高性能樁基混凝土可灌注性評價方法研究

向小龍+戴銀剛+譚明濤+胡運恒

摘 要：文章主要研究影響樁基混凝土工作性能——“樁基可灌注性”的因素和總體評價體系。通過樁基施工模擬實驗，針對坍落度、擴展度等常規檢測數據以及混凝土的砂率、骨料級配、最大粒徑等因素進行系統的對比分析，可以提前判斷該混凝土是否達到樁基混凝土基本灌注要求，避免靠經驗主義來判斷，降低人為產生的質量隱患。

關鍵詞：樁基；混凝土；工作性能

隨著混凝土技術的迅猛發展與逐步成熟，混凝土樁基已經成為房建、市政和公路等工程不可缺少的組成部分。由于樁基承受了來自于建筑物所有的力，相當于建筑物的根基，所以它的質量代表著建筑物的安全性。尤其是高架橋中上部結構由于自身重力較大，且易受水平載荷影響，因此對基礎承載力和沉降要求更高。因此，對樁基混凝土的研究至關緊要。而在實際生產和施工過程中，大多數施工方僅對混凝土的坍落度進行測量和個人經驗就去判斷該混凝土是否可以進行樁基灌注。這種判斷方式較為武斷，且缺少嚴謹、科學的態度，對個人經驗要求很高。而當施工方達不到該要求時，往往容易產生非常嚴重且不可逆轉的后果。

文章旨在通過對高性能樁基混凝土工作性能的研究及對“樁基可灌注性”的評價，以尋求最適宜連續灌注且體積穩定、耐久性良好、抗滲性能高的混凝土，為現代樁基混凝土的澆筑提供參考依據。

1 原材料

考慮到與實際工程相結合，本次課題研究所用材料以常見的原材料為主。以下是本實驗所用的原材料及其檢測數據。

水泥：選用質量穩定的普通硅酸鹽P.O42.5水泥，具體檢測數據如表1所示。

粗骨料：選用粒徑為5-16mm、5-20mm、5-25mm、5-31.5mm和5-40mm5種連續級配的碎石以及5-10mm和10-20mm單粒粒級的碎石。粗骨料應為粒形良好、質地堅固、潔凈的Ⅱ類碎石。

細骨料：選用天然河砂，要求級配合理、質地堅固的潔凈天然中粗河砂，具體檢查數據如表2所示。

粉煤灰：選用Ⅰ級粉煤灰，具體檢查數據見表3所示。

外加劑：選用20%固含量高性能聚羧酸減水劑，其性能符合《混凝土外加劑》標準要求。

混凝土拌合用水：混凝土拌合用水質量符合《混凝土用水標準》規定，水中不應含有影響水泥正常凝結與硬化的有害雜質或油脂、糖類及游離酸類。

2 理論分析

2.1 樁基施工原理分析

樁基混凝土施工時常采用導管施工法，即混凝土經不漏水不變形的導管借自重輸送至澆筑點。導管中的混凝土在一定的高度后，自重產生一定的壓力，將下層混凝土壓出導管下口，使孔內導管外的混凝土面上升，直至壓力平衡為止。新送進的混凝土是從已澆完的混凝土面以下進入的，末曾接觸到水，整個澆制過程中，只有表面的一小部分混凝土接觸過水。這一層接觸過水的強度已被削弱了的混凝土始終浮在混凝土表面，因此可以在澆制完成時加以清除。其余混凝土的配合比將是充分符合要求的。同時，由于混凝土是靠壓力壓出的，而且壓力值較大，就保證了混凝土的密實性。具體施工步驟如圖1所示。

水下樁基混凝土經導管輸送在底部呈擴散方式，工作性能不好容易引起導管附近局部堆積進而導致混凝土灌注困難。而水下混凝土流動狀態以臨界速度為主、以影響直徑為輔的方式進行分類，將孔內水下混凝土流動狀態分為完全平穩流態、完全翻滾流態、局部平穩流態和局部翻滾流態四種流態。

