基于SCP的超缓凝混凝土浇筑技术*

王开强，周环宇，巴 鑫，宋万鹏，吴全龙

(中建三局集团有限公司，湖北 武汉 430070)

0 引言

地下连续墙技术起源于欧洲，根据石油钻井使用泥浆护壁和水下浇筑混凝土的方法发展而来。1920年，德国首先提出地下连续墙技术专利，20世纪50年代，地下连续墙技术传入我国和日本。目前日本已成为地下连续墙技术应用最广泛的国家，在设计和施工方面均处于世界领先水平[1-2]。作为目前最佳的挡土、止水结构，地下连续墙一经问世便在世界范围内迅速得到推广[3]。然而受槽壁稳定性、成槽设备及钢筋笼吊重等多种因素限制，地下连续墙一般设计为由标准宽度的单元墙体搭接组成，施工中需分幅成槽和泥浆护壁，导致施工过程中存在较多接缝及废弃泥浆，接缝若处理不当将严重影响地下连续墙止水功能，甚至导致墙体破坏引起基坑事故，而废弃泥浆绿色化处置也是目前亟待解决的难题[4-5]。

基于常规地下连续墙存在的施工缝渗漏等风险及现有水泥土搅拌墙技术特点，创新性地提出同步切割浇筑混凝土连续墙技术(synchronous cutting and pouring concrete wall，简称SCP)[6]。该技术不仅解决了常规地下连续墙存在的施工风险，而且通过连续浇筑混凝土形成无冷缝的地下连续墙，切割排土与混凝土浇筑同步进行，高效快速作业，彻底解决接缝渗漏风险，同时大幅度减少废弃泥浆的产生，符合国家战略和绿色施工理念。

1 SCP技术原理

将施工作业区段分为锯割排土段、超缓凝混凝土浇筑段和骨架后置段，利用隔离装置隔离前侧锯割排土段松散土体与后侧超缓凝混凝土，通过切割箱连续切割外排土体释放空间，并不断补充浇筑隔离装置后侧的超缓凝混凝土，利用未凝固状态混凝土的侧压力顶推切割箱和隔离装置整体向前行进，向混凝土浇筑段未凝固混凝土内及时跟进下放劲性骨架，形成无缝劲性骨架混凝土地下连续墙。简单概括为锯割成槽、连续排土、随同浇筑、土-混凝土隔离、后置骨架。SCP技术原理及首台样机如图1所示。

图1 SCP技术原理及首台样机

基于上述工艺原理，随同浇筑的混凝土需具备以下功能：①维持槽壁稳定；②提供装备静推压力；③便于骨架后置；④基坑开挖后抵抗土体变形。因此，适用于SCP技术的混凝土具有以下特点：①凝结时间长，确保一定长度范围内的混凝土具有较好的流动性，保证后置骨架的顺利贯入和提供稳定的静推压力；②良好的工作性能；③强度符合设计要求。针对上述特点，需开展超缓凝混凝土浇筑工艺参数和配合比设计研究。

2 超缓凝混凝土工艺参数研究

2.1 假设条件

为分析超缓凝混凝土浇筑工艺参数，建立随同浇筑混凝土计算模型，模型满足以下假设条件。

1)初始状态下，槽段内超缓凝混凝土高度不高于槽段深度，且不能低于槽壁稳定的安全深度，此处为方便确定混凝土浇筑范围，假定混凝土高度等于槽段深度。

2)掘进状态下，研究对象范围内超缓凝混凝土仍处于完全流动状态，未超过初凝时间，因此存在一个临界长度确保该段槽段内混凝土仍存在流动性。

3)该槽段内流动态混凝土处于同一高度范围，不考虑新旧混凝土流动性差异的影响。

4)通过初步浇筑试验确定混凝土流动分布存在一定倾角，为方便模型分析，此处分析假定流动倾角为固定角度。

2.2 计算模型

超缓凝混凝土浇筑工艺参数及所需性能与整个施工工艺密切相关，经初步分析，主要因素包括设备掘进速度v、地下连续墙深度范围内完全流动态混凝土长度L0、完全流动态混凝土影响范围Lf、新掘进段长度L、混凝土流动分布倾角α、地下连续墙设计深度h0、安全高度h1和地下连续墙设计宽度d0等。基于SCP技术的超缓凝混凝土浇筑工艺计算模型如图2所示。

