深水板樁碼頭護底模袋混凝土性能研究

趙東梁 ，卜繼澤 ，馮先導

（1.中交第二航務工程局有限公司，長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心，湖北 武漢 430040；2.中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司，北京 100120；3.中交二航局第三工程有限公司，江蘇 鎮江 212021）

0 引言

模袋混凝土在工程中常用于水工護岸結構[1-2]，因其凝固后能夠與地面緊密貼合及良好的整體性，在海岸、湖泊、河流的護坡結構中應用較為廣泛[3-5]。同時模袋混凝土表面具有流線結構，可起到減少水流阻力、降低水壓的作用[6]，因此模袋混凝土在淺海潮間帶的護坡護底工程中也有較多的應用[5]。但從目前模袋混凝土實際工程應用情況看，國內外無論是河流湖泊護坡還是近岸護底結構，其應用水深基本小于15 m[3-8]。

本文依托以色列Ashdod 港項目，模袋混凝土在Ashdod 港碼頭主要用于Q27 板樁碼頭前沿和西側盒子外側海底床面的防護（圖1），防止船舶停靠時螺旋槳攪動對泊位底部基床的沖刷。單塊模袋長38.2 m，寬4.4 m，鋪設模袋總寬度839 m，模袋鋪設高程-17.6 m，模袋厚度為30 cm。

圖1 模袋混凝土側面結構圖Fig.1 Typical section of the concrete mattress

作業水深大帶來的主要問題就是施工過程中混凝土流動性控制不好易出現堵管問題，且施工時間較長，易出現模袋填充率低、混凝土離析、混凝土強度不足等問題，造成水下模袋混凝土填充不密實[9]。針對上述問題開展研究，最終優化設計得出滿足設計施工要求的混凝土配合比。

1 配合比設計

1.1 原材料

混凝土拌合物是一種黏、彈、塑性材料，按流變學理論，新拌混凝土屬于賓漢姆（Bingham）模型。模袋混凝土的流動性、密實性及強度與原材料性能關系密切，各主要原材料對模袋混凝土性能的影響分析及原材料性能如下：

1）天然砂和機制砂

天然砂采用粒徑較小的河床或海床沙，含泥量3.1%，細度模數1.94，密度2 637 kg/m3。機制砂由石灰巖壓制而成，含泥量2.9%，細度模數4.4，密度2 629 kg/m3，最大粒徑可達10 mm。

2） 水泥

試驗選用以色列當地普通硅酸鹽水泥CEM II/A-M 42.5N，主要性能指標如表1 所示。

表1 水泥主要性能指標Table 1 The performance of cement

3）外加劑

試驗選用外加劑為Chayso 緩凝劑Retarder 1080 和Omega 101，適用于所有類型混凝土。

1.2 配合比試驗組次

根據工程經驗初步給出原材料用量配合比見表2，計算表2 中天然砂與機制砂在不同比例調配時的累積級配分布繪制散點圖，與以色列標準[10]和歐標[11]要求的極限值對比，見圖2，2 號配合比集料顆粒級配曲線處于要求區域外，其它配合比集料級配曲線均處于區域以內，5 號和6 號配合比集料級配曲線處于區域中間位置，為理想配合比。

表2 初步配合比原材料用量Table 2 Raw materials consumption of the prime mixture ratio kg

圖2 配合比組次級配分布圖Fig.2 Grain size distribution of mix proportion groups

1.3 配合比試驗結果

依據表2 中天然砂與機制砂比例調配混凝土，通過用水量調整混凝土流動性。基于以色列當地混凝土原材料特性，經過多次現場試驗，混凝土流動性采用英國Proserve 提供的容量3.64 L、口徑26 mm 的廖錐開展現場試驗測試。混凝土拌制完成之后檢測其流動性，要求5～6.5 s 混凝土漿體全部流盡，然后靜置，每隔30 min 重復檢測其工作性能，這一混凝土流動性標準也是針對模袋混凝土最初配合比，經過多次現場實測，在Proserve工程師協助下得到滿足模袋混凝土現場施工和強度標準[12]的經驗值。

