水下預填骨料升漿混凝土的應用

康松濤，李廣森，郁祝如

（中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連 116083）

1 水下預填骨料升漿混凝土的原理

預先在水下模板內將粗骨料鋪好，再向其空隙中注入水泥砂漿的混凝土，稱為水下預填骨料升漿混凝土。

水下預填骨料升漿混凝土是在預先處理好的基槽中，拋填一定粒徑級配的骨料，然后打入升漿管，把攪拌好的水泥砂漿輸送到骨料的空隙中去進行填充。漿液在骨料中由壓力高處向壓力低處移動，移動在上面和前面的漿液由于與水接觸，漿液濃度降低，密度減小。漿液在整個移動過程中，密度小的漿液始終在整體移動漿液的上面和前面，而密度較大的漿液在下面。隨著砂漿的不斷輸入，漿液在骨料中不斷的移動，將粗骨料空隙中的水全部置換成砂漿，最終填充所有骨料的空隙，達到水下預填骨料全部被升漿填充成混凝土的目的。

2 水下預填骨料升漿混凝土的用途

水下預填骨料升漿混凝土主要應用于濕法施工的大型船塢工程的船塢底板、塢墻和重力式圍堰基礎的止水工程；船塢底板配重混凝土體；減少基床沉降作用和局部堵洞；水工工程基床的補強、加固、淘刷孔洞的修補；重載碼頭（如海工構件出運碼頭）沉箱內塊石整體強度的加固等。

3 工程應用狀況

上個世紀90年代中后期，在我國大連中遠6萬噸級船塢工程中，水下預填骨料升漿混凝土的施工工藝被大規模應用，被專家們認為“該項大型船塢工程的施工工藝達到九十年代的國際先進水平”。該工程采用的是高速砂漿攪拌機集中攪拌砂漿，前方分散供應砂漿的方法進行施工。由于該工程坐落在曾被判定為不能建塢的喀斯特地貌斷裂帶，地質條件極為復雜，既有破碎帶3處、又有大小不等溶洞、溶溝、溶槽等200多處。尤其是首次采用水下預填骨料升漿混凝土，這種混凝土對于結構的影響，認識還較膚淺，也沒有較好的強度檢測手段，還沒有建立實際強度與標準試件強度的相關性，因此，在該工程上最后尚沒有作為結構混凝土應用，而是只作為船塢底板的止水及配重，按人造地基來對待。

之后，大連造船重工30萬噸級船塢工程采用了干法和濕法施工相結合的工藝，該工程水下預填骨料升漿混凝土的砂漿采用高速攪拌機集中拌和，前方分散供應砂漿的方法施工。在該工程中成功地解決了基礎淤泥層的填充問題；二次升漿混凝土界面的浮漿處理問題；圍堰沉箱基礎的止水問題。

后在大連香爐礁港區新建造船塢建設項目（三標段）中也應用了該項技術。該工程塢墻采用沉箱重力式結構，共計50個沉箱，塢口為鋼浮箱結構，塢墻基礎及塢口基礎均為升漿基床；塢底板采用減壓排水結構，底板下為換填塊石混凝土及灌注樁基礎。該工程的水下預填骨料升漿混凝土采用慢速集中攪拌砂漿，前方高速分散攪拌的施工工藝。同時，在砂漿中首次摻入摻和料。

接著在采用干濕法結合施工的大連大船海工鉆井平臺專用塢工程中再次成功應用。在塢墻和塢口圍堰基礎的水下預填骨料升漿混凝土采用慢速集中攪拌砂漿，前方高速分散攪拌的施工工藝。同時，加大了砂漿中的摻和料摻量。

還在旅順大連造船項目應用中成功實現了對塢首堵口圍堰的止水。該項目1號、2號船塢工程由兩座平行、相依的大型船塢組成，是中遠旅順造船基地的重要組成部分。該工程的水下預填骨料升漿混凝土采用慢速集中攪拌砂漿，前方高速分散攪拌的施工方法，實現了成功止水。

4 骨料粒徑的選擇與配合比

4.1 骨料粒徑

水下預填骨料升漿混凝土骨料粒徑大小的選擇，與鉆孔埋設升漿管工藝有關。骨料粒徑大，在打設升漿管時容易把鋼管打彎或者打斜。經幾個工程實踐，直接將升漿管打入基床，粗骨料粒徑宜用50～200 mm。如果粒徑太大，需加打套管，則又與升漿混凝土原理“漿液始終向壓力低的方向流動”有關。如套管埋入升漿混凝土（部分），則漿液延套管與升漿管壁上升；當套管拔出后，孔隙率的大小與骨料自然塌落程度和升漿管直徑有關，因此加套管的效果比不加變差。骨料粒徑太小，漿液在粗骨料中流動阻力變大，坡降變陡，流速變慢，在升漿過程中產生的浮漿量增大。

