水下混凝土的配制及在大直径水下钻孔桩施工中的应用

　　关键词：水下混凝土;海工超深度大直径钻孔桩;应用

　　Abstract: this paper combine with the actual construction in Zhejiang Xiangshan Sanmenkou, introduces the preparation of the underwater concrete and the application of Xiangshan bridge gate three super deep bored piles with large diameter.

　　Key words: concrete under water; marine super deep bored pile with large diameter; application

　　中图分类号：TV544+.925 文献标识码：A 文章编号：

　　1 该工程大直径水下灌筑桩混凝土施工难点

　　象山三门口跨海大桥南门桥工程桩基由26根直径为1.8到2.8m的钻孔灌注桩组成。实际桩长最深达97m。单桩最大混凝土用量在580 m3左右，桩身混凝土总用量在7446 m3，混凝土抗压强度设计等级为C30,是典型的海工超深度大直径钻孔桩。施工中在水位变化区保留钢护筒以防混凝土受腐蚀，施工中由于施工场地限制，搅拌站距离施工现场中心桩有600多米的距离。由于桩径大，成孔周期长，沉渣不易清理，单桩灌注需要的混凝土方量大,没有商品混凝土供给,所有混凝土都是工地自己泵送供给,混凝土运送距离远，加上又是夏季施工,混凝土要求质量要求高，施工的难度是不难想象的。

　　2 大直径水下灌筑桩对相应混凝土的要求

　　为了混凝土能够顺利灌注，并且灌注后混凝土性能良好。对对水下灌筑混凝土拌合物的性质、混凝土凝结时间、硬化后的强度以及混凝土的抗渗性有了更高的要求。

　　2.1 具有良好的施工和易性

　　混凝土的流动性：是指混凝土本身自重作用下，自行流动的性能。水下灌筑混凝土施工不能用振捣器振捣，而是靠自重流动进行摊平和密实。在凝结硬化前，若流动性稍差，就会造成堵管或是在硬化混凝土中造成缺陷。此外，混凝土通过导管输送和浇筑，要求混凝土必须有较大流动性和一定的保持能力。一般要求混凝土的塌落度控制在180～220mm左右，灌注大方量混凝土流动性保持能力以不小于1.5h为宜，一般要根据施工方法及导管直径来选择塌落度。

　　粘聚性和保水性：粘聚性是指混凝土抗离析的能力，而保水性则指保持水分不易析出的能力。海工水下大直径钻孔灌注混凝土必须具有较好的粘聚性和保水性，可以防止混凝土在输送过程和浇筑时产生离析和泌水现象，泌水率应控制在1.2～1.8%之间的混凝土拌合物具有较好的粘聚性，实际施工时要求2小时内析出的水分不大于混凝土体积的1.5%[1]。但砼的粘聚性又不能太大，否则提升导管时，由于导管直径较大、桩身长，提升导管周期长，很难保证冲挤入先浇注的砼造成断桩，故对这类砼还得有一定的离散性，这就要选择与所用水泥相适应的外加剂。

　　2.2有适度的初凝时间

　　大直径桩混凝土浇筑时间长，受气候影响大，故要有适宜的初凝时间，初凝时间不宜太长也不宜过短，一般根据浇筑时间，浇筑环境情况等综合决定，尤其要注意首批封底混凝土的凝结时间一定要考虑周到,否则施工中会在混凝土浇注表面形成一层硬化混凝土而影响浇注。

　　2.3抗压强度

　　水下混凝土的抗压强度为空气中施工的抗压强度的50%～90%[2]，故设计时一般要比陆上的设计强度提高一个强度等级。

　　3 海工大孔径水下混凝土施工中所采取的技术措施

　　3.1 对原材料的基本要求

　　从水下混凝土的浇注工艺可知,导管在施工中是一直插在已经浇注的混凝土中，而通过后续的浇注使桩不断的变长，混凝土浇注一旦开始就必须不停的施工直到最终成桩,如果中途停机就有可能会因为水泥的凝结而导致断桩,而为了保证整个浇注过程顺利,必须选择好混凝土施工的原材料。

