原标题：３ｍ直径水下桩混凝土配合比设计及应用

0引言

砂是组成混凝土的重要原材料之一，我国传统混凝土主要利用天然河砂，河砂洁净含泥量小、颗粒圆润级配良好、细度模数为2.6～3.2，其混凝土拌和物具有良好流动性、和易性。

随着我国基础设施建设的飞速发展，混凝土需求量不断增加，混凝土原材料面临供不应求、天然砂资源枯竭等问题。天然砂作为一种短期内不能再生的自然资源，随着国家环保力度加大、开采限制越来越严格，势必被机制砂代替应用于混凝土中。

本文结合G60醴陵至娄底高速公路项目第1合同段蔡家湾渌水大桥3m直径桩基的施工，探讨机制砂混凝土在大直径水下桩基工程中的应用。

1工程概况

醴娄高速第1合同段起止桩号为K0＋000～K16＋400，全线长16.4Km。K1＋529.5蔡家湾渌水大桥位于醴陵市王仙镇蔡家湾，跨越渌水，设计跨径为［4×20＋4×20＋4×20＋5×20＋5×20＋5×20＋（56＋95＋56）］m，桥面净宽2×15.75m，上部结构主跨采用预应力砼变截面连续箱梁，下部结构28＃、29＃主墩采用实体墩，墩台基础采用桩基础。主桥28＃、29＃墩桩基础分左、右幅共设计8根钻孔灌注桩，均为嵌岩桩，其中，28＃墩设计桩长23m，29＃墩设计桩长24m，直径均为3m，桩基础采用C30水下混凝土，单根桩基最大设计方量为169.65m3 。

2机制砂的主要物理特性

凡经除土开采、机械破碎、筛分制成的粒径在4.75mm以下的岩石颗粒，称之为机制砂。为掌握机制砂的工作特性，更好地运用于混凝土工程，众多科研工作者对机制砂的物理特性、混凝土配合比配制技术、生产工艺做了大量的探索和研究，并在公路、铁路、水电等领域进行广泛应用。机制砂的主要物理特性包括级配、细度模数、颗粒形状、石粉含量、亚甲蓝值等指标。

2.1机制砂的级配、细度模数、颗粒形状

级配是机制砂的重要品质指标之一，对于混凝土的和易性和流动性等工作性能具有重要影响，级配良好的机制砂可以配制出满足施工要求的高性能混凝土。细度模数仅是表征机制砂粗细程度的宏观指标，无法客观反映机制砂颗粒级配的好坏，影响机制砂品质优劣的主要因素在于颗粒级配。本项目采用的机制砂细度模数为2.92，属于中砂，筛分试验结果如表1所示。

为了提高混凝土的工作性能、力学性能和耐久性，应通过调整生产工艺使机制砂颗粒级配曲线具有骨架密实特征。颗粒形状不规则的机制砂会增大砂浆的流动阻力，降低混凝土的工作性能，在配制高性能混凝土时，应尽量选择球体类似度较高的高品质机制砂。本项目采用的机制砂属于中砂，级配良好，颗粒级配曲线如图1所示。

2.2机制砂的石粉含量

机制砂中的石粉含量是指粒径小于75μm的颗粒含量。石粉主要是磨细的岩石粉末，与机制砂的成分相同，属于一种惰性掺合料。石粉在混凝土中能起到微集料作用，可以补充混凝土中缺少的细集料，与水泥、水组成柔软的浆体增加混凝土的浆体含量，有利于改善混凝土的流动性、和易性等工作性能。但是机制砂中石粉含量并不是越大越好，必须控制石粉含量的上限。由于石粉不具有完全活性，含量过多会引起水泥浆体强度降低，石粉的较高比表面积也会增加混凝土单位用水量，削弱了浆－集界面的黏结，影响混凝土的抗压强度及耐久性。配制高性能混凝土时，机制砂石粉含量宜控制在7％左右，不宜超过10％。本项目采用的机制砂原材料主要性能指标如表2所示。