图2 超缓凝混凝土浇筑工艺计算模型

初始状态下地下连续墙槽段内已浇筑混凝土体积为：

(1)

设备掘进一段距离L后，新掘进的槽段由已有混凝土填充，因此混凝土液面将下降一定高度，当下降高度达到或超过安全高度h1时，槽壁将存在安全风险，需及时补充超缓凝混凝土以满足槽壁掘进需求。根据几何关系此时有：

(2)

L=vt

(3)

(4)

式中：t为设备掘进时间(h)。

联立式(1)～(4)，可得确保设备正常横向掘进过程中超缓凝混凝土浇筑参数的控制模型，即超缓凝混凝土浇筑节点及浇筑量计算式为：

(5)

Vc=vth0

(6)

为保证在完全流动态混凝土区段内的混凝土流动性，即不超过初凝时间，根据同步切割浇筑特点，相同时间内切割掘土量与混凝土浇筑量相同：

(7)

整理式(7)可得所需初凝时间计算为：

(8)

本文中只研究同步切割浇筑工艺下混凝土所需的凝结时间。

切割深度取值应结合本设备的掘进能力确定，该设备的成墙深度>40m，因此结合常规地下连续墙深度和本设备技术指标确定地下连续墙设计深度h0取值范围为：20m≤h0≤50m。

初始状态下已浇筑混凝土段长度L0需结合超缓凝混凝土材料性能、浇筑工艺和后置劲性骨架工作面要求等确定，需保证在已浇筑段长度内混凝土不发生凝固，保持一定的流动性，基于现有混凝土浇筑设备和工程经验，其取值范围为：20m≤L0≤40。

设备掘进速度v根据设备的额定横移速度和施工工艺的合理要求取值为：0.2m/h≤v≤0.6m/h。

根据初步混凝土浇筑模拟试验确定混凝土存在一定流动分布倾角，但暂无法确定具体倾角大小，计算模型中暂设定流动分布倾角取值：30°≤α≤60°。

2.3 参数分析

采用控制变量法对影响混凝土初凝时间的因素进行参数分析。

2.3.1地下连续墙设计深度

假定地下连续墙深度范围内完全流动态的混凝土长度L0=20m，掘进速度v=0.6m/h，混凝土初凝时间tf与地下连续墙设计深度h0的关系如图3所示。

图3 tf与h0的关系

由图3可知，混凝土初凝时间与地下连续墙设计深度呈线性正比例关系，设计深度越大，所需混凝土初凝时间越长；相同设计深度下，混凝土凝结时间随混凝土流动分布倾角的增大而减小。

2.3.2掘进速度

假定地下连续墙深度范围内完全流动态的混凝土长度L0=20m、地下连续墙设计深度h0=40m，混凝土初凝时间tf与掘进速度v的关系如图4所示。

图4 tf与v的关系

由图4可知，混凝土的初凝时间与掘进速度呈反比例关系，掘进速度越快，所需混凝土初凝时间越短，且变化趋势随之逐渐变缓；,相同掘进速度下，混凝土凝结时间随混凝土流动分布倾角的增大而减小，且倾角越大，凝结时间降低趋势越缓慢。

2.3.3地下连续墙深度范围内完全流动态混凝土长度

假定地下连续墙设计深度h0=40m，掘进速度v=0.6m/h，混凝土初凝时间tf与地下连续墙深度范围内完全流动态混凝土长度L0的关系如图5所示。

图5 tf与L0的关系

由图5可知，混凝土的初凝时间与地下连续墙深度范围完全流动态混凝土长度呈线性正比例关系，地下连续墙深度范围完全流动态混凝土长度越长，所需混凝土初凝时间越短；相同流动态混凝土长度下，其流动分布倾角越大，混凝土凝结时间越短。

