水下砼灌注桩机制砂混凝土配合比设计与应用分析

水下砼灌注桩机制砂混凝土配合比设计与应用分析

兰星璋1,兰四勇2,朱华3

湖南致力工程科技有限公司 湖南 长沙 410000  湖南通达建设工程咨询监理有限公司 湖南 岳阳 414000  岳阳市科正建设工程质检有限公司 湖南 岳阳 414000

摘要：合理配置机制砂混凝土原材料的实际配合比，才能充分保障混凝土力学结构的相对稳定性和安全性。与传统材料相比，质量可靠的机制砂拌制混凝土不仅相对环保经济，而且在混凝土强度与耐久性等方面有着非常明显的优势，能够广泛应用在较多工程项目之中。本文将着重分析水下砼灌注桩的机制砂混凝土配合比设计与应用要点。

关键词：水下砼灌注桩；机制砂；混凝土；配合比设计

水下灌注桩混凝土不仅要保证混凝土强度，而且要保证混凝土具备非常大的流动性与自密实性能。在配制机制砂水下灌注桩混凝土时，相比于天然河砂，机制砂材料表面粗糙，颗粒级配不稳定，不利于混凝土的流动性，所以在选材方面应优先选用低碱水泥、专用聚羧酸高性能外加剂及石粉含量适中的机制砂材料。但是在选用矿物外掺料和减水剂及确定掺量的过程中，必须充分考虑工程项目的实际施工水平与项目施工方法及施工环境特性，避免出现配制的机制砂水下灌注桩混凝土在工程施工应用过程中水土不服。在该混凝土配合比设计的过程当中，也需要对混凝土配合比原材料是否具备现场施工代表性进行评估。

1 工程概况

本工程项目为玉溪市新平彝族傣族自治县县城新平大道跨平甸河一号中桥加宽改造工程，主体结构设计C30钢筋混凝土水下灌注桩基础结构[1]，结合工程施工实际情况及地材调查结果，周边河砂资源稀缺且质量不稳定，而周边各大碎石场均有成熟稳定的机制砂制砂设备与生产经验，为了保证混凝土质量并结合经济因素，最终确定本项目水下桩基灌注混凝土使用机制砂拌制。

2 配合比设计

2.1.配合比设计依据：

2.1.1《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011；

2.1.2《公路桥涵施工技术规范》JTG/T 3650-2020；

2.1.3《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》GB/T 50080-2016；

2.1.4《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T 50081-2019；2.1.5《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009。