2.3机制砂的MB值

石粉中含有一定量的泥粉，石粉和泥粉均会吸附一定量的外加剂和水。亚甲蓝值用于判定机制砂中粒径小于75μm颗粒的吸附性能，表征的是机制砂中2.36mm以下细颗粒中膨胀性黏土矿物对亚甲蓝的吸附程度，可评定集料的洁净程度，以MB表示。MB值变大时，泥粉增加导致混凝土内部形成微小缺陷，变得不密实。同时，由于泥粉吸附大量自由水降低了混凝结构内部湿度，后期容易产生裂缝，影响混凝土强度、抗渗性等耐久性能。因此使用机制砂时应严格控制泥粉含量，MB值一般控制在1.4以下，用于重要工程的机制砂MB值宜控制在1.0以下。

3工程要求

渌水大桥桩基混凝土设计强度等级为C30，由于桩基直径达到3m，要求混凝土具有良好的流动性和扩展度，设计扩展度≥550mm，设计坍落度为180～220mm。考虑到K16拌和站距离K1＋529.5蔡家湾渌水大桥较远，前期施工便道未拉通，混凝土罐车通过市区需要90min，上下班车流高峰期需要120min以上，将混凝土的保坍时间确定为3h，要求坍落度经时损失（3h）小于30mm，扩展度经时损失（3h）小于50mm。桩基混凝土采用内径为300mm的单根导管灌注。

4桩基混凝土配合比设计

4.1原材料情况

4.1.1水泥

配制耐久性良好的高性能混凝土应严格控制水泥质量，选用氯离子含量和碱含量偏低、质量稳定、低水化热的普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥，避免使用高铝酸三钙含量的早强水泥，本项目采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，各项技术指标检测结果如表3所示，符合高性能混凝土对于水泥的要求。

4.1.2掺合料

针对机制砂混凝土和易性差的特点，掺入具有潜在活性的矿物掺合料可以明显改善混凝土的工作性能和力学性能，提高耐久性，同时可以达到节约水泥用量、降低工程成本的目的。掺入适量粉煤灰有利于改善浆体包裹性，提高混凝土拌和物流动性、和易性、保水性，有效解决了机制砂混凝土普遍存在的“戴草帽”弊病。本项目采用的粉煤灰主要性能指标如表4所示。

杨卓强、马增琦等研究认为，在混凝土中掺入具有微集料效应的矿渣粉，有利于改善机制砂混凝土的工作性能。混凝土可视为连续级配的颗粒堆积体系，机制砂可填充碎石之间的空隙，水泥可填充机制砂之间的空隙，水泥颗粒之间的空隙则需要更细的微集料来填充。由于矿渣粉的细度比水泥更小，在取代部分水泥后，这些矿渣粉细微颗粒填充在水泥颗粒之间的空隙中，混凝土胶凝材料级配更合理，形成微观层次的自紧密堆积体系，混凝土结构更加密实。因此，掺入矿渣粉可以降低标准稠度用水量，在单位用水量不变时可以提高拌和物流动性、和易性等工作性能，避免泌水和离析，本项目采用的矿渣粉主要性能指标如表5所示。

粉煤灰为Ｆ类Ⅱ级，掺量为胶凝材料总用量的20％；采用Ｓ95粒化高炉矿渣粉，掺量为胶凝材料总用量的10％。

4.1.3外加剂

为配制工作性能良好的机制砂高性能混凝土，应选用减水率高、适量引气、坍落度损失小、改善混凝土耐久性且与胶凝材料具有良好相容性的减水剂。为保证水下桩基混凝土能够顺利灌注，通过适当增加保坍成分确保混凝土保坍时间不小于3h；机制砂棱角分明，保水性差，细度模数偏大，混凝土骨料间隙产生较大的有害气泡，通过加入适量消泡剂减少有害气泡；一般水下桩基的混凝土达到500mm的扩展度能够满足施工要求，3m的直径大桩需要更好的和易性和扩展度，通过增加适量引气剂引入均匀分布的微小封闭气泡，改善混凝土的和易性，确保出机扩展度≥550mm；为了保证混凝土在达到200mm左右坍落度的同时不离析不露石，需要加入一定量的调节剂增加黏稠性，保证水泥砂浆与粗集料具有良好包裹性，提高混凝土密实度。为保证减水剂与水泥、机制砂等原材料具有良好的适应性，通过多次试验调整减水剂组分并进行试配试验，最终选用hＰＣ－Ｓ－7缓凝型聚羧酸高性能减水剂，经过验证掺量为胶凝材料用量的1.2％，减水剂主要性能指标如表6所示。

