方量水下桩基混凝土的顺利浇筑。

1 长、大直径桩基大方量水下混凝土配制要点

1.1 长、大直径桩基水下混凝土施工的特点

(1)水下混凝土浇筑时间长。以直径D=3.4 m，桩长H=52 m，水下灌注混凝土方量480 m3为例，连续浇筑时间长达10～12 h，这对混凝土的保坍性能提出了很高的要求。

(2)连续浇筑，浇筑速度快。施工组织比一般桩基水下混凝土灌注更为严格。不允许出现诸如便道不畅通、混凝土浇筑不顺畅(上下抖动导管)的情形。对直径D=300 mm导管，可达到每小时施工40～45 m3左右，是一般普通小桩基水下混凝土无法比拟的。

(3)拆除导管速度快。其导管埋深比小桩基水下混凝土深，前提是混凝土黏性要小，从而提高施工速度的灌注效率。但埋深过大，会增加施工的风险。

1.2 大方量水下混凝土配制要点

1.2.1 对原材料要求高

水泥采用等级比较高的42.5级以上的水泥。28 d抗压强度宜≥48 MPa，砂尽可能采用河砂，细度模数值宜在2.6～2.9之间，且不掺外加剂混凝土试验时河砂需水量要正常。某些需水量很大的河砂，对于不掺外加剂C30混凝土，坍落度210 mm时，每方混凝土需水量高达290～300 kg/m3，远超正常值240～250 kg/m3。采用机制砂时，细度模数宜在2.7～3.1，亚甲蓝MB值控制在1.4以内，应采用比相应河砂更高的砂率。粉煤灰严格控制在Ⅱ级以上时使用。

1.2.2 对混凝土粘度及工作性能要求高

混凝土黏度也代表混凝土的工作性能，黏度过高的混凝土会粘贴导管壁，使水下混凝土浇筑速度变慢。导致混凝土黏度大的因素有：

(1)水泥与外加剂适应性不相匹配。

(2)外加剂减水率过大，以及外加剂(主要指聚羧酸)分子量的大小。

(3)集料特别是细集料含泥量大，机制砂亚甲蓝MB值过大，含粉量大。

(4)某些掺合料如矿粉或不合格的粉煤灰也可能使混凝土黏度过大。

(5)混凝土初始坍落度宜控制在200～220 mm，在条件满足的情形下尽可能在上限220 mm，扩展度控制在500～600 mm。

(6)水灰比在高性能混凝土偏上限，水量大，但胶材也多，尽可能降低黏度。当与扩展度产生矛盾时，宜追求低黏度且使扩展度在规范的范围内。

(7)室内20 ℃条件下，坍落度4 h损失30～40 mm，4 h时坍落度仍可检测在180 mm左右，扩展度损失100～150 mm。坍落度保留主要通过外加剂配方的调整来实现。这比一般小桩基水下混凝土坍落度保留的要求严格。

1.2.3 C30水下大方量混凝土配制

设计要求与普通混凝土配合比设计规范要求相同；混凝土黏度控制：黏度测试采用倒坍落度法。如表1所示。

表1 C30水下大方量混凝土设计配合比表

水泥采用河池市东兰县虎鹰P.O 42.5水泥，28 d水泥胶砂抗压强度≥48 MPa。砂采用当地河砂，细度模数Mx=2.4～2.5，需水量大，配制C30不掺外加剂混凝土，坍落度为220 mm时，每方用水量高达295 kg/m3。限于当地条件，采用此种河砂需外加剂减水率高，砂率Sp=44%，(试验采用砂率Sp=42%时，实际浇筑混凝土时需上下抖动导管，施工不流畅)，混凝土黏度测试38 s。表2是不同外加剂掺量，通过用水量微调，使坍落度相同时的混凝土测试记录。

表2 坍落度相同时不同外加剂掺量混凝土测试记录表

表2数据表明：外加剂掺量越高，减水率越大，混凝土黏度(倒坍落度筒测试)越大，倒坍落度筒测试混凝土流出时间越长。在合适的外加剂掺量及砂率的情况下，存在最小的黏度值，使混凝土工作性能及配制强度满足设计要求。最终实际施工配合比调整为：混凝土28 d抗压强度40.2 MPa，黏度26 S，初始坍落度220 mm，扩展度550 mm，如表3所示。

