含硅質石粉機制砂在超緩凝混凝土中的應用探究

馬伍平 郭 飛 武來生

（1 深圳市東大洋水泥制品有限公司；2 廣東中聯建建筑工程有限公司）

0 引言

超緩凝混凝土主要用于咬合樁施工。咬合樁的施工要求后施工的樁在成孔時要切割兩側相鄰的先澆筑樁的部分樁身混凝土，以達到相鄰樁相互咬合，從而達到止水的目的[1]。該施工工藝的關鍵技術在于先施工的樁的樁身混凝土凝結時間要長，早期強度要低，符合切割要求。超緩凝混凝土的質量對于咬合樁基坑圍護結構的安全性、功能性等都具有重要影響，鉆孔咬合樁成敗的關鍵技術在于超緩凝混凝土技術[2]。

機制砂在生產過程中將不可避免產生石粉。不同巖性的石粉按其礦物組成可粗略地分為兩大類：鈣質巖石基石粉和硅質巖石基石粉。劉慈軍[3]等認為鈣質骨料主要化學成份為碳酸鈣，呈島狀結構，硅鋁質骨料呈層狀結構；鈣質骨料吸水性小，與不同減水劑的適應性良好，而硅鋁質骨料吸水性大，與減水劑的相容性差。李崇智[4]等認為鈣質機制砂親水性弱，硅質機制砂親水性強，在采用吸水性較大的硅鋁質骨料時，應提高混凝土用水量。由于硅質石粉吸水性大，對聚羧酸減水劑的吸附性強，限制了其在混凝土的應用。

1 工程概況

鴻鵬大廈項目位于深圳市寶安區西鄉街道公園路南側，本工程基坑周長約453m，基坑深度約9.7m，采用φ1.0m@1.5m（1.6m）咬合樁+一道內支撐支護的支護方案，咬合樁為一根素樁咬合一根葷樁搭接成一道基坑支護樁體系兼地下止水帷幕，素樁、葷樁各284 條，共568條，葷樁設計深度17.2m，素樁設計深度13.60～16.50m。素樁為C30 超緩凝水下素混凝土樁，葷樁為C35 水下鋼筋混凝土樁。

2 施工難點分析

為保證施工的順利進行和咬合樁質量要求，此次施工項目要求C30 超緩凝混凝土具備良好的工作性能，超長的凝結時間，合適的早期強度以及達標的后期強度。

⑴工作性能：由于超緩凝混凝土在施工過程中，需通過導管順利到達咬合樁內，故要求超緩凝混凝土具備良好的流動性、粘聚性和抵抗水流沖擊的能力。不得產生離析和泌水現象，防止碎石在導管中聚集造成堵管。

⑵凝結時間：因受地質、單樁尺寸和鉆機能力等因素影響，為實現有效咬合，本工程超緩凝混凝土設計初凝時間要求大于72 小時。

⑶強度：本工程素混凝土設計為C30 超緩凝混凝土，84 小時抗壓強度不大于3MPa，28 天抗壓強度以C30評定必須合格。

3 超緩凝混凝土設計思路

超緩凝混凝土的關鍵技術在于混凝土凝結時間、早期強度的控制和混凝土后期強度的保證。混凝土凝結時間由特制超緩凝外加劑實現，由減水劑供應商針對站內使用的原材料和超緩凝混凝土的技術指標要求設計特制超緩凝外加劑配方。特制超緩凝外加劑由減水組分、保坍組分、功能組分和緩凝組分組成，其中緩凝組分的摻量決定超緩凝混凝土初凝時間的長短。超緩凝混凝土的后期強度通過優選混凝土原材料、優化膠凝材料組成、優化超緩凝混凝土的配合比來實現。

減水劑供應商確定特制超緩凝外加劑配方后，在生產中需控制超緩凝外加劑的摻量，保證其中緩凝組分的用量能夠使混凝土具有工程要求的初凝時間。在實際生產中原材料很難非常穩定，特別是砂石骨料，這將導致外加劑的摻量會隨骨料的變化產生波動，進而影響超緩凝外加劑中緩凝組分的用量，最終影響超緩凝混凝土的凝結時間。

針對這一問題，特選用對減水劑有較強吸附作用的含硅質石粉機制砂。根據其他原材料的變化，調整含硅質石粉機制砂的用量來控制超緩凝外加劑的摻量不變，保證其中緩凝組分的用量，使超緩凝混凝土具有設計的凝結時間。另機制砂中的硅質石粉還可以提高混凝土的密實性、粘聚性，降低減水劑的敏感性，改善超緩凝混凝土的工作性能。