4.1.4水、细集料、粗集料

采用普通地下水；细集料为机制砂；粗集料为碎石，质地坚硬，针片状颗粒含量少，通过三档碎石单筛分试验和掺配曲线调整，确定各档碎石掺配比例为5～10mm占20％，10～20mm占60％，16～31.5mm占20％。

4.2初步配合比设计过程

1）C30水下混凝土配制强度计算：fcu,0 ≥ｆcu,k ＋1.645δ＝（30＋1.645×5）MPa＝38.2MPa。

2）碎石的回归系数αa ＝0.53，αb ＝0.20，粉煤灰掺量为胶凝材料的20％，取γf 为0.85；粒化高炉矿渣粉为胶凝材料用量的10％，取γs 为1.00；计算得到Ｗ/Ｂ＝0.52。为保证混凝土的强度和耐久性，同时满足施工时混凝土拌和物的和易性和流动性要求，考虑到材料有较大的波动性，根据经验对计算水胶比进行调整，确定水胶比W/B＝0.44。

3）单位用水量：依据设计坍落度、碎石最大公称粒径，查《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）表5.2.1-2，选取混凝土单位用水量mw0 ＝230kg，减水剂减水率为26％，则单位用水量mw0 ＝230kg×（1－26％）＝170kg，经过试拌调整确定用水量mw0 ＝167kg。

4）每立方米混凝土胶凝材料总用量mb0 ＝167kg/0.44＝380kg；粉煤灰掺量为胶凝材料的20％，粉煤灰用量为380kg×20％＝76kg；粒化高炉矿渣粉掺量为胶凝材料的10％，矿渣粉用量为380kg×10％＝38kg；每立方米混凝土水泥用量mc0 ＝380kg－76kg－38kg＝266kg；减水剂掺量为胶凝材料用量的1.2％，每m3 混凝土减水剂用量为380kg×1.2％＝4.560kg。

5）确定砂率值βs ：参考《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）表5.4.2，根据水胶比值和粗集料的最大粒径，结合机制砂细度模数属于中砂实际情况，确定βs ＝47％。

6）机制砂、碎石用量的确定：假定Ｃ30水下桩基混凝土密度mcp ＝2400kg/m3 ，机制砂用量为ms0 ＝871kg/m3 ；碎石用量为mg0 ＝982kg/m3 。

4.3试拌、调整配合比

在初步确定配合比的基础上，通过室内试拌和调整，确保混凝土和易性、流动性、保坍时效等工作性能满足施工要求。为了更好地优化配合比，在基准配合比的基础上，保持用水量不变，水胶比增减0.02，砂率增减1%，确定其它两个水胶比Ｗ/Ｂ为0.42和0.46，3组配合比的材料用量、力学性能、工作性能检测结果如表7所示。

4.4碱含量、氯离子评估

高性能混凝土除对各种原材料的氯离子含量、碱含量进行控制外，还应对混凝土中游离氯离子总含量、总碱含量进行控制，确保混凝土的耐久性满足要求。对于重要桥梁工程，混凝土的总碱含量不大于2.1kg/m3 ，不得使用有碱活性的集料。3组配合比的碱含量、氯离子含量如表8所示。

4.5确定理论配合比

综上所述，在满足设计强度和施工要求的条件下，考虑到节约工程成本等因素，选定具有较高富余系数的基准配合比Ｗ/Ｂ＝0.44作为试验室理论配合比，各材料用量为∶m水泥∶m粉煤灰∶m矿渣粉∶m砂∶m碎石∶m水∶m减水剂＝266∶76∶38∶871∶982∶167∶4.560。

53m直径水下桩质量控制要点

1）严格控制机制砂的生产工艺，通过调整风机大小使石粉含量控制在（7±2）％，采取调整筛网大小的措施使机制砂级配符合Ⅱ区要求，选择干净的碎石作为机制砂生产母材，确保机制砂亚甲蓝值≤1。

2）对进场的机制砂等原材料进行及时试验检测，检测合格后才能使用，避免不合格材料用于实体工程。

3）拌和站开盘前，对料仓内机制砂进行含水率试验，根据机制砂含水率试验结果准确计算出施工配合比。当机制砂含水率波动较大时，应及时对施工配合比进行动态调整。

4）为保证机制砂高性能混凝土充分搅拌均匀，采用强制间歇式搅拌机进行拌和，每一盘混凝土搅拌时间应适当调整延长至120ｓ，拌和完成后及时取样检测混凝土拌和物的坍落度、扩展度，如果出现混凝土流动性、包裹性不良时，应通过调整砂率、减水剂掺量等措施确保混凝土工作性能够满足现场施工要求。

