基于SCP的超緩凝混凝土澆筑技術(shù)*

王開強(qiáng)，周環(huán)宇，巴 鑫，宋萬(wàn)鵬，吳全龍

(中建三局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

地下連續(xù)墻技術(shù)起源于歐洲，根據(jù)石油鉆井使用泥漿護(hù)壁和水下澆筑混凝土的方法發(fā)展而來(lái)。1920年，德國(guó)首先提出地下連續(xù)墻技術(shù)專利，20世紀(jì)50年代，地下連續(xù)墻技術(shù)傳入我國(guó)和日本。目前日本已成為地下連續(xù)墻技術(shù)應(yīng)用最廣泛的國(guó)家，在設(shè)計(jì)和施工方面均處于世界領(lǐng)先水平[1-2]。作為目前最佳的擋土、止水結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻一經(jīng)問世便在世界范圍內(nèi)迅速得到推廣[3]。然而受槽壁穩(wěn)定性、成槽設(shè)備及鋼筋籠吊重等多種因素限制，地下連續(xù)墻一般設(shè)計(jì)為由標(biāo)準(zhǔn)寬度的單元墻體搭接組成，施工中需分幅成槽和泥漿護(hù)壁，導(dǎo)致施工過程中存在較多接縫及廢棄泥漿，接縫若處理不當(dāng)將嚴(yán)重影響地下連續(xù)墻止水功能，甚至導(dǎo)致墻體破壞引起基坑事故，而廢棄泥漿綠色化處置也是目前亟待解決的難題[4-5]。

基于常規(guī)地下連續(xù)墻存在的施工縫滲漏等風(fēng)險(xiǎn)及現(xiàn)有水泥土攪拌墻技術(shù)特點(diǎn)，創(chuàng)新性地提出同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻技術(shù)(synchronous cutting and pouring concrete wall，簡(jiǎn)稱SCP)[6]。該技術(shù)不僅解決了常規(guī)地下連續(xù)墻存在的施工風(fēng)險(xiǎn)，而且通過連續(xù)澆筑混凝土形成無(wú)冷縫的地下連續(xù)墻，切割排土與混凝土澆筑同步進(jìn)行，高效快速作業(yè)，徹底解決接縫滲漏風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)大幅度減少?gòu)U棄泥漿的產(chǎn)生，符合國(guó)家戰(zhàn)略和綠色施工理念。

1 SCP技術(shù)原理

將施工作業(yè)區(qū)段分為鋸割排土段、超緩凝混凝土澆筑段和骨架后置段，利用隔離裝置隔離前側(cè)鋸割排土段松散土體與后側(cè)超緩凝混凝土，通過切割箱連續(xù)切割外排土體釋放空間，并不斷補(bǔ)充澆筑隔離裝置后側(cè)的超緩凝混凝土，利用未凝固狀態(tài)混凝土的側(cè)壓力頂推切割箱和隔離裝置整體向前行進(jìn)，向混凝土澆筑段未凝固混凝土內(nèi)及時(shí)跟進(jìn)下放勁性骨架，形成無(wú)縫勁性骨架混凝土地下連續(xù)墻。簡(jiǎn)單概括為鋸割成槽、連續(xù)排土、隨同澆筑、土-混凝土隔離、后置骨架。SCP技術(shù)原理及首臺(tái)樣機(jī)如圖1所示。

圖1 SCP技術(shù)原理及首臺(tái)樣機(jī)

基于上述工藝原理，隨同澆筑的混凝土需具備以下功能：①維持槽壁穩(wěn)定；②提供裝備靜推壓力；③便于骨架后置；④基坑開挖后抵抗土體變形。因此，適用于SCP技術(shù)的混凝土具有以下特點(diǎn)：①凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，確保一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)的混凝土具有較好的流動(dòng)性，保證后置骨架的順利貫入和提供穩(wěn)定的靜推壓力；②良好的工作性能；③強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。針對(duì)上述特點(diǎn)，需開展超緩凝混凝土澆筑工藝參數(shù)和配合比設(shè)計(jì)研究。