4 超緩凝混凝土的配制

4.1 原材料

⑴膠凝材料

本工程選用華潤P.O42.5 水泥，深圳媽灣電廠Ⅱ級粉煤灰，柳鋼S95 級礦粉。相關物理力學性能指標如表1、表2、表3 所示。

表1 水泥的物理力學性能

表2 粉煤灰的性能指標

表3 礦粉的性能指標

⑵碎石

石子選用5～20 連續級配，壓碎值8.9%，含泥量0.3%。

⑶砂

幾種不同的水洗砂和含硅質石粉機制砂的性能指標如表4。

表4 砂的性能指標

含硅質石粉機制砂為凝灰巖，具體化學成分如表5所示。

表5 含硅質石粉機制砂化學成分(%)

⑷特制超緩凝外加劑。

本工程選用紅墻特制超緩凝外加劑。

4.2 混凝土配合比設計優化

本工程采用常規的三元膠凝材料體系，即水泥為主，礦粉和粉煤灰為礦物摻合料。礦粉的二次水化作用和粉煤灰的滾珠效應可以大大改善混凝土的工作性能和力學性能，還可以降低單方混凝土的原材料成本[5]。由于超緩凝混凝土要求早期強度不能過高，84 小時抗壓強度不大于3MPa，后期強度又要達到設計要求，故本工程采取低水泥用量、高礦物摻合料的膠凝材料組成來實現，大摻量粉煤灰還有利于超緩凝混凝土的工作性能。根據站內普通混凝土生產經驗，本工程C30 超緩凝混凝土三元膠凝材料體系為水泥:礦粉:粉煤灰=180:80:90，總膠凝材料為350kg/m3。

超緩凝混凝土中砂用水洗砂和機制砂搭配，由于水洗砂的含泥量、石粉含量不同，相對應混凝土的外加劑摻量也不同。為使特制超緩凝外加劑中緩凝組的摻量滿足超緩凝混凝土凝結時間的要求，在生產中需固定外加劑設計的膠凝材料3%的摻量。所以在生產中需根據所使用水洗砂的質量，改變含硅質石粉機制砂的用量，使混凝土的工作性能到達施工要求，超緩凝外加劑能穩定控制在3%。超緩凝混凝土配合比如表6 所示，測試使用不同水洗砂用量、不同硅質石粉機制砂用量的超緩凝混凝土的坍落度、擴展度、凝結時間、倒筒時間、抗壓強度技術指標，如表7 所示。

表6 C30 超緩凝混凝土配合比

從表7 可以看到，根據水洗砂品種，改變含硅質石粉機制砂的用量，所配制的C30 超緩凝混凝土的工作性能良好，初凝時間滿足施工超過72h 的要求，超緩凝混凝土早期強度得到了抑制，3d 抗壓強度不超過3MPa，后期強度發展迅速，28d 抗壓強度也符合C30 的強度設計要求。

表7 C30 超緩凝混凝土技術指標

5 工程應用情況

本工程中的基坑支護共澆注水下超緩凝咬合樁284 根，在各時期的生產和施工過程中，從取樣混凝土的實際測試結果來看，混凝土的工作性、凝結時間和各齡期強度均達到設計要求。超緩凝混凝土施工現場抽檢時，混凝土拌和物具有良好的流動性和黏聚性，易于泵送和灌樁。超緩凝混凝土的凝結時間很好地滿足了鉆孔咬合樁施工工藝的要求，混凝土的初凝時間為72.1～85.5h，終凝時間為84.9～97.7h，混凝土的3d 抗壓強度不超過3MPa，在葷樁打孔時，能很好切割超緩凝混凝土的素樁，葷素樁咬合良好。

超緩凝混凝土施工現場抽樣50 組代表性試樣，按GB/T 50107－2010《混凝土強度檢驗評定標準》進行強度統計分析，結果見表8，工程完工后部分圖片如圖1所示。

表8 本工程C30 超緩凝混凝土現場取樣強度統計

圖1 咬合樁工程現場圖

由表8 可見，超緩凝混凝土的3d 抗壓強度及28d抗壓強度均滿足設計要求。

6 總結

根據生產中所用水洗砂的品種，調整含硅質石粉機制砂的用量，在實際生產中將超緩凝外加劑的摻量穩定控制在3%，使特制超緩凝外加劑中緩凝組的摻量滿足超緩凝混凝土凝結時間的要求。

所配制的C30 超緩凝混凝土具有良好流動性和黏聚性，易于泵送和灌樁。超緩凝混凝土的凝結時間很好地滿足了鉆孔咬合樁施工工藝的要求，混凝土的初凝時間為72.1～85.5h，終凝時間為84.9～97.7h，混凝土的3d 抗壓強度不超過3MPa，28d 抗壓強度均滿足設計要求，在葷樁打孔時，能很好切割超緩凝混凝土的素樁，葷素樁咬合良好。