水下施工高流态混凝土的实验研究及工程应用

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水下施工高流态混凝土的实验研究及工程应用
潘凡
摘要：根据工程设计的技术指标，通过优化配合比设计，配制出一种性能优良的水下施工高流态混凝土。在施工过程中，混凝土拌合物和易性好，不离析、无泌水，体现了优良的施工性能，且流动性保持能力较好 ，混凝土拌合物出场6小时后还能保证110mm以上的塌落度。
关键词：高流态 抗离析 水下施工

某桥梁工程地处长江三角洲太湖平原中部，桥型为48+80+48m预应力混凝土连续箱梁桥。本桥所跨越的河流是当地一条主要航道，通航净空要求较高；该桥所在地区松散覆盖层厚度较大，设计选用的持力层埋深较深，因此，本工程所用水下钻孔灌注桩桩长较大（最长桩长接近90米），单桩最大混凝土方量300余m3；本工程地处乡村，混凝土拌合站距离较远，另由于工程实施过程同时，当地正在进行大规模路网改造，时常发生严重的堵车现象，商品混凝土搅拌车从出场到施工现场的时间平均超过2小时。
在水下钻孔灌注桩施工中，由于水下混凝土的整平和密实是靠混凝土自重下沉来完成的，在水流的影响下混凝土拌合物极易出现离散、骨料堆集等现象，因此混凝土必须具有良好的流动性和粘聚性。由于首盘灌注的混凝土浇筑后始终被后灌的混凝土顶托上升，随着灌注时间的推移，如果其流动性降低较快，易被后灌的混凝土局部顶破，形成夹层、断桩等质量问题。为保证整根灌注桩的整体性，灌注结束时，首盘灌注的混凝土仍须保持良好的流动性，以满足工程质量的需要。
由于上述种种不利因素，为保证水下灌注桩质量，要求所用C35混凝土水下施工高流态混凝土需在拌制6小时后，依然保证有110mm以上的塌落度，此外还混凝土拌合物还必须具有良好的和易性，施工过程中不泌水、骨料无堆积。

1 实验原理及实验条件

1.1 实验原理
新拌混凝土属宾汉姆流体，流变方程为[1]：
τ =τ0 +ηγ （1)
式(1) 中： τ为剪切应力
τ0 为屈服剪切应力
η为塑性粘度
γ为剪切速度
在外力作用下，当混凝土拌合物内部产生的剪应力τ大于或等于阻止塑性变形能力的τ0 时，混凝土就开始流动；塑性粘度η是混凝土拌合物内部阻止其流动的一种性能。η 越小，在相同外力作用下混凝土流动速度越快。由上式可知，屈服剪应力τ0和塑性粘度η 是反映混凝土拌合物工作性能的两个主要的流变参数。普通混凝土采用机械振捣时，因其触变作用令τ0大幅度减小，从而使振动影响区内的混凝土呈液化而流动并密实成型；除了流动性之外，高流态混凝土同时应具有较好的抗分离性。试验表明，离析的混凝土在通过间隙时，粗骨料会聚集并阻塞间隙，难以保证密实填充模板和保持拌合物均质。混凝土离析的主要原因是τ0 和η 过小，使得混凝土抵抗粗骨料与水泥砂浆相对移动的能力弱。由上可知，屈服剪应力τ0 和塑性粘度η 既是混凝土开始流动的要素，又是混凝土抗离析的要素。因此制备水下施工高流态混凝土的原理是通过胶凝材料、粗细骨料、外加剂等的优选和配合比的优化设计，使τ0减小到适当范围，在保持流动性的同时又具有足够的塑性粘度，使骨料悬浮于水泥浆中，不出现离析和泌水现象。
1.2 实验流程
水下施工高流态混凝土的应具有较高的流动性能及抗离析性能，因此，在相同强度等级的前提下水下施工高流态混凝土与普通混凝土相比，浆骨比较大，即相对较小的骨料用量，较大的浆体用量，每立方米的高流态混凝土胶凝材料用量一般要达到或超过450kg；砂率较大，即粗骨料用量较小，最大砂率可达50%左右；应用高效减水剂，由于凝胶材料用量大，故必须掺用大量矿物细掺料，一般细掺料总掺量达到甚至超过凝胶材料总量的30%，为保证水下施工过程混凝土不离析，整个施工过程中塌落度损失较小，还必须加入由超流化剂、增强剂、特种保塑助剂等复合而成的高性能混凝土外加剂。为了保证结构物的耐久性，高流态混凝土的水胶比一般不宜大于0.4[2]。水下施工高流态混凝土性能研究流程图见图1。