2.3.4混凝土流动分布倾角

假定地下连续墙设计深度h0=40m，地下连续墙深度范围内完全流动态混凝土长度L0=20m，掘进速度v=0.6m/h，混凝土初凝时间tf与混凝土流动分布倾角α的关系如图6所示。

图6 tf与α的关系

由图6可知，混凝土的初凝时间与流动分布倾角呈反比例关系，流动分布倾角越大，所需混凝土初凝时间越短。

综上分析，混凝土缓凝时间与地下连续墙设计深度、地下连续墙深度范围内完全流动态混凝土长度、掘进速度及混凝土流动分布倾角等因素密切相关。由于本项技术为全新工艺，无可参考案例，为确保SCP技术的施工连贯性，结合现有超缓凝混凝土技术和施工过程中可能存在的故障检修、紧急处理等问题，超缓凝混凝土的凝结时间初步设定为：初凝时间≥60h，终凝时间≤72h。

3 超缓凝混凝土配合比设计

3.1 拟解决的关键技术问题

根据SCP技术工艺原理和混凝土参数要求，超缓凝混凝土配制需解决的关键技术问题为：①拌合物凝结时间控制；②拌合物工作性控制；③拌合物强度控制。

根据上述关键技术问题及施工经验，拟配制的超缓凝混凝土需满足的技术指标要求如表1所示。

表1 超缓凝混凝土技术指标要求

3.2 原材料选型

水泥选用P·O42.5水泥，其物理力学性能如表2所示。矿渣粉为S95级。微硅粉含硅量≥80%。玻璃微珠为I级。细骨料中机制砂细度模数为3.3，含水率为9%；江砂细度模数为1.1，含水率为10%；黄砂细度模数2.4，含水率3%。粗骨料选用5～15mm青石，压碎值为10.4%。聚羧酸减水剂选用聚羧酸减水剂母液，包括减水型、综合型、保坍型、降粘型及引气、消泡等功能型助剂，成品外加剂是由多种母液定制化复配得到。有机缓凝剂采用白糖、葡萄糖酸钠等；无机缓凝剂采用多聚磷酸钠、六偏磷酸钠、柠檬酸、羟基乙叉二膦酸等。

表2 水泥物理力学性能

3.3 缓凝剂组分对水泥砂浆水化温升的影响

3.3.1缓凝剂初筛

基于不同缓凝剂的缓凝机理和缓凝效果的差异性，开展缓凝剂的种类和用量试验，在水泥砂浆中外掺具有缓凝作用的不同缓凝剂，并测试砂浆绝热条件下的水化温升，再遴选出有效组分进行复掺试验，确定最终缓凝剂配方。

基于上述研究思路，开展HEDP、白糖、葡萄糖酸钠、柠檬酸、三聚磷酸钠及六偏磷酸钠6种具有缓凝效果的缓凝剂单掺试验，0.1%缓凝剂掺量下水泥砂浆的水化温升曲线如图7所示。由图7可知，相比于未掺加缓凝剂的砂浆，在相同掺量下，几种缓凝组分均有较明显的延缓水泥水化绝热温升的作用，但作用强度有明显区别，白糖和HEDP对绝热温升峰值具有明显的削弱作用，考虑到本次试验要求混凝土具有较长的缓凝时间，综合比对后选用白糖和HEDP作为后续试验缓凝剂复掺组分。