試驗發現，1 號配合比初始流動性為6 s，30 min 后重新攪拌，流動性為15 s，大量混凝土黏附在廖錐內壁，工作性能差；2 號配合比初始流動性為5.8 s，機制砂中的大顆粒迅速沉底，混凝土離析現象嚴重，不適合施工；3 號配合比初始流動性為5.2 s，靜置30 min 后，混凝土產生嚴重離析現象，重新攪拌后流動性為7 s，機制砂中大顆粒與漿體分離明顯，不適合施工；4 號配合比初始流動性為5.9 s，靜置30 min 后，混凝土產生嚴重離析現象，重新攪拌后流動性為7.2 s，機制砂中大顆粒與漿體分離明顯但優于3 號配合比，依舊不適合施工；5 號配合比初始流動性為5.3 s，靜置30 min 后，混凝土產生輕微離析現象，重新攪拌后流動性為5.7 s，混凝土工作性能良好，后續重復檢測流動性分別為6.6 s、7.2 s 和8.3 s，150 min 后混凝土輕微離析但工作性能良好；6 號配合比混凝土工作性能與5 號配合比類似，流動性依次為 5.1 s、6.0 s、7.1 s、7.9 s 和 8.5 s。

5 號和6 號使用原材料比例為最佳配合比。5號使用更多機制砂，混凝土拌合物中顆粒較粗，更有利于強度發展，因此，目標配合比選為5 號。

試驗表明，5 號配合比混凝土在90 min 時流動性為7.2 s，已超過規定值。施工中，混凝土罐車從攪拌站到施工點至少需要30 min，在道路擁堵情況下甚至會超過60 min；模袋混凝土施工中由潛水員在水下17 m 將混凝土從前到后分段注入模袋，混凝土從攪拌站運至現場，每車混凝土裝量約8 m3，每30～40 min 完成一車混凝土的澆筑；因此，混凝土至少需在90 min 內保持良好的工作性能。試驗驗證，配合比設計中以水泥用量的0.5%加入外加劑Retarder 1080，混凝土120 min時的流動性為6.2 s，滿足施工流動性要求。

流動性符合要求的對應混凝土水灰比為0.6，水灰比過高導致混凝土強度偏低，28 d 強度僅26 MPa，小于技術規范[12]強度最低要求30 MPa。以水泥用量的0.6%加入減水劑Omega101，將水灰比降至0.5，試驗表明28 d 強度達到34.5 MPa，滿足技術規范[12]要求，最終混凝土配合比見表3。

表3 5 號混凝土配合比Table 3 The mix proportion of No.5 concrete kg/m3

2 混凝土性能現場實測

針對選定的5 號配合比混凝土進行水下現場試驗，試驗位置位于Q27 碼頭CH+215—CH+230段前板樁墻與后錨樁墻之間，試驗水深0.6～0.9 m，試驗模袋尺寸12 m×4.4 m。整個試驗過程填充2 組模袋，一組為標準模袋，模袋面板與墻端支撐袋內部貫通連接，混凝土充填時可以整體充填；另一組為特殊模袋，模袋面板與墻端支撐袋在混凝土充填時需要分別充填。采用活塞泵連接直徑63 mm、長度80 m 的橡膠線絲軟管泵送混凝土，最大泵送速率為25 m3/h，超過這一限值橡膠軟管在泵送過程中會出現較為明顯的反沖作用。

試驗中鉆孔取芯檢測7 d、28 d 混凝土抗壓強度平均值分別為21 MPa、51.5 MPa，滿足28 d抗壓強度30 MPa 要求。在模袋不同區域取芯檢測模袋混凝土厚度，分別為30.4 cm、30.2 cm、29.9 cm、30.7 cm、31 cm、30.5 cm，滿足規范30 cm±10%的要求。標準模袋和特殊模袋的墻端支撐袋，填充混凝土后均能很好地與板樁墻貼合，支撐袋頂面高出模袋頂面15～20 cm。