4.2 配合比

水下預填骨料升漿混凝土的砂漿配合比是根據在工程中不同的作用和用途進行設計的。設計時應考慮砂漿的流動度、泌水率、膨脹率、凝結時間和抗壓強度等指標。并根據工程要求進行配合比調整，不能千篇一律采用一個配合比，應根據不同的目的和要求摻入粉煤灰或其它摻和料。

水下預填骨料升漿混凝土的施工有夏季和冬季，由于季節的差別，氣溫是不同的。因此，溫度對于砂漿流動度的損失是有影響的，漿液的溫度高，流動度的損失就大，溫度低流動度損失較小。在施工時，要根據環境溫度進行配合比的調整。

預填骨料升漿混凝土可以分段升漿，每個升漿單元的升漿量，是根據工程的規模、攪拌站的攪拌能力、水泥罐儲存水泥數量的多少、砂漿輸送的距離等來確定。在完成同一個升漿單元時，漿液的凝結時間與溫度變化是有影響的。同樣的配合比和外加劑摻量，在夏季水泥漿液凝結時間快，而在冬季凝結時間就慢，為保證連續灌注水泥砂漿能充分填充飽滿，應根據現場溫度情況和升漿量合理地進行砂漿漿液凝結時間的調整。在夏季采用緩凝型外加劑，適當延緩由于溫度的影響使砂漿漿液初凝時間縮短的問題，保證在一個升漿單元施工完畢后初凝。

5 施工中的質量控制

5.1 灌漿壓力

水下預填骨料升漿混凝土的砂漿是通過砂漿泵輸送，輸送壓力的大小與骨料空隙的大小、漿液性能、升漿深度有關，不是固定不變的。一般可控制在0.1～0.3 MPa范圍內。

5.2 砂漿攪拌

水下預填骨料升漿混凝土的漿液從試驗玻璃槽內觀察到，漿液即沿孔隙表面成一定的坡度流動。因此，漿液宜經高速砂漿攪拌機進行攪拌，水泥顆粒經高速剪切、分散，增大水泥的比表面積，使水泥與砂完全溶合且攪拌均勻，才能具有良好的流動性。另外，通過高、低速攪拌機攪拌砂漿性能對比試驗結果見表1?？梢钥闯霾捎酶咚贁嚢铏C攪拌的砂漿強度比低速攪拌機攪拌的3 d、7 d、28 d抗壓強度分別高出11.6%、20.5%、13.5%。同時高速攪拌機攪拌的砂漿泌水率比低速攪拌機小、流動度要好。這是因為水泥砂漿經高速攪拌機攪拌，把水泥顆粒充分破碎，使水泥水化更完全，提高了混凝土的流動度和強度。

5.3 升漿方法

應按預填骨料升漿混凝土基礎的大小及升漿能力對基礎進行分段拋填和升漿。每分段之間需用隔斷隔開成為獨立的升漿單元，保證每個升漿單元之間不串漿。常用的隔斷措施有鋼板、土工布及混凝土方塊等。見圖1。

表1 不同攪拌速度對砂漿性能的影響

圖1 基床土工布隔斷示意圖

升漿孔排距、管距的布置必須能夠保證相鄰升漿孔之間漿液流動范圍能夠重合，距離宜為3 m，觀測管應布置在相鄰兩排升漿管之間，排距和管距同樣宜為3 m。見圖2。

圖2 升漿管、觀測管布置示意圖

升漿時應從低處起始，待低處升滿后，再升高處。升漿方法有“平升”和“斜升”兩種方法，“斜升”工藝為從一端開始向另一端推進，即當上排管的砂漿流至下排管并埋深600 mm時，下排管開始升漿。“平升”工藝為全部升漿管同時壓漿，漿液同時上升。如圖3、圖4。

圖3 斜升工藝示意圖

圖4 平升工藝示意圖

在升漿能力允許的條件下，應盡可能采用平升工藝。

對于升漿混凝土中充填不密實的部分必須采取措施。對密實性有疑慮的部位進行二次壓漿，或者壓注水泥漿，以保證升漿混凝土的充分充填性和充填的密實性。

6 施工中的檢測

6.1 強度檢測

混凝土的質量檢測一般采用150 mm×150 mm×150 mm的標準試件進行檢驗，并用數理統計方法進行質量評定。由于水下預填骨料升漿混凝土不是一種均勻分布骨料及致密的混凝土，它不同于普通混凝土，它的實際強度與標準試件強度的相關性目前尚沒有建立，沒有任何試驗數據的支持，可參見文獻[1]。升漿混凝土是新技術，目前試驗研究和工程實踐中實體強度與試件強度的相關關系還在不斷地積累資料和探索之中。

