機制砂塑性混凝土在干塢工程咬合樁中的應用

魏文強

（1.大連信德建設工程檢測有限公司，遼寧 大連 116031；2.天津市水下隧道建設與運維技術企業重點實驗室，天津 300461）

0 引言

塑性混凝土是通過水泥、水、膨潤土、砂、石以及外加劑等原材料經過攪拌、凝結而形成的特種混凝土，是一種由膨潤土取代混凝土中部分水泥而形成的低強度、低彈性模量的防滲材料，不僅工程造價低，而且適應變形能力強，防滲效果好。

大連灣海底隧道建設工程的配套工程——干塢子項工程，作為沉管預制的建設場地，采用了塑性混凝土咬合樁作為塢壁的支護兼止水結構。由于天然河砂質量波動幅度較大，故本項目擬采用機制砂代替河砂配制塑性混凝土。機制砂與天然河砂相比，具有產源固定、質量穩定、產能高、價格低等優點[1]，但尚未大量應用于塑性混凝土中。本文通過室內試驗，初步研究機制砂砂率和水泥摻量對塑性混凝土工作性、力學性能和抗滲性的影響，并通過干塢工程實際應用進一步驗證了機制砂代替河砂的可行性。

1 室內試驗

1.1 設計要求

塑性混凝土應用于本工程斜坡式塢壁結構支護兼止水咬合樁中的素樁，咬合樁直徑有0.8 m、1.0 m、1.2 m 三種，間距0.75 m，咬合0.25 m，素樁樁底入巖1.0 m。樁體滲透系數要求不大于1×10-6cm/s，采用低應變法對樁身完整性進行檢測，并結合開挖形式判定樁身質量[2]。

1.2 試驗原材料

1）細骨料：試驗用細骨料為大連生產的機制砂，性能參數見表1，顆粒堅硬、級配良好。

表1 機制砂性能參數Table 1 Performance parameters of manufactured sand

2）粗骨料：試驗用粗骨料為大連某商混站生產的石灰石碎石，粒徑為5～20 mm，最大粒徑不超過25 mm。

3）水泥：試驗用水泥為大連某廠家生產的P.O42.5 級，強度等級滿足標準要求。

4）膨潤土：試驗用膨潤土為錦州某廠家生產的鈉基膨潤土，性能參數符合GB/T 20973—2020《膨潤土》[3]的技術要求。

5）外加劑：為改善塑性混凝土的性能，本試驗選用的是RW-PC 型聚羧酸高效減水劑。

1.3 試驗配合比設計

塑性混凝土參數設計要求（28 d 齡期）：抗壓強度≥2.0 MPa，且≤5.0 MPa；彈性模量≤500 MPa；滲透系數K≤1×10-6cm/s。塑性混凝土拌合物密度≥2 100 kg/m3；現場澆筑坍落度180～220 mm，擴展度 340～400 mm[4]。

選取砂率、水泥摻量、膨潤土摻量等關鍵參數作為影響因素進行研究。依據JGJ/T 291—2012《現澆塑性混凝土防滲芯墻施工技術規程》中塑性混凝土配合比設計要求，設定拌合物質量為2 100 kg/m3，綜合參照王四巍[5]對塑性混凝土配合比的設計方法及類似工程上選取的配合比參數[6]，擬定水膠比為1.2，膨潤土摻量為水泥用量的60%，減水劑摻量為水泥用量的2%，試驗配合比見表2。

表2 試驗配合比Table 2 Test mix proportion

對各組配合比的混凝土拌合物進行密度試驗，均符合≥2 100 kg/m3的要求。依據DL/T 5303—2013《水工塑性混凝土試驗規程》對各組進行塌落度、擴展度試驗，并分別成型抗壓強度、劈裂抗拉強度、彈性模量和滲透系數試驗用試塊。成型的帶模試塊用塑料布封蓋，在（20±5）℃環境中靜置3 d 后拆模。拆模后的試件在溫度（20±2）℃，濕度95%以上的標準養護室進行養護[7]。

1.4 試驗結果分析

1.4.1 混凝土坍落度和擴展度

本試驗分別對9 組配合比的塑性混凝土拌合物的坍落度和擴展度進行試驗，試驗結果見圖1和圖2。試驗結果表明：在水膠比和膨潤土摻量一定的情況下，隨著砂率的增加，坍落度和擴展度均逐漸降低[8]，當水泥摻量在150 kg/m3時，坍落度和擴展度曲線最低，水泥摻量在190 kg/m3時最高，說明隨著水泥用量的增加，坍落度和擴展度逐漸增大。

圖1 不同水泥用量坍落度隨砂率變化曲線Fig.1 Sloughing degree curve of different cement content with sand rate

圖2 不同水泥用量擴展度隨砂率變化曲線Fig.2 Expansion degree curve of different cement content with sand rate