2.2 實驗模型與方法

本次實驗采用的是模擬樁基施工灌注，以ormit儀器為原型進行改造。其中上部混凝土澆筑管的高度改為1000mm，導管直徑為150mm，設備原型如圖2所示。按照要求把儀器安裝好后，將工作性能各不相同的混凝土裝滿整個設備的導管中，開始計時打開下部出料閥門，記錄混凝土完全流出模擬灌注儀所用的時間。

3 試驗數據及分析

3.1 混凝土工作性能對可灌注性能影響

3.1.1 坍落度與擴展度的關系

坍落度試驗是目前施工現場最常見的一種混凝土工作性能檢測方法。一般情況下，坍落度能簡單的反映出混凝土的灌注性能。如果坍落度過大，流動性好但易產生泌水和離析；坍落度過小，則混凝土的流動性受影響，管阻增大，兩者都會造成堵管。本實驗通過測量不同工作性能的混凝土的坍落度與擴展度的關系，得到數據并加以整理得圖3。

由圖2可看出，塌落度小于200時，擴展度與塌落度有著一定的線性關系，然而塌落度在200以上時，塌落度和擴展度的變化關系就沒有線性關系了。這是由于混凝土拌合物的坍落度只能代表其屈服應力，而不能代表其塑性粘度。當混凝土拌合物的坍落度大于200mm時，雖然坍落度可能相同，但混凝土拌合物內的塑性粘度可能相差很大，塑性粘度決定了混凝土的擴展度及流動速度，因此，即便坍落度很大的拌合物，如果它的塑性粘度小，其擴展度也會很小。因此，塌落度并不能很客觀地反映澆筑樁基混凝土的工作性能。澆筑混凝土的工作性能與其塑性粘度有著很大的相關性，而擴展度也是混凝土塑性粘度的一種表觀形式，所以，用擴展度來衡量澆筑樁基混凝土的工作性更加符合客觀事實。

坍落度與擴展度的比值也不是可以隨意改變的，當這個比值偏大時，表明混凝土的坍落度一定的情況下擴展度偏小，在實際中的表現為混凝土拌合物太黏，流不開；當坍落度與擴展度的比值偏小時，表明在塌落度一定的情況下擴展度偏大，在實際中的表現為水泥漿包裹不住集料單獨流開，即“離析”。因此，工作性能良好的混凝土拌合物的坍落度與擴展度的比值應在一定的范圍內。根據吳中偉院士的研究，混凝土拌合物坍落度與擴展度的比值應該在0.4～0.45之間。本實驗暫取坍落度與擴展度的比值為0.40。實際生產過程中，澆筑樁基混凝土的施工要求為塌落度至少為200mm，這也就以為著如果講工作性能用擴展度來評價，澆筑樁基混凝土的擴展度至少為500mm。

3.1.2 擴展度與模擬灌注時間的關系

確定了擴展度為澆筑樁基混凝土工作性能的指標，本實驗接下來通過控制混凝土拌合物的擴展度，進行了關于澆筑樁基混凝土擴展度與灌注時間關系的對比試驗。通過實驗，我們記錄下了11組符合要求的實驗數據，并制得圖4。

由圖4可以很直觀得看出，澆筑樁基混凝土拌合物的灌注時間與其擴展度呈現很明顯的線性關系。當混凝土拌合物擴展度大于500mm時，灌注時間明顯減少。但隨著擴展度進一步增大，灌注時間的減少趨勢弱化。因此根據以上得出結論，澆筑樁基混凝土擴展度應大于500mm，但超過550mm后影響效果逐漸弱化。

3.2 集料對可灌注性能影響

3.2.1 砂率和模擬灌注時間的關系

所謂合理砂率是指水泥用量最省、流動性和粘聚性都好的混凝土砂率。砂率過大，消耗水泥漿增多，混凝土流動性下降，影響樁基灌注；砂率過小，則混凝土產生空隙，和易性差，易產生堵管等。混凝土砂率是否合適直接關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項性能。因此必須通過試驗選擇在設定條件下，和易性好，單位用水量最小時的砂率。

本次實驗通過控制澆筑樁基混凝土擴展度為500mm，測定了混凝土拌合物砂率與灌注時間的關系，得到8組數據，將實驗數據整理可得圖5。

由圖5可以很直觀得看出，混凝土拌合物的灌注時間與其砂率呈現明顯關系，灌注時間先隨砂率的增加而減少，之后又隨著砂率的增大而增大。本實驗得出的最適宜澆筑樁基混凝土的砂率為0.39～0.41。