2 超緩凝混凝土工藝參數(shù)研究

2.1 假設(shè)條件

為分析超緩凝混凝土澆筑工藝參數(shù)，建立隨同澆筑混凝土計(jì)算模型，模型滿足以下假設(shè)條件。

1)初始狀態(tài)下，槽段內(nèi)超緩凝混凝土高度不高于槽段深度，且不能低于槽壁穩(wěn)定的安全深度，此處為方便確定混凝土澆筑范圍，假定混凝土高度等于槽段深度。

2)掘進(jìn)狀態(tài)下，研究對(duì)象范圍內(nèi)超緩凝混凝土仍處于完全流動(dòng)狀態(tài)，未超過初凝時(shí)間，因此存在一個(gè)臨界長(zhǎng)度確保該段槽段內(nèi)混凝土仍存在流動(dòng)性。

3)該槽段內(nèi)流動(dòng)態(tài)混凝土處于同一高度范圍，不考慮新舊混凝土流動(dòng)性差異的影響。

4)通過初步澆筑試驗(yàn)確定混凝土流動(dòng)分布存在一定傾角，為方便模型分析，此處分析假定流動(dòng)傾角為固定角度。

2.2 計(jì)算模型

超緩凝混凝土澆筑工藝參數(shù)及所需性能與整個(gè)施工工藝密切相關(guān)，經(jīng)初步分析，主要因素包括設(shè)備掘進(jìn)速度v、地下連續(xù)墻深度范圍內(nèi)完全流動(dòng)態(tài)混凝土長(zhǎng)度L0、完全流動(dòng)態(tài)混凝土影響范圍Lf、新掘進(jìn)段長(zhǎng)度L、混凝土流動(dòng)分布傾角α、地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)深度h0、安全高度h1和地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)寬度d0等。基于SCP技術(shù)的超緩凝混凝土澆筑工藝計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 超緩凝混凝土澆筑工藝計(jì)算模型

初始狀態(tài)下地下連續(xù)墻槽段內(nèi)已澆筑混凝土體積為：

(1)

設(shè)備掘進(jìn)一段距離L后，新掘進(jìn)的槽段由已有混凝土填充，因此混凝土液面將下降一定高度，當(dāng)下降高度達(dá)到或超過安全高度h1時(shí)，槽壁將存在安全風(fēng)險(xiǎn)，需及時(shí)補(bǔ)充超緩凝混凝土以滿足槽壁掘進(jìn)需求。根據(jù)幾何關(guān)系此時(shí)有：

(2)

L=vt

(3)

(4)

式中：t為設(shè)備掘進(jìn)時(shí)間(h)。

聯(lián)立式(1)～(4)，可得確保設(shè)備正常橫向掘進(jìn)過程中超緩凝混凝土澆筑參數(shù)的控制模型，即超緩凝混凝土澆筑節(jié)點(diǎn)及澆筑量計(jì)算式為：

(5)

Vc=vth0

(6)

為保證在完全流動(dòng)態(tài)混凝土區(qū)段內(nèi)的混凝土流動(dòng)性，即不超過初凝時(shí)間，根據(jù)同步切割澆筑特點(diǎn)，相同時(shí)間內(nèi)切割掘土量與混凝土澆筑量相同：

(7)

整理式(7)可得所需初凝時(shí)間計(jì)算為：

(8)

本文中只研究同步切割澆筑工藝下混凝土所需的凝結(jié)時(shí)間。

切割深度取值應(yīng)結(jié)合本設(shè)備的掘進(jìn)能力確定，該設(shè)備的成墻深度>40m，因此結(jié)合常規(guī)地下連續(xù)墻深度和本設(shè)備技術(shù)指標(biāo)確定地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)深度h0取值范圍為：20m≤h0≤50m。

初始狀態(tài)下已澆筑混凝土段長(zhǎng)度L0需結(jié)合超緩凝混凝土材料性能、澆筑工藝和后置勁性骨架工作面要求等確定，需保證在已澆筑段長(zhǎng)度內(nèi)混凝土不發(fā)生凝固，保持一定的流動(dòng)性，基于現(xiàn)有混凝土澆筑設(shè)備和工程經(jīng)驗(yàn)，其取值范圍為：20m≤L0≤40。

設(shè)備掘進(jìn)速度v根據(jù)設(shè)備的額定橫移速度和施工工藝的合理要求取值為：0.2m/h≤v≤0.6m/h。

根據(jù)初步混凝土澆筑模擬試驗(yàn)確定混凝土存在一定流動(dòng)分布傾角，但暫無(wú)法確定具體傾角大小，計(jì)算模型中暫設(shè)定流動(dòng)分布傾角取值：30°≤α≤60°。