3 施工工藝及應用效果

3.1 施工工藝

1）床面準備。模袋施工基床面開挖疏浚要求標高-17.6 m，誤差為+0～-0.3 m，溝槽處要求標高-19.7 m，誤差為+0～-0.6 m，采用聲吶設備對基床表面進行測量，評估基床表面是否滿足技術規格書對標高和誤差的要求。

2） 陸上準備。在Q27 碼頭附近陸地上將模袋面板展開，在模袋端頭套子里插入長度4.4 m、直徑為76 mm 的鋼管，方便施工過程控制模袋寬度。使用長5 m、直徑450 mm 的塑料材質管子沿模袋長度方向將模袋卷起來，使用吊車將模袋吊至碼頭前沿。

3）浮式平臺安裝。在模袋混凝土施工區域正上方安裝浮式平臺作為輸送混凝土管的通道。

4）模袋下放。用吊車將在陸地上準備好的成卷模袋下放至床面，并限位在板樁墻趾墻位置。

5）配合比控制。每輛攪拌車到現場需測混凝土流動性，檢測其是否適合泵送。

6）泵送混凝土。混凝土需經網片過濾，泵送時保持陸上、水下溝通。

7）泵管操作。橡膠管浮在水面，管子鋪在易移動的浮式平臺上。

8）模袋水下充填。潛水員在水下操作管子從袖口1 泵送混凝土，與混凝土操作人員保持溝通，充填完后將泵管移至下一個袖口繼續充填，袖口中的泵管移出后立刻對袖口進行綁扎。

9）支撐袋充填。充填支撐袋使模袋與板樁墻間密封連接良好。

10）檢查。確認模袋連接處套窩互鎖，趾端、墻空隙、拐角等處成功填充，并檢查模袋平整度、厚度滿足要求。

施工中每個罐車澆筑前嚴格檢測混凝土流動性，流動性差易造成泵車堵管和模袋填充不充實現象，流動性過大易產生混凝土離析，影響混凝土質量。每塊模袋澆筑完，立刻檢查產品完成度，若發現漏澆或混凝土欠缺現象，及時補充澆筑；若發現因模袋破損導致混凝土泄露，及時對模袋進行水下縫補，清理泄露混凝土，重新補充澆筑。

3.2 應用效果

施工后將混凝土抗壓強度試驗改為劈裂抗拉強度試驗，按照以色列當地標準，B30 混凝土劈裂抗拉強度不小于2.29 MPa，選用的5 號混凝土澆筑時，每周取樣送檢1 次，目前已完成43 次劈裂抗拉強度檢測，合計檢測頻率1/3，平均值3.34 MPa，均滿足B30 混凝土強度要求。支撐袋在模袋混凝土澆筑完成7 d 后進行批量澆筑，此時硬化后的模袋混凝土對支撐袋起到一定的支撐作用，潛水檢查發現支撐袋與板樁墻之間密封完好。模袋澆筑7 d 后，多波束測量檢測模袋混凝土厚度均大于30 cm。混凝土硬化成型后，對已完成模袋混凝土潛水復檢，模袋混凝土的完整性、平整度均符合標準。

4 結語

通過對深水模袋混凝土使用環境及存在問題的分析，結合以色列當地規范標準，設計出一種適用于深水碼頭前沿護底的B30 模袋混凝土配合比，主要結論如下：

1）給出容量3.64 L、口徑26 mm 的廖錐混凝土流動性試驗，5～6.5 s 混凝土漿體全部流盡，選定的5 號混凝土配合比120 min 的流動性為6.2 s。

2）采用直徑63 mm、長度80 m 的橡膠管泵送混凝土，最大泵送速率不超過20 m3/h。

3）施工中B30 混凝土抗壓強度控制調整為劈裂抗拉強度控制，檢測不小于2.29 MPa。