　　3.1.1 水泥

　　水泥是混凝土中强度形成的主要因素，为保证水下灌筑施工质量和浇注顺利进行，宜选用细度适中，泌水率小和收缩率较小的水泥。同时考虑到防腐抗渗，一般应选用火山灰水泥或粉煤灰水泥，但由于当地原材料的缘故，本工程选用的是京阳水泥厂生产的“嘉新”牌42.5#普通硅酸盐袋装水泥。该水泥理化性能指标较好，强度富余系数较高。为了改善混凝土性能设计配合比时掺入活性混合材粉煤灰。

　　3.1.2 砂

　　对水下灌筑混凝土，细骨料的质量对于水下混凝土的和易性起着至关重要的作用，为保证施工顺利，一般选用级配良好，颗粒表面圆滑，细度模数介于2.10～2.80之间的中砂，其他的砂不是不可用，只是对于增进施工和易性来说，这样的细骨料应当优先考虑，本工程中使用的福建闽江的河砂细度模数介于 2.4～2.80之间，筛分曲线平滑，完全满足施工要求。

　　3.1.3 碎石

　　碎石和卵石比较起来，级配良好的卵石对于配制和易性优良的混凝土来说是首选，采用碎石，需要通过适当增大砂率，保证混凝土拌合物有较好和易性。但本工程周边没有大的河流，只好选用当地碎石厂的碎石，大的碎石厂的碎石是同过水运供应上海商品混凝土市场，所以碎石的质量通过检测还是比较过关的，本工程采用的是当地产5～31.5mm粒径的连续级配的碎石，母岩的抗压强度远大于1.5倍的砼设计强度，且含泥量较小，完全满足施工要求。

　　3.1.4 外加剂

　　外加剂的选择应综合考虑对所选水泥有良好的适应性，减水效果，提高混凝土可泵性，保塑性，提高流动性和延长初凝时间至达到施工要求的目的。本工程采用的是江苏博特新材料有限公司生产的聚羧酸类的缓凝高效减水剂(PCA)，该类减水剂是目前减水剂的第三代新产品，它的特点是与水泥适应性强，掺量小，减水率高，拌制的混凝土粘度小，不离淅，不泌水，体积稳定性好，而且由于它的超大连状分子结构，使得所配制的混凝土保塑性好，整体性能都要优于萘系减水剂。

　　3.1.5 矿物掺和料

　　由于粉煤灰的滚珠效应，它的掺入不但能改善混凝土在新拌阶段的稳定性，而且能在凝结硬化后与由于它的火山灰效应能与水泥水化产物发生二次水化反应从而填充混凝土硬化后内部的孔结构，增强混凝土的密实度，进而使混凝土的强度和抗渗性增强，故在配制泵送混凝土，尤其配制海工水下混凝土时掺入一定量的粉煤灰是必要的。本工程掺加的粉煤灰是北仑电厂产的二级粉煤灰，其各项指标都可以达到国家标准对二级粉煤灰的要求。

　　3.2 优化施工配合比

　　水下混凝土要求具有比普通混凝土更大的流动性、粘聚性和保水性，结合本工程的特殊性及施工季节(施工大直径桩时正赶上南方的夏季天气，天气太热混凝土坍落度损失较大)，试配时将塌落度应控制在18～22cm左右，初凝时间不得低于8小时。试配水灰比按规范宜控制在0.5～0.6之间[3]，水灰比太大输送过程中容易产生离析和泌水，太小粘聚性会增加且保塑性很难保证，这样都不利于施工，实际可根据试验酌情增大或减少应本着节约水泥的原则下尽量降低水泥用量，掺用适量的活性掺和料，以及适应性好的外加剂。通过掺加高效缓凝减水剂、活性掺和料(粉煤灰)及大量试验，本工程最终所选配合比的水胶比为0.48，虽然偏小，但混凝土各项性能良好均能满足施工需要，配合比如表1所示：

　　表1　每1m3混凝土材料用量表(配合比)