图1水下施工高流态混凝土性能研究流程图
1.3设计要求及实验材料
(1)设计要求
如上文，要求配置一种标号为C35的水下施工高流态混凝土，混凝土拌合物在拌合6小时后，仍能保持110mm以上的坍落度且施工过程中和易性好，不离析、无泌水。同时该配合比的混凝土凝结时间应控制在30-35小时，终凝时间不大于40小时，混凝土后期强度发展不得受到影响。
（2）实验材料
水泥：P.O 42.5级水泥；
粉煤灰：II级粉煤灰；
砂：中粗；
石：石灰岩，颗粒级配5~25mm；
水：河水；
外加剂：以絮凝剂、缓凝剂、增强剂等为主要成分的ADH型混凝土外加剂。

2 混凝土配合比设计及实验检测

2.1 水下施工高流态混凝土配合比设计
本试验采用粉煤灰为主要掺合料，用以改善胶凝材料的颗粒级配，并利用其颗粒形貌效应来提高混凝土拌合物的变形性能，提高混凝土的抗离析及保水性能，同时提高混凝土成品的耐久性。选用ADH型高流态混凝土外加剂来降低水胶比，提高拌合物流动性，降低新拌混凝土的屈服剪应力（τ0），使混凝土拌合物具有自密实性并具有抵抗离析所需要的粘度。
经过配合比设计，并经试拌，试验确定了3个补偿收缩高流态混凝土的配合比，每立方米补偿收缩高流态混凝土原材料用量见表1。其中1号配合比的水下施工高流态混凝土的水胶比为0.40；2号配合比的水胶比为0.38；3号配合比的混凝土的水胶比为0.42。本次试验中粉煤灰掺量占胶凝材料总量的30％。水下施工高流态混凝土配合比见表1。
表1 水下施工高流态混凝土配合比

序号 设计
等级 水胶
比 水泥 粉煤
灰 中粗砂 5～25mm
石灰石 水 外加剂
1 C35 0.40 315 135 738 940 180 5.64
2 C35 0.38 331.6 142 777 990 180 5.94
3 C35 0.42 300 128.6 703 895 180 5.37

2.2 水下施工高流态混凝土性能指标
根据GB50080《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》及DL/T5117-2000 《水下不分散混凝土试验规程》对配置的水下施工高流态混凝土性能进行了检测，检测结果详见表2。试验中所配制3个配合比的水下施工高流态混凝土流动性保持能力较好，混凝土拌和6个小时后最小的坍落度还有120mm。由上可知，配制的水下施工高流态混凝土6小时后还具有相当的流动性；试验配置的混凝土泌水率较小，其中3号配合比的混凝土泌水率为1%，其余两个配合比的混凝土泌水率为0；2号配合比的混凝土初凝时间不到30小时，其余两个配合比的混凝土初凝时间在30-35小时之间；1、2号配合比的混凝土强度后期增长基本未受影响，3号配合比7天抗压强度未能达到设计强度的70%；对试验中留置的试块进行检测后，28天抗压强度全部能够达到设计强度。经综合比选，决定选择水胶比为0.4的1号水下施工高流态混凝土用于现场施工。水下施工高流态混凝土性能见表2。
表2 水下施工高流态混凝土性能

序号 设计
等级 和易
性 坍落度（mm） 泌水率
（%） 初凝
（h） 抗压强度（MPa）
初始 6h后 3d 7d 28d
1 C35 好 200 150 0 30 16.3 25.5 47.3
2 C35 好 178 122 0 28 17.1 27.2 48.0
3 C35 好 235 176 1 34 14.8 23.9 38.5

3 工程应用情况及结语

现场利用1号混凝土配合比配置的水下施工高流态混凝土对水下钻孔灌注桩进行了施工。目前，该工程水下钻孔灌注桩已全部施工完成。施工结束后，根据公路工程质量检验评定标准 (JTJ 071-98)及公路桥涵施工技术规范（JTJ 041-2000）的规定，对本工程所使用的水下施工高流态混凝土质量进行了评定，评定结果合格。
本文所介绍的水下施工高流态混凝土具有良好的流动性和粘聚性，塌落度经时损失小。经过试验和工程实例证明，该配方的混凝土配合比完全能满足水下钻孔灌注桩施工的需要。

参考文献：
[1] 韩式方 各向异性非牛顿流体连续介质力学 科学出版社 2008.5
[2] 傅沛兴等 自密实混凝土的配合比设计 建筑技术，2007年第38卷1期