1.4.2 混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度

本試驗分別對9 組配合比的塑性混凝土拌合物成型100 mm×100 mm×100 mm 的抗壓強度試塊和150 mm×150 mm×150 mm 的劈裂抗拉試塊各1組，每組3 個試塊，在到達28 d 齡期時進行相關試驗[9]，試驗結果見圖3 和圖4。試驗結果表明：在水膠比、膨潤土摻量和水泥用量一定的情況下，隨著砂率的增加，抗壓強度和劈裂抗拉強度均逐漸降低，但降低幅度不是十分明顯，說明砂率對混凝土強度的影響不是很大；在砂率一定的情況下，隨水泥用量的增加，抗壓強度和劈裂抗拉強度逐漸增大，且該影響效果明顯。

圖3 不同水泥用量抗壓強度隨砂率變化曲線Fig.3 Compressive strength curves of different cement content with sand rate

圖4 不同水泥用量抗拉強度隨砂率變化曲線Fig.4 Tensile strength curve of different cement content with sand rate

1.4.3 混凝土彈性模量

本試驗分別對9 組配合比的塑性混凝土拌合物成型150 mm（直徑）×300 mm（高）的試塊1 組，每組6 個試塊，在到達28 d 齡期時，對其中3 塊進行軸心抗壓強度試驗，對另外3 塊進行彈性模量試驗，通過計算處理得出試驗結果如圖5 和表3 所示。

圖5 不同水泥用量彈性模量隨砂率變化曲線Fig.5 Elastic modulus curve of different cement content with sand rate

表3 彈性模量試驗結果Table 3 Test results of elastic modulus MPa

試驗結果表明：在水膠比、膨潤土摻量和水泥用量一定的情況下，混凝土彈性模量隨著砂率增加而增大，在50%時達到最大，而后隨砂率增加而減小，但影響幅度較小；在砂率一定的情況下，隨水泥用量增加而增大，且該影響效果明顯。

1.4.4 混凝土滲透系數

本試驗分別對9 組配合比的塑性混凝土拌合物成型規格為上口直徑175 mm，下口直徑185 mm，高150 mm 的試塊1 組，每組6 個試塊，到達28 d 齡期時對其進行滲透系數試驗[10]，通過計算處理得出試驗結果如表4 和圖6 所示。

表4 滲透系數試驗結果Table 4 Test results of permeability coefficient 10-8 cm/s

圖6 不同水泥用量滲透系數隨砂率變化曲線Fig.6 Permeability coefficient curve of different cement content with sand rate

試驗結果表明：在水膠比、膨潤土摻量和水泥用量一定的情況下，機制砂塑性混凝土的滲透系數隨著砂率增加而降低，在50%時達到最小，而后隨砂率增加而升高；在砂率一定的情況下，隨水泥用量增加而降低，砂率和水泥用量對滲透系數的影響效果均明顯。

1.5 設計配合比確定

綜合以上各組試驗結果分析后，塑性混凝土砂率50%、水泥用量170 kg/m3時，其各項性能經檢測均達標。因此，選定試驗編號為PC5 的配合比作為此工程機制砂塑性混凝土設計配合比，每m3混凝土各材料用量為：水泥170 kg，膨潤土102 kg，機制砂750 kg，碎石750 kg，水326 kg，減水劑3.4 kg。對混凝土各性能進行試驗驗證，均符合設計及規范要求。

2 機制砂塑性混凝土質量控制要點

1）塑性混凝土原材料進場應有齊全的質量證明文件，開工前對原材料進行全參數檢測，保證原材料質量滿足設計要求，尤其控制機制砂石粉含量小于15%和膨潤土含水率小于10%。

2）每工作班混凝土開盤鑒定前，應檢測機制砂、碎石和膨潤土的含水率。各材料稱量誤差范圍按規范控制。

3）由于皮帶機傳送骨料和膨潤土時會潤濕傳送帶，導致部分膨潤土粘在表面，實際進入攪拌機的膨潤土量變少，所以膨潤土宜采用濕摻法，按照配合比用量將水和膨潤土提前拌制成均勻的泥漿。

4） 原材料投料順序宜為機制砂、水泥、碎石、膨潤土泥漿和減水劑。攪拌時間按普通混凝土控制即可。

5）咬合樁塑性混凝土澆筑應連續，因故中斷時間不宜超過40 min，混凝土坍落度和擴展度的控制應考慮其經時損失值。

3 結語

通過對大連灣海底隧道建設工程干塢子項工程塑性混凝土咬合樁典型施工段進行鉆芯取樣及壓水試驗檢測，得出咬合樁塑性混凝土滲透系數平均1.38×10-7cm/s。根據典型施工階段成型試塊檢測得出抗壓強度平均3.58 MPa，劈裂抗拉強度平均0.44 MPa，彈性模量平均461 MPa。選取三個具備條件區域進行開挖至原地面以下-2 m，樁身質量判定合格，咬合處塑性混凝土無缺陷，對20%數量的咬合樁進行低應變樁身完整性檢測，全部合格。以上檢測結果驗證了機制砂塑性混凝土咬合樁質量滿足設計要求，塑性混凝土的軟咬合形式也大大提高了鉆孔施工效率；機制砂塑性混凝土在干塢工程止水咬合樁中的應用十分成功，質量效果良好，進度控制合理，經濟效益顯著，可為相關工程提供借鑒。