論某橋梁項(xiàng)目機(jī)制砂在水下樁基高性能混凝土中的運(yùn)用

沈貴琳

（貴州路橋集團(tuán)有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

砂是混凝土的主要原料，隨著我國基建的快速發(fā)展，天然砂資源的日益枯竭，機(jī)制砂替代天然砂已是大勢所趨[1-2]。該文結(jié)合某高速公路大橋3 m直徑水下樁基的施工，對其在大直徑水下樁基礎(chǔ)工程中的應(yīng)用進(jìn)行了論述。

1 工程概況

某高速公路大橋，跨徑為[4×20+4×20+4×20+5×20+5×20+5×20+（56+95+56）]m，橋面寬為2×15.75 m，上部結(jié)構(gòu)主跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)28、29號主墩采用實(shí)體墩，墩臺基礎(chǔ)采用直徑3 m的樁基，設(shè)計(jì)樁長為24 m。

該橋的樁基混凝土強(qiáng)度等級為C30，其樁直徑為3 m，因?qū)仓r(shí)混凝土的流動性要求較高，其設(shè)計(jì)坍落度為180～220 mm。鑒于該工程攪拌站距樁基澆筑場地較遠(yuǎn)，且初期道路尚未打通，混凝土罐車運(yùn)輸時(shí)間需要90 min，上下班車流高峰期需要120 min以上，綜合考慮混凝土的保坍時(shí)間確定為3 h，要求控制坍落度的損失小于30 mm，樁基混凝土采用內(nèi)徑為300 mm的單根導(dǎo)管灌注。

2 機(jī)制砂的主要物理特性

凡經(jīng)開采、機(jī)械破碎、篩分得到的粒度小于4.75 mm的巖石顆粒，稱為“機(jī)制砂”。機(jī)制砂的基本物理特性指標(biāo)包括：級配、細(xì)度模數(shù)、顆粒形狀、石粉含量、亞甲藍(lán)值等[3-5]。

2.1 機(jī)制砂的級配、細(xì)度模數(shù)、顆粒形狀

配合比較好的機(jī)制砂，能夠配制生產(chǎn)出符合工程需要的優(yōu)質(zhì)混凝土。細(xì)度模數(shù)只是機(jī)制砂的粗細(xì)程度的一個重要標(biāo)志，而粒徑大小、顆粒級配則是決定其質(zhì)量的重要因素。該工程所用的砂細(xì)度模數(shù)為2.91，屬于中砂，篩分試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 機(jī)制砂篩分試驗(yàn)檢測結(jié)果

為改善混凝土工作性能、力學(xué)能力，必須通過調(diào)整生產(chǎn)工藝，使其達(dá)到骨架密實(shí)特征[6]。在配制生產(chǎn)高性能混凝土?xí)r，應(yīng)選用具有類似球體顆粒較多的優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂。該工程所用的機(jī)制砂為中砂，級配優(yōu)良，其顆粒級配分布曲線如圖1。

圖1 機(jī)制砂顆粒級配曲線

2.2 機(jī)制砂的石粉含量

機(jī)制砂中的石粉含量是指機(jī)制砂中粒徑小于75 μm的顆粒含量。石粉主要是磨細(xì)的巖石粉末，與機(jī)制砂的成分相同，屬于一種惰性摻合料。石粉在混凝土中能起到微集料作用，可以補(bǔ)充混凝土中缺少的細(xì)集料，和水泥、水組成柔軟的漿體增加混凝土的漿體含量，有利于改善混凝土的和易性。配制高性能混凝土?xí)r，機(jī)制砂石粉含量宜控制在7%左右，不宜超過10%。該項(xiàng)目采用的機(jī)制砂原材料主要性能指標(biāo)如表2所示。

表2 機(jī)制砂各項(xiàng)指標(biāo)檢測值

2.3 機(jī)制砂的MB值

石粉中含有一定量的泥粉，石粉和泥粉均會吸附一定量的外加劑和水。亞甲藍(lán)值是用于判定機(jī)制砂中粒徑小于751 μm顆粒的吸附性能的指標(biāo)，表征的是機(jī)制砂中2.36 mm以下細(xì)顆粒中膨脹性黏土礦物對亞甲藍(lán)的吸附程度，用于評定集料的潔凈程度，用MB表示。混凝土使用機(jī)制砂時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制泥粉含量，MB值一般控制在1.4以下，用于重要工程的機(jī)制砂MB值宜控制在1.0以下[7]。

3 樁基混凝土配合比設(shè)計(jì)