3.3.2缓凝剂复掺设计

基于上述缓凝剂单掺试验结果，开展白糖和HEDP 2类缓凝剂复掺的水泥砂浆水化温升试验，不同比例复掺缓凝剂水泥砂浆的水化温升曲线如图8所示。

图8 不同比例复掺缓凝剂水泥砂浆的水化温升曲线

由图8可知，缓凝剂复掺量较小时，水化温升曲线峰值较高，缓凝效果作用不明显，砂浆内部仍在进行剧烈的水化反应。当缓凝剂复掺量较大时，以0.3%HEDP+0.3%白糖掺量为例，水泥砂浆的水化温升峰值明显降低且延后，温升曲线更为平缓，表明砂浆内部水化反应由原来的较集中向更平缓的趋势发展，这对提高混凝土缓凝时间、延缓水泥水化反应更有利。基于试验结果，本次超缓凝混凝土配制中缓凝剂配方采用0.3%HEDP+0.3%白糖掺量配合比。

3.4 配合比设计及试配试验

根据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》，混凝土强度等级为C30，最大水胶比为0.6，最小胶凝材料用量为350kg/m3。根据超缓凝混凝土的特殊和易性要求，取总胶材用量400kg/m3，水胶比0.6，设计用水量为240kg/m3，计算得到的基准配合比为：水泥∶矿粉∶玻璃微珠∶微硅粉∶砂∶石∶水∶外加剂=120∶130∶100∶50∶922.1∶851.1∶230.4∶6.4(kg·m-3)。

在基准配合比的基础上，开展超缓凝混凝土的试配试验，试验内容包括以下方面。

1)选用合适的机制砂、江砂、黄砂比例，使混合砂达到II区中砂性能指标，满足坍落度、黏聚性和饱水性要求。

2)调整外加剂用量和用水量，使出机拌合物的坍落度、扩展度、黏聚性和饱水性均满足设计要求。

3)对缓凝剂进行复掺试验，使混凝土拌合物满足长时保坍、60h未达初凝，且仍具有一定的流动性。

经过多次试配及调试，满足技术指标的超缓凝混凝土拌合物性能指标如表3所示。根据试验结果，该拌合物具有良好的工作性能，60h后坍落度和扩展度仍能达到210，480mm，流动性较好，满足后置骨架的时间要求。其抗压强度变化规律与常规混凝土存在一定差异，在养护早期阶段混凝土强度增长较慢，28d龄期后能达到30.1MPa，这与早期缓凝剂的长效缓凝作用有关。基于多次试配试验及结果分析，满足SCP技术要求的超缓凝混凝土试验配合比如表4所示。

表3 混凝土拌合物性能指标

表4 超缓凝混凝土试验配合比

3.5 超缓凝混凝土现场浇筑

基于实验室试配结果，于2021年6月18日在湖北广电项目开展SCP技术超缓凝混凝土的现场浇筑试验，现场浇筑过程为：混凝土泵送→现场坍落度测试→现场扩展度测试→混凝土浇筑→钢筋笼后置→同条件养护试块。

现场浇筑完成后，将混凝土拌合物装入150mm×150mm×150mm模具中，成型标准试块分别放于标准养护和同条件养护环境中，测试其不同龄期强度发展规律。不同养护条件及制作条件下混凝土强度发展对比结果如图9所示。由图9可知，拌合站生产线生产的混凝土各龄期强度发展略低于实验室，这与实验室配制混凝土时材料用量控制较精确有关，但总体强度发展良好，28d内强度发展基本符合预期设计要求。

图9 不同养护条件及制作条件下混凝土强度发展对比

4 结语

同步切割浇筑混凝土连续墙技术对混凝土的凝结时间和工作性能提出了较高的要求。本文基于超缓凝混凝土浇筑工艺参数研究，详细分析了影响混凝土凝结时间的各项因素，考虑到SCP技术的连贯性和现场可能存在的问题，提出初凝时间≥60h、终凝时间≤72h的混凝土凝结时间要求。基于此要求，开展混凝土缓凝剂选型及复掺设计，配制高流态超缓凝混凝土，并成功应用于同步切割浇筑混凝土连续墙工艺验证试验中，取得了良好的效果。