5）混凝土罐车运输至浇筑地点后快速搅拌3min，使罐车内混凝土充分拌和均匀，试验人员先取样做拌和物的坍落度、扩展度试验，确保混凝土经过长时间运输后工作性能够满足现场施工要求后，再进行正式灌注。

6）不同季节浇筑桩基，混凝土配合比应进行相应调整，通过减水剂的适应性试验和混凝土试配试验调整减水剂组分。

7）灌桩前，应进行导管的水密承压和接头抗拉试验。水密试验的水压力不小于灌注混凝土时最大内压力的1.3倍。钻孔过程中，应随时检测孔内泥浆性能指标，并根据检测结果进行及时调整。钻孔深度达到设计高程后，应对孔的倾斜度、孔深、孔径进行验收，验收合格后再清孔。清孔后，应再次检查确保孔内泥浆三大指标符合要求、孔底沉渣厚度不大于5cm，然后进行吊入钢筋笼作业。在正式浇筑水下混凝土前应再次检查孔底沉渣厚度和孔中泥浆性能指标，确保符合要求后再开始混凝土灌注作业。

8）为保证混凝土下落时具备足够的冲击能量，应合理控制首批封底混凝土方量，采用拔塞法和隔水球相结合的工艺使泥浆从导管中一次性排出，并使导管下口埋入混凝土不小于1.0m深。初灌混凝土经计算为不少于10.2m3 ，现场配备7.5m3 储料斗进行储料。备足首批混凝土，保证足够的冲击能量能够一次性冲开桩底沉渣，是减少工后沉降的重要措施。

9）灌注过程中每灌完一车，及时用标准锤检测孔内混凝土顶面高程计算上升的实际高度，并与理论上升高度进行对比，推算是否有扩孔或缩颈，为拆导管提供依据。考虑到拆导管作业时需要用吊车提升灌桩料斗并将导管卡在作业平台上，提升高度为1m左右，为了防止导管提漏、进水造成夹层而断桩，导管的最小埋置深度控制不小于4m。混凝土和易性良好、流动性大、扩展度良好，可以适当放宽导管埋深，但埋置深度过大容易造成埋管事故，最大埋深限定为不超过9.0m。

10）应控制灌注速度，防止钢筋笼上浮，当混凝土灌注至钢筋笼底部位置时，应减缓灌注速度；灌注至钢筋笼底部4m以上时，再采取快速灌注的方法。

11）为防止桩顶附近混凝土出现松散、不密实等情况，灌注桩桩顶高程应比设计高程高出1.0m，超灌的多余部分在接桩前凿除。

12）做好混凝土灌桩应急预案和现场施工组织管理，对于意外断电、卡管等意外情况，可采取备用柴油发电机、槽钢插入疏通等预案措施，确保灌桩过程顺利进行。

6桩基完整性检测

桩基灌注达到7d龄期后，可以采用超声波法检测桩身完整性。在桩身内预埋4根声测管，通过水的耦合，在桩身混凝土内同步发射、接收超声波，实测超声波在混凝土介质中传播时，其声时、频率、波幅等参数会发生相对变化，利用这些声波特征参数来判定桩基的完整性。通过对被检桩检测曲线结果进行分析，所浇筑的桩基均为Ⅰ类桩基。

29-2＃桩基超声波法检测曲线如图2所示，声速值、波幅值均大于相应的临界值，混凝土波速处于正常范围，波形分布正常，PSD值无异常突变点，属于Ⅰ类桩基。

7结论

在天然砂资源匮乏的地区利用机制砂生产混凝土不仅是可行的，还可以降低工程成本，带来可观的经济效益。通过严格控制机制砂生产工艺，选用级配符合Ⅱ区、石粉含量≤10％、MB值≤1％的机制砂，通过合理的配合比设计，掺入高性能聚羧酸减水剂和优质的掺合料，可以配制出具有良好流动性、大扩展度、保坍性能达到3h的C30机制砂高性能混凝土，满足3m直径水下桩基的施工要求。为保证灌桩顺利进行，需要编制科学合理的施工专项方案，确保灌桩过程的连续性。返回搜狐，查看更多

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