6.2 鉆孔檢測

目前參照日本土木學會1986年制定的混凝土標準第22章灌漿混凝土中的檢測，從鉆孔取芯樣及水下孔內電視觀察升漿混凝土的整體性。水下預填骨料升漿混凝土尚難以達到整個“升漿體積”都充分密實，局部有砂漿與塊石接觸或結合不密實的地方，存在縫隙，有砂漿沒有進入塊石空隙的。特別是預填骨料的下部和小粒徑成堆或縫隙較小處沒有砂漿，或包裹在升漿混凝土中間不成片，或成層成片。對于這些現象，再通過進行水泥灌漿—用固結灌漿方式可以消除成層成片無漿液弊病。它作為止水及配重是沒有問題的，也可以檢測推算的。

6.3 力學性能

水下預填骨料升漿混凝土至目前為止，只做試件模擬試驗，尚難于做升漿體的實體檢測。

7 質量檢驗評定

7.1 試件檢驗

水下預填骨料升漿混凝土的抗壓強度檢驗，可采用200 mm×200 mm×200 mm的試件，由于水下預填骨料升漿混凝土的骨料粒徑在50～200 mm之間，根據骨料粒徑和試模尺寸的尺寸效應，只能模擬施工現場的升漿混凝土成型。檢驗其與配合比對照是否滿足設計強度要求，尚難于以其試驗值評價升漿體的實際強度是否達到設計強度。

7.2 工藝控制

在水下預填骨料升漿混凝土施工中，采取工藝措施進行控制。計算每個隔艙的體積，填充骨料的數量。在陸地測定骨料的空隙率，作為計算水下填充骨料的空隙率，計算升漿混凝土所需要的水泥砂漿數量。在施工時，繪制水下升漿高度曲線圖，掌握砂漿灌入量。水泥砂漿的計算量，應考慮在施工中，由于土工布外推、或者局部滲漏而損失的部分砂漿，因此實際灌入量要大于計算量。通過實踐采用工藝控制其質量來保證其用途是有效的，經工程實例驗證均效果較好。

7.3 鉆芯檢測

水下預填骨料升漿混凝土通常鉆芯取樣直徑在75～150 mm，對于升漿混凝土顯然代表性有限。若以芯樣直徑尺寸達到骨料粒徑2～3倍的要求時，較難取到完整芯樣。用常規混凝土鉆芯取樣方式遇到大粒徑的骨料時，由于鉆機的振動，水泥漿與骨料的黏結力較低，芯樣的整體性較差，且表面存在很多細微裂縫，芯樣多呈破碎狀。但是在采用鉆芯取樣機鉆取的芯樣，畢竟能夠用芯樣判別升漿混凝土實際致密性質量，比較直觀。

7.4 水下監測

水下監測可采用小口徑鉆孔彩色水下電視，它具有高清晰度的圖像。每次檢查把監測探頭放入鉆孔孔洞中，觀察鉆孔內混凝土孔壁結構，畫面比較清晰直觀?；炷潦欠衩軐崱⒖斩?、是否有浮漿，從水下電視監測一目了然。

7.5 壓水試驗

對于水下預填骨料升漿混凝土的密實性，可以采用壓水試驗進行檢測。用壓入孔壁四周混凝土中的水量來表示混凝土的滲透性，以滲透系數來推斷其密實性。

7.6 水泥砂漿試件

對于升漿混凝土的強度，可以采用水泥砂漿強度與實際水下預填骨料升漿混凝土的大量比對試驗，建立水泥砂漿與實際強度的關系式，控制施工質量。

8 建議

對于目前水下預填骨料升漿混凝土的應用，提出如下建議。

1）多做升漿混凝土相關的系統試驗，即實際強度及試件強度間建立相關對比關系。

2）通過試驗建立鉆孔芯樣強度與實際強度的對比關系。

3）水下預填骨料升漿混凝土目前尚不宜作為結構物混凝土使用。

4）對于鉆取芯樣預留的孔洞，應采用不收縮的水泥砂漿進行修補。

[1]趙國藩.預填骨料混凝土力學性能試驗方法初議[J].中國港灣建設，2000（1）：10-13.

[2]JTS 202—2011，水運工程混凝土施工規范[S].

[3]郁祝如.中遠六萬噸級船塢濕法施工[J].中國港灣建設，1999（6）：1-7.

[4]李廣森.預填骨料升漿混凝土專題試驗[J].中國港灣建設，1999（6）：8-16.