3.1 原材料情況

3.1.1 水泥

配制耐久性良好的高性能混凝土應(yīng)嚴(yán)格控制水泥質(zhì)量，選用氯離子含量和堿含量偏低、質(zhì)量穩(wěn)定、低水化熱的普通硅酸鹽水泥。該項(xiàng)目采用江西蘆溪南方水泥有限公司生產(chǎn)的“南方”牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果如表3所示，符合高性能混凝土對水泥的要求。

表3 水泥物理、力學(xué)、化學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3.1.2 摻合料

針對機(jī)制砂混凝土和易性差的特點(diǎn)，摻入具有潛在活性的礦物摻合料可以明顯改善混凝土性能。摻入適量粉煤灰有利于改善漿體包裹性，提高混凝土拌和物流動性、和易性、保水性[8]。該項(xiàng)目采用的粉煤灰主要性能指標(biāo)如表4所示。

表4 粉煤灰主要性能指標(biāo)

混凝土可視為連續(xù)級配的顆粒堆積體系，機(jī)制砂可填充碎石之間的空隙，水泥可填充機(jī)制砂之間的空隙，水泥顆粒之間的空隙則需要更細(xì)的微集料來填充。由于礦渣粉的細(xì)度比水泥更細(xì)，在取代了部分水泥后，這些礦渣粉細(xì)微顆粒填充在水泥顆粒之間的空隙中，混凝土膠凝材料級配更合理，具有微觀層次的自緊密堆積體系，混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。該項(xiàng)目采用的礦渣粉主要性能指標(biāo)如表5所示。

表5 礦渣粉主要性能指標(biāo)

粉煤灰為F類Ⅱ級粉煤灰，摻量為膠凝材料總用量的20%；礦渣粉為S95粒化高爐礦渣粉，摻量為膠凝材料總用量的10%。

3.1.3 外加劑

為配制工作性能良好的機(jī)制砂高性能混凝土，應(yīng)選用具有減水率高、適量引氣、坍落度損失小、改善混凝土耐久性且與膠凝材料具有良好相容性的減水劑。為保證水下樁基混凝土能夠順利灌注，通過適當(dāng)增加保坍成分確保混凝土保坍時(shí)間不小于3 h。該項(xiàng)目選用HPC-S-7緩凝型聚羧酸高性能減水劑，經(jīng)過驗(yàn)證摻量為膠凝材料用量的1.2%。

3.1.4 水、細(xì)集料、粗集料

采用普通地下水；細(xì)集料采用機(jī)制砂；粗集料碎石，質(zhì)地堅(jiān)硬，針片狀顆粒含量少，通過三檔碎石單篩分試驗(yàn)和摻配曲線調(diào)整，確定各檔碎石摻配比例為5～10 mm占20%，10～20 mm占60%，16～31.5 mm占20%。

3.2 初步配合比設(shè)計(jì)過程

（1）C30水下混凝土配制強(qiáng)度計(jì)算：fcu，0≥fcu，k+1.645δ=30+1.645×5=38.2 MPa。

（2）碎石的回歸系數(shù)aa=0.53，ab=0.20，粉煤灰的摻量為膠凝材料的20%取γf為0.85，粒化高爐礦渣粉為膠凝材料用量的10%取γs為1.00，計(jì)算得到W/B=0.52。為保證混凝土的強(qiáng)度和耐久性，同時(shí)滿足施工時(shí)混凝土拌和物的和易性和流動性要求，考慮到材料較大的波動性，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對計(jì)算水膠比進(jìn)行調(diào)整，確定水膠比W/B=0.4。

（3）單位用水量:依據(jù)設(shè)計(jì)坍落度、碎石最大公稱粒徑，查現(xiàn)行《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》選取混凝土單位用水量mwo=230 kg，減水劑減水率為26%，則單位用水量mwo=230×（1-26%）=170 kg，經(jīng)過試拌調(diào)整確定用水量mwo=167 kg。

（4）每立方米混凝土膠凝材料總用量：mbo=167/0.44=380 kg；粉煤灰摻量為膠凝材料的20%，粉煤灰用量為380×20%=76 kg；粒化高爐礦渣粉摻量為膠凝材料的10%，礦渣粉用量為380×10%=38 kg；每立方米混凝土水泥用量mco=380-76-38=266 kg；減水劑摻量為膠凝材料用量的1.2%，每立方米混凝土減水劑用量為380×1.2%=4.560 kg。