3.2.2 碎石最大粒徑和模擬灌注時間的關系

碎石作為混凝土中不可缺少的組成部分，也是混凝土中單顆粒體積最大的原材料，因此，碎石最大粒徑與混凝土的“可灌注性”有密不可分的聯系。如果碎石的粒徑過大，則混凝土的包裹性會有所下降，易造成導管堵管等現場。但當碎石粒徑過小時，為保證包裹性一般要提高砂率，而這對混凝土的工作性能和力學性能又會有一定影響。因此，如何選取碎石合適的最大粒徑是本實驗的目的。

本實驗通過對比使用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進行比較，并模擬灌注試驗。將實驗數據整理得圖6。

由圖可以看出澆筑樁基混凝土灌注時間與骨料最大粒徑呈現一定關系，灌注時間先隨骨料最大粒徑的增加而減少，之后隨骨料最大粒徑的增大而增大。從圖中和確定，最適宜灌注混凝土的骨料最大粒徑為25mm。

3.2.3 碎石級配和模擬灌注時間的關系

在控制混凝土其他條件都相同的前提下，本實驗分別用符合5-25mm連續級配的石頭和粒徑為10-20mm的單粒徑石頭做了樁基模擬灌注實驗，實驗數據如表4：

對比以上連續級配和單粒徑石頭混凝土灌注時間，可以明顯得看出采用連續級配石頭配制的混凝土拌合物的流動性優于單粒徑石頭配制的混凝土拌合物的流動性，相應的，采用連續級配的混凝土的灌注性能也強于單粒徑的。

3.3 混凝土分散性對可灌注性能影響

樁基混凝土的分散性是指混凝土在灌注過程中與水接觸時還能保持原態的能力，混凝土分散性指標試驗以混凝土在水中10min時導致水PH變化幅度為梯度進行劃分。

本實驗通過控制樁基混凝土的分散性對經過分散性測試的混凝土進行模擬灌注實驗，將實驗數據加以整理得圖7。

根據圖7可以很直觀的看出，混凝土的灌注時間與其分散性有很強的對數關系，隨著混凝土分散性的增大，灌注時間增大，也就是灌注性能減低。因此，分散值越低的混凝土更容易灌注，在實際生產中，我們應該致力于增加混凝土的不分散性以增強其灌注能力。

4 結語

文章通過在理論分析基礎上提出疑問，并用模擬實驗的方式對疑問進行探究得出以下新的結論：

（1）坍落度和擴展度都是反應混凝土拌合物工作性能的重要指標，兩者在一定范圍內具有相關性，當混凝土的坍落度超過200mm時，這種相關性就不再明顯；

（2）對于現澆樁基混凝土，我們應該以擴展度作為其澆筑工作性的主要參考指標，通過對比實驗可知現澆樁基混凝土拌合物的擴展度宜大于500mm；

（3）現澆混凝土拌合物的砂率對其澆筑性能有明顯影響，灌注時間先隨砂率的增大而減少，之后隨砂率的增大而增加，本實驗中最適宜混凝土拌合物灌注的砂率為0.39～0.41；

（4）混凝土拌合物中骨料的最大粒徑也會影響其灌注過程，同砂率一樣，拌合物灌注時間先隨最大粒徑的增大而減少，后隨骨料最大粒徑的增大而增大。本實驗在擴展度為500mm的條件下測得最適宜灌注對應的骨料最大粒徑為25mm；

（5）顆粒級配對混凝土灌注影響也非常大，相比于單級配的集料，用連續級配拌制的混凝土拌合物具有更好的流動性，灌注性能良好；

（6）樁基混凝土的分散性也會制約混凝土灌注性能，不分散性能越強的混凝土在灌注過程中受到水的侵蝕作用越小，其灌注時間就越短；

（7）通過對比分析，樁基混凝土“可灌注性”評價體系中擴展度權重為50%，砂率為15%，碎石最大粒徑為20%，碎石級配為15%。

參考文獻

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