2.3 參數(shù)分析

采用控制變量法對(duì)影響混凝土初凝時(shí)間的因素進(jìn)行參數(shù)分析。

2.3.1地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)深度

假定地下連續(xù)墻深度范圍內(nèi)完全流動(dòng)態(tài)的混凝土長(zhǎng)度L0=20m，掘進(jìn)速度v=0.6m/h，混凝土初凝時(shí)間tf與地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)深度h0的關(guān)系如圖3所示。

圖3 tf與h0的關(guān)系

由圖3可知，混凝土初凝時(shí)間與地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)深度呈線性正比例關(guān)系，設(shè)計(jì)深度越大，所需混凝土初凝時(shí)間越長(zhǎng)；相同設(shè)計(jì)深度下，混凝土凝結(jié)時(shí)間隨混凝土流動(dòng)分布傾角的增大而減小。

2.3.2掘進(jìn)速度

假定地下連續(xù)墻深度范圍內(nèi)完全流動(dòng)態(tài)的混凝土長(zhǎng)度L0=20m、地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)深度h0=40m，混凝土初凝時(shí)間tf與掘進(jìn)速度v的關(guān)系如圖4所示。

圖4 tf與v的關(guān)系

由圖4可知，混凝土的初凝時(shí)間與掘進(jìn)速度呈反比例關(guān)系，掘進(jìn)速度越快，所需混凝土初凝時(shí)間越短，且變化趨勢(shì)隨之逐漸變緩；,相同掘進(jìn)速度下，混凝土凝結(jié)時(shí)間隨混凝土流動(dòng)分布傾角的增大而減小，且傾角越大，凝結(jié)時(shí)間降低趨勢(shì)越緩慢。

2.3.3地下連續(xù)墻深度范圍內(nèi)完全流動(dòng)態(tài)混凝土長(zhǎng)度

假定地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)深度h0=40m，掘進(jìn)速度v=0.6m/h，混凝土初凝時(shí)間tf與地下連續(xù)墻深度范圍內(nèi)完全流動(dòng)態(tài)混凝土長(zhǎng)度L0的關(guān)系如圖5所示。

圖5 tf與L0的關(guān)系

由圖5可知，混凝土的初凝時(shí)間與地下連續(xù)墻深度范圍完全流動(dòng)態(tài)混凝土長(zhǎng)度呈線性正比例關(guān)系，地下連續(xù)墻深度范圍完全流動(dòng)態(tài)混凝土長(zhǎng)度越長(zhǎng)，所需混凝土初凝時(shí)間越短；相同流動(dòng)態(tài)混凝土長(zhǎng)度下，其流動(dòng)分布傾角越大，混凝土凝結(jié)時(shí)間越短。

2.3.4混凝土流動(dòng)分布傾角

假定地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)深度h0=40m，地下連續(xù)墻深度范圍內(nèi)完全流動(dòng)態(tài)混凝土長(zhǎng)度L0=20m，掘進(jìn)速度v=0.6m/h，混凝土初凝時(shí)間tf與混凝土流動(dòng)分布傾角α的關(guān)系如圖6所示。

圖6 tf與α的關(guān)系

由圖6可知，混凝土的初凝時(shí)間與流動(dòng)分布傾角呈反比例關(guān)系，流動(dòng)分布傾角越大，所需混凝土初凝時(shí)間越短。

綜上分析，混凝土緩凝時(shí)間與地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)深度、地下連續(xù)墻深度范圍內(nèi)完全流動(dòng)態(tài)混凝土長(zhǎng)度、掘進(jìn)速度及混凝土流動(dòng)分布傾角等因素密切相關(guān)。由于本項(xiàng)技術(shù)為全新工藝，無(wú)可參考案例，為確保SCP技術(shù)的施工連貫性，結(jié)合現(xiàn)有超緩凝混凝土技術(shù)和施工過程中可能存在的故障檢修、緊急處理等問題，超緩凝混凝土的凝結(jié)時(shí)間初步設(shè)定為：初凝時(shí)間≥60h，終凝時(shí)間≤72h。