（5）確定砂率值βs：參考現(xiàn)行《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，根據(jù)水膠比值和粗集料的最大粒徑，結(jié)合機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)屬于中砂實(shí)際情況，確定βs=47%。

（6）機(jī)制砂、碎石用量的確定：假定C30水下樁基混凝土容重mcp=2 400 kg/m3，機(jī)制砂用量為mso=871 kg，碎石用量為mgo=982 kg。

3.3 試拌、調(diào)整配合比

在初步配合比的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)試拌和調(diào)整，確保混凝土和易性、流動性、保坍時(shí)效等工作性能滿足施工要求。為了更好地優(yōu)化配合比，在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上，保持用水量不變，水膠比增減0.02，砂率增減1%，確定其他兩個水膠比W/B=0.42、W/B=0.46，三組配合比性能檢測結(jié)果如表6所示。

表6 不同水膠比及配比拌和物的主要性能試驗(yàn)結(jié)果

3.4 確定理論配合比

綜上所述，在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度和施工要求的條件下，考慮到節(jié)約工程成本等因素，選定具有較高富余系數(shù)的基準(zhǔn)配合比W/B=0.44作為試驗(yàn)室理論配合比，各材料用量為：（水泥+粉煤灰+礦渣粉）∶砂∶碎石∶水∶減水劑=（266+76+38）∶871∶982∶167∶4.560。

4 灌注水下樁基的質(zhì)量控制要點(diǎn)

（1）對機(jī)制砂的生產(chǎn)工藝進(jìn)行嚴(yán)格的控制，將石粉含量控制在（7±2）%，不大于10%，并采用調(diào)整篩孔尺寸的方案，使機(jī)制砂級配符合Ⅱ區(qū)要求；選擇干凈的碎石作為母材，確保機(jī)制砂亞甲藍(lán)值≤1.0%。

（2）進(jìn)場的機(jī)械砂等原材料，需進(jìn)行及時(shí)檢測，經(jīng)檢驗(yàn)合格后方可投入使用，防止不合格物料被用到實(shí)體工程中。

（3）在攪拌站開盤之前，需對料倉中的機(jī)制砂進(jìn)行含水量測試，并通過實(shí)驗(yàn)分析，得出相應(yīng)的施工配合比。施工過程中，在機(jī)械砂含水量變化大的情況下，施工配合比要適時(shí)地進(jìn)行動態(tài)調(diào)整[9]。

（4）為了使高性能機(jī)制砂混凝土充分?jǐn)嚢瑁瑧?yīng)采用強(qiáng)制間歇式攪拌機(jī)拌和，將每一盤混凝土的攪拌時(shí)間調(diào)整為120 s。拌和結(jié)束后，應(yīng)對混凝土的坍落度、擴(kuò)展度進(jìn)行檢測，若混凝土流動性、包裹性不良，應(yīng)通過調(diào)整砂率或摻減水劑等措施，確保混凝土工作性能能夠滿足現(xiàn)場施工要求。

（5）在進(jìn)行水下混凝土正式澆筑之前，必須對管道進(jìn)行水密性、接頭抗拉性測試，另需對孔底的沉渣厚度進(jìn)行重新檢驗(yàn)，達(dá)到要求后方可進(jìn)行混凝土的灌注。

（6）在澆筑到鋼筋籠底部時(shí)，要注意控制灌漿速率，以避免鋼筋籠的上浮。灌注至鋼筋籠底部4 m以上時(shí)，再采用快速澆灌方法。

5 樁基完整性檢測

在樁基灌注7 d以后，可以通過超聲法對樁的完整性進(jìn)行檢測。在樁體內(nèi)埋設(shè)4根聲測管，測量超聲波在混凝土中的傳播頻率、波幅等參數(shù)的相對變化，從而判斷樁的完整性。根據(jù)受檢樁的實(shí)測曲線，得出所澆筑的水下灌注樁為Ⅰ類樁基。

6 結(jié)論

在天然砂石資源較少的地區(qū)，采用機(jī)制砂配制生產(chǎn)混凝土，既能降低工程造價(jià)，又能帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。通過對機(jī)械砂生產(chǎn)工藝的嚴(yán)格控制，生產(chǎn)出符合Ⅱ區(qū)級配、石粉含量≤10%，MB含量≤1.0%的機(jī)制砂，并采用合適的配比，摻入高性能的聚羧酸型減水劑及優(yōu)質(zhì)摻合料，配制出流動性良好、保坍性能達(dá)3 h的C30型機(jī)制砂高性能混凝土，能夠滿足水下樁基礎(chǔ)的施工需要。