CPG樁混凝土配合比設計及其施工工藝探討

劉全軍

(中鐵十七局集團第五工程有限公司，山西 太原 030024）

0 引言

火山灰作為一種混凝土摻合料，目前在道路工程、水利水電大壩工程中已有使用[1]。多項試驗研究結果表明，火山灰作為混凝土的摻合料，對混凝土的性能改善、成本降低、環境保護等有諸多優勢。我國目前在鐵路混凝土中已大量使用粉煤灰，且很成熟，但還未大面積推廣應用火山灰[2]。在云南地區，粉煤灰資源稀缺，但當地的火山灰資源非常豐富，就地取材，配制水泥火山灰碎石樁(簡稱CPG樁)十分經濟[3]。借云南大瑞鐵路工程設計選用CPG樁的機會，探討CPG樁混凝土的配比設計和CPG樁的施工工藝，有利于工程建設效果的提升。

1 工程概況

新建云南大瑞鐵路（大理至瑞麗)保山至瑞麗段DRBRTJ-6標段，位于德宏州芒市和瑞麗市境內，全長59.739km，設計CPG樁78230根。CPG樁設計文件要求：樁身采用P·O42.5水泥摻入量不宜大于200kg/m3；摻入活性指數≥60%的優質火山灰，摻量為≤150kg/m3；混凝土總膠凝材料用量≥300kg/m3，施工中應采用強制式攪拌機。坍落度控制標準為：長螺旋鉆孔、管內泵壓混合料灌注法為160～200mm，混凝土28d標準立方體無側限抗壓強度不小于15MPa，混凝土56d電通量＜1500C。

2 原材料的選擇及配合比設計

2.1 原材料

（1）水泥：云南芒市西南水泥有限公司生產的P?O 42.5級水泥。

（2）天然火山灰：騰沖縣華輝石材有限公司生產；優質火山灰：保山市恒銀實業有限公司生產，其技術指標見表1。

表1 天然火山灰和優質火山灰的技術指標對比

（3）細集料1：芒市遮放戶勒采石場生產的機制砂，細度模數3.3，石粉含量6.0%。

（4）細集料2：畹町九州砂場的河砂，細度模數2.7，含泥量0.5%。

（5）粗集料：瑞麗市畹町芒另采砂場的5～20mm碎石，壓碎指標值8%，含泥量0.5%。

（6）減水劑：山西黃河新型化工有限公司的聚羧酸高性能減水劑，減水率28%。

（7）水：拌合站井水，依據TB10424-2010表6.2.7-1檢測，各項指標滿足技術標準要求。

2.2 配合比設計

（1）設計的思路：通過對現場料源的調查，選擇了一種水泥、一種碎石、一種外加劑，選擇了兩種火山灰和兩種細骨料，進行交叉設計、試配，最終做出CPG樁混凝土要求的指標，通過工藝性試驗選出所需的配合比。

（2）遵循的原則：滿足CPG樁混凝土和易性指標，保坍不泌水；滿足技術指標，確保構件安全；滿足施工工藝要求，實現可泵性；滿足經濟原則。

（3）配合比設計依據：CPG樁混凝土的拌合物性能、力學性能、耐久性分別依據GB/T50080-2016、GB/T50081-2002和GB/T50082-2009進行試驗檢測。

（4）不同配伍滿足和易性要求的配合比見表2。

表2 CPG樁混凝土配合比試配

（5）各配合比試驗結果見表3。

表3 CPG樁混凝土配合比試配結果

（6）試配結果分析。

對于天然火山灰：當摻合料選用天然火山灰時，CPG樁混凝土拌合物性能及力學性能滿足設計要求。要滿足每方水泥用量小于200kg，火山灰摻量＞100kg，總膠材用量大于≥300kg的要求；不管采用機制砂或河砂，混凝土的含氣量均在6%左右，且混凝土出現泌水，坍落度損失過快，混凝土的和易性不好，混凝土電通量均在3000C以上，不能保證現場施工要求；當每方水泥用量突破200kg，火山灰的摻量在總膠材用量20%左右時，混凝土的各項工作性能均滿足設計要求，但56d電通量未達到設計要求＜1500C。

對于優質火山灰：當摻合料選用優質火山灰時，采用機制砂（石粉含量介于6%～10%）試配結果各項參數滿足設計要求，且混凝土的電通量明顯降低，但是優質火山灰生產成本高且產量較小，不能滿足施工實際需求。