3 超緩凝混凝土配合比設(shè)計(jì)

3.1 擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

根據(jù)SCP技術(shù)工藝原理和混凝土參數(shù)要求，超緩凝混凝土配制需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題為：①拌合物凝結(jié)時(shí)間控制；②拌合物工作性控制；③拌合物強(qiáng)度控制。

根據(jù)上述關(guān)鍵技術(shù)問題及施工經(jīng)驗(yàn)，擬配制的超緩凝混凝土需滿足的技術(shù)指標(biāo)要求如表1所示。

表1 超緩凝混凝土技術(shù)指標(biāo)要求

3.2 原材料選型

水泥選用P·O42.5水泥，其物理力學(xué)性能如表2所示。礦渣粉為S95級(jí)。微硅粉含硅量≥80%。玻璃微珠為I級(jí)。細(xì)骨料中機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)為3.3，含水率為9%；江砂細(xì)度模數(shù)為1.1，含水率為10%；黃砂細(xì)度模數(shù)2.4，含水率3%。粗骨料選用5～15mm青石，壓碎值為10.4%。聚羧酸減水劑選用聚羧酸減水劑母液，包括減水型、綜合型、保坍型、降粘型及引氣、消泡等功能型助劑，成品外加劑是由多種母液定制化復(fù)配得到。有機(jī)緩凝劑采用白糖、葡萄糖酸鈉等；無(wú)機(jī)緩凝劑采用多聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉、檸檬酸、羥基乙叉二膦酸等。

表2 水泥物理力學(xué)性能

3.3 緩凝劑組分對(duì)水泥砂漿水化溫升的影響

3.3.1緩凝劑初篩

基于不同緩凝劑的緩凝機(jī)理和緩凝效果的差異性，開展緩凝劑的種類和用量試驗(yàn)，在水泥砂漿中外摻具有緩凝作用的不同緩凝劑，并測(cè)試砂漿絕熱條件下的水化溫升，再遴選出有效組分進(jìn)行復(fù)摻試驗(yàn)，確定最終緩凝劑配方。

基于上述研究思路，開展HEDP、白糖、葡萄糖酸鈉、檸檬酸、三聚磷酸鈉及六偏磷酸鈉6種具有緩凝效果的緩凝劑單摻試驗(yàn)，0.1%緩凝劑摻量下水泥砂漿的水化溫升曲線如圖7所示。由圖7可知，相比于未摻加緩凝劑的砂漿，在相同摻量下，幾種緩凝組分均有較明顯的延緩水泥水化絕熱溫升的作用，但作用強(qiáng)度有明顯區(qū)別，白糖和HEDP對(duì)絕熱溫升峰值具有明顯的削弱作用，考慮到本次試驗(yàn)要求混凝土具有較長(zhǎng)的緩凝時(shí)間，綜合比對(duì)后選用白糖和HEDP作為后續(xù)試驗(yàn)緩凝劑復(fù)摻組分。

3.3.2緩凝劑復(fù)摻設(shè)計(jì)

基于上述緩凝劑單摻試驗(yàn)結(jié)果，開展白糖和HEDP 2類緩凝劑復(fù)摻的水泥砂漿水化溫升試驗(yàn)，不同比例復(fù)摻緩凝劑水泥砂漿的水化溫升曲線如圖8所示。

圖8 不同比例復(fù)摻緩凝劑水泥砂漿的水化溫升曲線

由圖8可知，緩凝劑復(fù)摻量較小時(shí)，水化溫升曲線峰值較高，緩凝效果作用不明顯，砂漿內(nèi)部仍在進(jìn)行劇烈的水化反應(yīng)。當(dāng)緩凝劑復(fù)摻量較大時(shí)，以0.3%HEDP+0.3%白糖摻量為例，水泥砂漿的水化溫升峰值明顯降低且延后，溫升曲線更為平緩，表明砂漿內(nèi)部水化反應(yīng)由原來(lái)的較集中向更平緩的趨勢(shì)發(fā)展，這對(duì)提高混凝土緩凝時(shí)間、延緩水泥水化反應(yīng)更有利。基于試驗(yàn)結(jié)果，本次超緩凝混凝土配制中緩凝劑配方采用0.3%HEDP+0.3%白糖摻量配合比。

3.4 配合比設(shè)計(jì)及試配試驗(yàn)