表3 C30水下大方量混凝土实际施工配合比表

1.2.4 室内坍落度、扩展度损失控制

坍落度及扩展度损失本质上是通过外加剂来控制的，外加剂组分的调整是改变混凝土坍落度及扩展度损失的重要方式。即使已经调整好配方的外加剂，其掺量的大小以及砂石材料与胶材的改变也可影响坍落度及扩展度损失。这是长、大直径桩基大方量水下混凝土设计与优化重点要考虑的内容，直接影响到水下桩基灌注的成败。

1.2.4.1 混凝土初凝时间的控制及测定

混凝土初凝时间长，坍落度保留效果好，长时间浇筑水下混凝土才可以正常进行。但应该注意的是，混凝土初凝时间长，只是长、大直径桩基大方量水下混凝土设计时考虑的最基本的要素，《桥涵施工技术规范》对此也有具体的规定。

混凝土初凝时间、水下桩基方量、连续浇筑时间以及实际测定混凝土初凝时间(采用混凝土贯入阻力仪)如表4所示。

表4 实际测定混凝土初凝时间对比表

经咨询外加剂生产专业人员，混凝土初凝时间的调整可以通过外加剂中的缓凝剂数量大小改变，每种含量都有严格的限制，均以水泥及胶材量的数量为基准加入。片面追求混凝土初凝时间过长，会造成混凝土的强度降低。

1.2.4.2 室内坍落度及扩展度损失控制

主要通过缓释型聚羧酸含量的多少以及恰当的引气剂或消泡剂等来综合改变坍落度和扩展度损失，以长、大直径桩基(φ3.4 m，H=52 m)水下混凝土调整过程为例，如表5所示。

表5 室内坍落度及扩展度损失控制表

实际混凝土浇筑结果表明，远在混凝土初凝时间之前，首盘混凝土已不能通过正常的水下运动过程返至桩基顶面。初凝时间只是必要的条件，而坍落度与扩展度保留是大方量混凝土浇筑至关重要的因素。

混凝土坍落度及扩展度保留在室内(20 ℃)与水下的情况不同，虽然目前还无法通过一套装置来准确模拟长、大直径桩基混凝土在水下的运动轨迹。根据桩基施工经验初步可判定长、大直径桩基混凝土与小桩基不同之处：首盘剪球的混凝土未全部返回至桩基顶面，部分混凝土会停留在桩基一定深度的位置；混凝土返至桩基顶部的能力比小桩基混凝土强一些，但也有一定的时间界限。充分体现了长、大直径桩基大方量混凝土的低黏度、高坍落度保留密不可分，如表6所示。

表6 长、大直径桩基与小桩基混凝土施工技术指标对比表

2 长、大直径桩基高性能混凝土的优化原则

(1)以长时间的坍落度及扩展度保留为原则。对于大方量的水下混凝土，室内20 ℃，4 h后坍落度损失仅为40 mm。

(2)低黏度混凝土为原则。倒坍落度筒流出时间一般不超出30 s。

(3)外加剂掺量最多采用设计正常掺量。不允许采用提高外加剂掺量的方法提高混凝土扩展度，这种方法会提高混凝土的黏度，不利于混凝土的浇筑。

(4)条件允许的情况下，采用比室内稍大1%～2%砂率的水下混凝土更有利于连续浇筑，从而提高浇筑效率，缩短浇筑时间，尽量规避浇筑时间过长的风险。

(5)当采用稍小外加剂掺量以改善混凝土黏度时，必须提高相应胶材(增加水泥浆)用量，以保证混凝土的强度，同时保证外加剂组分仍然可以实现足够的坍落度与扩展度保留。

3 结语

人类资源日益匮乏，用于工程混凝土的砂、碎石等合格原材料尤为突出。通过优化高性能混凝土配合比，能有效解决长、大直径桩基对大方量水下混凝土高性能的特殊要求。虽比常规小桩基水下普通混凝土成本略有增加，但通过配合比设计与优化增强了混凝土对原材料的适应性，缩短了长、大直径桩基大方量水下混凝土的浇筑时间，有效保证了混凝土浇筑质量。

[1]田克平.公路桥涵施工技术规范[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]JG/T223-2007，聚羧酸系高性能减水剂[S].