　　水泥(kg/m3)砂(kg/m3)石子(kg/m3)水(kg/m3)粉煤灰(kg/m3)外加剂(%)(PCA)砂率(%)设计坍落度(mm)实测坍落度(mm)容重

　　(kg/m3)

　　3407401024206900.642180~2202102400

　　按上述配合比试配，制做标准混凝土抗压试件,试件抗压强度试验结果如表2所示：

　　表2 混凝土的立方体抗压强度

　　混凝土

　　初凝时间标准混凝土试件抗压强度(Mpa)

　　3天7天28天

　　11h27.634.544.2

　　3.3　做好施工设备和材料的准备

　　本工程由于施工现场条件所限制，拌和楼距浇注地点远，又没有足够的混凝土输送车，故选用泵送输送，混凝土泵选择功率较大的柴油泵，并备用一台电气泵。施工前期对施工机械要求全面检查，以保证施工机械在施工中保持良好状态;材料准备要根据需要情况，考虑到各方面损失，准备好各种原材料。

　　3.4 做好施工组织管理工作

　　在每次大方量混凝土浇筑工作开始之前，应认真组织项目部各相关部门开会安排，对各个施工环节要交待清楚，使参予施工的所有人员充分明白其所工作内容和相互间配合的程序。

　　4 水下灌筑大方量混凝土应注意的事项

　　(1)泵送过程中应注意防止混凝土离析，如出现离析应将离淅的料丢弃或暂放弃，以防止堵泵。

　　(2)开灌前储料斗内必须有足以将导管底一次性埋入水下混凝土中2m以上深度的混凝土。

　　(3)灌筑过程中，应徐徐浇注，过快易在导管内形成高压空气囊而堵管，过慢也易使混凝土塌落度损失过大而堵管。

　　(4)混凝土灌筑的上升速度不得小于2m/h，导管底端埋入混凝土面以下一般宜保持在2～4m，不宜大于6m，更不得小于1m。随着混凝土面上升，要适时提升或拆卸导管，严禁把导管底端提出混凝土面，做到混凝土不在水中落下。

　　(5)应根据原材料情况和气候条件的变化，随时调整混凝土配合比，以满足混凝土拌合物特性指标的要求。

　　(6) 在泥浆中进行水下混凝土浇灌作业，对于超深桩，应将混凝土浇灌至桩顶设计标高以上1.0m方可终止混凝土浇注。

　　(7)夏季施工时要注意混凝土的坍落度损失，采取必要的措施减小气温对新拌混凝土的影响，可通过在拌和用水中加入冰块，覆盖好施工用的原材料防止暴晒，避开中午最热的气温段，选在夜间施工等措施来解决。

　　5 浇注质量

　　(1)该工程已完成的钻孔桩施工现场取样做试件养护28天，达期龄的混凝土强度经评定均合格。

　　(2)浇注完成的桩身通过超声波检测，桩身完整，没有大的缺陷，混凝土分布均匀。

　　6 结论

　　(1)由于在混凝土中掺入的活性混合材料粉煤灰不仅节约了水泥，改善了新拌砼的施工性能，还提高了硬化砼的抗渗性能。

　　(2)新拌混凝土的稳定性(不离析，不泌水)是混凝土灌注成功的前提，而原材料的选择对新拌混凝土的稳定性起了很大一部份作用，合理的选择原材料可以配制出满足施工要求的配合比，但无论是在配制过程中还是实际施工过程中都必须严格控制新拌混凝土的稳定性。

　　(3)夏季施工中要对大孔径超深桩的浇筑要采取必要的措施，以防止混凝土坍落度损失过快，造成断桩事故。

　　[参考文献]

　　[1] 张应力 现代混凝土配合比设计手册[M], 人民交通出版社, 2002.12 : 369~392.

　　[2] 水运工程混凝土施工规范[S] JTJ268-96 中华人民共和国交通部 1996.4. 19

　　[3] 公路桥涵施工规范[S] JTJ041-2000 中华人民共和国交通部, 2000. 4.24

　　作者简介: 段献智(1976.6~) 男 工程师 陕西 大连万鹏港口工程检测有限公司 学士 专业:无机非金属材料