根據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，最大水膠比為0.6，最小膠凝材料用量為350kg/m3。根據(jù)超緩凝混凝土的特殊和易性要求，取總膠材用量400kg/m3，水膠比0.6，設(shè)計(jì)用水量為240kg/m3，計(jì)算得到的基準(zhǔn)配合比為：水泥∶礦粉∶玻璃微珠∶微硅粉∶砂∶石∶水∶外加劑=120∶130∶100∶50∶922.1∶851.1∶230.4∶6.4(kg·m-3)。

在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上，開展超緩凝混凝土的試配試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括以下方面。

1)選用合適的機(jī)制砂、江砂、黃砂比例，使混合砂達(dá)到II區(qū)中砂性能指標(biāo)，滿足坍落度、黏聚性和飽水性要求。

2)調(diào)整外加劑用量和用水量，使出機(jī)拌合物的坍落度、擴(kuò)展度、黏聚性和飽水性均滿足設(shè)計(jì)要求。

3)對(duì)緩凝劑進(jìn)行復(fù)摻試驗(yàn)，使混凝土拌合物滿足長(zhǎng)時(shí)保坍、60h未達(dá)初凝，且仍具有一定的流動(dòng)性。

經(jīng)過多次試配及調(diào)試，滿足技術(shù)指標(biāo)的超緩凝混凝土拌合物性能指標(biāo)如表3所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，該拌合物具有良好的工作性能，60h后坍落度和擴(kuò)展度仍能達(dá)到210，480mm，流動(dòng)性較好，滿足后置骨架的時(shí)間要求。其抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律與常規(guī)混凝土存在一定差異，在養(yǎng)護(hù)早期階段混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢，28d齡期后能達(dá)到30.1MPa，這與早期緩凝劑的長(zhǎng)效緩凝作用有關(guān)。基于多次試配試驗(yàn)及結(jié)果分析，滿足SCP技術(shù)要求的超緩凝混凝土試驗(yàn)配合比如表4所示。

表3 混凝土拌合物性能指標(biāo)

表4 超緩凝混凝土試驗(yàn)配合比

3.5 超緩凝混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑

基于實(shí)驗(yàn)室試配結(jié)果，于2021年6月18日在湖北廣電項(xiàng)目開展SCP技術(shù)超緩凝混凝土的現(xiàn)場(chǎng)澆筑試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)澆筑過程為：混凝土泵送→現(xiàn)場(chǎng)坍落度測(cè)試→現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)展度測(cè)試→混凝土澆筑→鋼筋籠后置→同條件養(yǎng)護(hù)試塊。

現(xiàn)場(chǎng)澆筑完成后，將混凝土拌合物裝入150mm×150mm×150mm模具中，成型標(biāo)準(zhǔn)試塊分別放于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和同條件養(yǎng)護(hù)環(huán)境中，測(cè)試其不同齡期強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律。不同養(yǎng)護(hù)條件及制作條件下混凝土強(qiáng)度發(fā)展對(duì)比結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，拌合站生產(chǎn)線生產(chǎn)的混凝土各齡期強(qiáng)度發(fā)展略低于實(shí)驗(yàn)室，這與實(shí)驗(yàn)室配制混凝土?xí)r材料用量控制較精確有關(guān)，但總體強(qiáng)度發(fā)展良好，28d內(nèi)強(qiáng)度發(fā)展基本符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

圖9 不同養(yǎng)護(hù)條件及制作條件下混凝土強(qiáng)度發(fā)展對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻技術(shù)對(duì)混凝土的凝結(jié)時(shí)間和工作性能提出了較高的要求。本文基于超緩凝混凝土澆筑工藝參數(shù)研究，詳細(xì)分析了影響混凝土凝結(jié)時(shí)間的各項(xiàng)因素，考慮到SCP技術(shù)的連貫性和現(xiàn)場(chǎng)可能存在的問題，提出初凝時(shí)間≥60h、終凝時(shí)間≤72h的混凝土凝結(jié)時(shí)間要求。基于此要求，開展混凝土緩凝劑選型及復(fù)摻設(shè)計(jì)，配制高流態(tài)超緩凝混凝土，并成功應(yīng)用于同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻工藝驗(yàn)證試驗(yàn)中，取得了良好的效果。