對于河砂和機制砂：考慮本地河砂產量有限，且價格要高于機制砂，從經濟合理性原則選用機制砂節約成本，另外從試驗結果看出，選用河砂時混凝土的粘聚性較差且包漿不好，不利于現場泵送，摻入機制砂的混凝土（石粉含量介于6%～10%）粘聚性明顯優于摻入河砂的混凝土。

綜上所述：各配合比對應的強度均大于設計強度，但把膠凝材料調小后混凝土泌水較嚴重，無法滿足施工工藝要求；當混凝土的含氣量較大時，電通量也會增大；除2#配合比坍落度稍小外，其它各配合比均滿足坍落度要求；3#、4#、5#、6#配合比含氣量過大，產生的原因是火山灰摻量較大（火山灰是多孔材料）；7#、8#使用的是優質火山灰，從結果看除降低了混凝土的電通量外其它指標仍未改善。

結合全線各配合比試配情況，對于水泥摻入量不宜大于200kg/m3，可根據配合比用量調整，優質火山灰價格過高，同時沒有產品標準，采用天然火山灰完全可以達到設計目的。最終采用1#、4#配合比做試樁。

3 試樁施工

3.1 試樁

（1）試樁目的：通過試樁確定混凝土配合比的適應性（坍落度、攪拌時間、灌注時間間隔等參數）；確定施工工藝參數（混凝土灌注速度與提管速度、泵壓、樁頭預留長度等）；確定機械與人員配備。

（2）試樁布置選擇：試區1：試樁樁號為C1-1、C1-2、C1-3、C1-4共4根，樁徑0.5m，樁間距1.6m，呈正方形布置。試區2：試樁樁號為C2-1、C2-2、C2-3、C2-4共4根，樁徑0.5m，樁間距1.6m，呈正方形布置。試樁位置地質為表層10m的淤泥質土，其下為10.6m的粉質黏土。混凝土拌合物坍落度控制在160～200mm，虛樁頭預留要求不少于50cm，試樁虛樁按照60cm預留。混合料泵送過程中，鉆桿在混合料內埋深保持在15～25cm之間。試樁完成后，28d后做單樁承載力檢測，進一步確定樁基施工工藝參數。

（3）試樁配合比：選用天然火山灰作為摻合料，細骨料選擇機制砂，試區1采用1#配合比；試區2采用4#配合比。

3.2 混合料攪拌、運輸

混合料攪拌采用混凝土集中拌和，按照配合比進行配料，每盤料攪拌時間控制在120s，混合料坍落度控制在160～200mm。運輸采用混凝土罐車運輸到施工現場。試區1試樁混合料出機坍落度185mm，出機含氣量2.3%，現場坍落度180mm，入模溫度28.1℃，現場含氣量2.4%，35min坍落度損失5mm；試區2試樁混合料出機坍落度175mm，出機含氣量5.0%，現場坍落度170mm，入模溫度28.1℃，現場含氣量5.0%，35min坍落度損失10mm。混合料拌合物性能均能滿足設計及規范要求，且滿足現場施工需要。現場采用長螺旋鉆孔、管內泵壓混合料灌注法施工，成樁過程連續無間斷。混合料使用量為3.1m3，施工中投料量大于設計灌注量2.55m3，整個成樁過程無異常。

4 成樁質量檢驗

試樁成樁7d，開挖樁頭檢查試樁樁頭外觀質量；成樁18d時，采用低應變檢查樁身完整性；成樁28d時，進行單樁地基載荷試驗；28d時在樁體中心處、樁長范圍內垂直鉆孔取芯，觀察樁體完整性、均勻性，在樁身上、中、下取不同深度的不少于3個試樣作抗壓強度試驗。樁體檢測結果如表4。

表4 成樁檢測結果

從試樁施工和成樁質量檢測來看，兩個配合比均能滿足施工和地基承載力的要求。

5 結束語

火山灰為多孔結構的粉末材料，當摻加量較大時，混凝土的含氣量較大，導致電通量過大。在一般環境下，對電通量無要求時，火山灰的摻量可以放大，但對電通量有要求時，火山灰的摻量受到限制。通過大瑞鐵路CPG樁的施工，火山灰作為樁基處治加固地基的混凝土摻合料完全可行，對粉煤灰匱乏的云南地區，采用火山灰替代粉煤灰會產生明顯的經濟效益。