2.1.6《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008

2..2技术要求：

2.2.1强度等级（MPa）：C30；

2.2.2使用部位：水下桩基；

2.2.3坍落度(mm)：200±20；

2.2.4拌合及振捣方法：机械拌合、人工捣实；

2.2.5运输方式：混凝土罐车运输。

2.3原材料：

2.3.1水泥：“玉珠”牌P·O42.5, 华宁玉珠水泥有限责任公司；

2.3.2机制砂：0～4.75mm, 峨山宝鑫石场；

2.3.3碎石：碎石5～31.5mm连续级配，峨山宝鑫石场；

碎石5～10mm, 掺配比例12%；

碎石10～20mm, 掺配比例50%；

碎石16～31.5mm, 掺配比例38%。

2.3.4拌合用水：平甸河河河水；

2.3.5粉煤灰：Ⅱ级，云南特亚实业有限公司；

2.3.6矿渣粉：“玉溪三和”S75级，玉溪三和新型建材技术有限公司；

2.3.7外加剂：PCA-800聚羧酸高性能缓凝型减水剂，减水率28.0%，上海三瑞高分子材料股份有限公司。

2.4.配合比设计：混凝土配合比设计按《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011执行。

2.4.1配制强度：fcu , 0 = 30+1.645×5.0= 38.2（MPa）。

2.4.2计算水胶比：

①选取矿渣粉掺量11%，选取粉煤灰掺量11%，查表5.1.3，取γs =0.90，γf=0.85；

②fce根据实际统计数据，确定fce =45.0（MPa）；

则：fb=γfγs fce =0.85×0.90×45.0=34.4（MPa）；

③查表5.1.2，取αa=0.53，αb=0.20；

则：W/B =αa×fb/(fcu,o+αa×αb×fb) =0.53×34.4/（38.2+0.53×0.20×34.4）=0.44；

④根据实际使用经验，水胶比W/B取0.38。

2.4.3 计算每立方米混凝土用水量（kg）：

①查表5.2.1-2，碎石最大公称粒径31.5mm，坍落度为90mm时取用水量为

205㎏，则: mw0’ = 205 +（215-90）×5 / 20 = 236（㎏）。

②PCA-800型缓凝减水剂减水率为28.0%，则掺加外加剂后的用水量为：

mw0 = mw0’×(1-β)=  236×（1-28.0%）=170（㎏）。

③经试拌，用水量调整为165 kg/m3时能满足混凝土工作性能要求，故选定用水量为165kg/m3。

2.4.4计算每立方米混凝土胶凝材料用量：

混凝土胶凝材料用量：mb0 = mw0  / ( W/B )=165/0.38= 434（㎏），取每立方米混凝土胶凝材料用量

为440（㎏）。

2.4.5计算掺加粉煤灰、矿渣粉后的每立方米混凝土水泥、粉煤灰用量、矿渣粉用量：

①粉煤灰、矿渣粉掺量取胶凝材料总量的11%，采用等量法，等量系数K=1.0，

则：粉煤灰用量：mf0=440×11%=48（㎏），取粉煤灰用量为50（㎏）；

矿渣粉用量：mf0=440×11%=48（㎏）；取矿渣粉用量为50（㎏）；

②水泥用量：mc0 = mb0 - mf0=440-100=340（㎏）。

2.4.6选定砂率：根据该机制砂级配结合实际使用经验，选取砂率为：45.0%。

2.4.7 采用质量法计算每立方米混凝土砂子、碎石用量：

①根据mw0 +mc0+ mf0 +ms0+ mg0= mcp；取每立方米混凝土拌合物的假定质量为mcp=165+340+100+ms0+mg0=2430（kg）；

则粗细骨料质量=ms0 + mg0 =2430-165-440=1825（kg）；

②砂子用量：βs= ms0/( ms0 + mg0) ×100%=45%；

ms0 = 1825×45.0% =821（㎏）。

③碎石用量：mg0=1825-821=1004（㎏）；

其中：5～10mm碎石（12%）：mg0×12%=120（㎏）；

10～20mm碎石（50%）：mg0×50%=502（㎏）；

16～31.5mm碎石（38%）：mg0×38%=382（㎏）。

2.4.8每立方混凝土米外加剂用量：

外加剂推荐掺量为胶凝材料用量的1.5%，则ma0= mb0βa=440×1.5%=6.6（㎏）。

2.4.9确定基准配合比，见表1；

表1：基准配合比

每1m3混凝土理论容重：ρ =440+821+1004+165=2430（㎏/m3）。

2.5．试配、校准与确定基准配合比：

2.5.1在基准配合比B基础上增加和减少0.02的水胶比，保持用水量不变，外加剂与外掺料比例不变，砂率分别增加和减少1%得到两个试拌配合比A与C。

2.5.2三个试拌配合比见表2：

表2：试拌配合比

2.5.3设计配合比确定：

①对表2所述的三个配合比进行试配，试配结果显示三种拌合物均未离析，未泌水，工作性能和混凝土立方体7天、28天立方体抗压强度、混凝土实测容重、配合比校正系数等指标详见见表3：

表3：试拌配合比技术指标汇总表

②混凝土拌合物表观密度实测值与计算值之差的绝对值不超过计算值的2 %，配合比保持不变。

③根据表2三个配合比试配的立方体抗压强度试验结果，再结合混凝土拌合物的工作性能、经济性等方面综合考虑，故选取C30水下-B为设计配合比。

确定的设计配合比见表4：

表4：设计配合比

3 机制砂质量控制要点

在使用该试配配合比生产的机制砂C30水下桩基混凝土累积进完成了10根桩基，共计500多m³混凝土浇筑，生产应用总结如下：

3.1 使用机制砂拌制大流动性水下桩基混凝土的原材料管控要点为机制砂的石粉含量、含泥量及颗粒级配。必须严格控制机制砂石粉含量，根据《JT/T 819-2011公路工程 水泥混凝土用机制砂》二类要求，石粉含量以不超过7%为宜，但石粉含量也不宜过低，石粉含量过低会导致混凝土保水性与粘聚性变差而离析。在机制砂生产过程中，必须确保机制砂的洁净，含泥量与泥块含量超标会造成外加剂与混凝土发生异常反应以及用水量的增加而影响混凝土质量。

3.2 使用机制砂拌制生产水下桩基混凝土，必须加大原材料进厂检验频率，机制砂相对较高的石粉含量及不规则的颗粒粒型，要求适当增加混凝土的搅拌时间（至少60s），混凝土在到场浇筑前，每车必检坍落度满足施工需求。因水下桩基混凝土使用机制砂相比于河砂拌制普遍存在坍落度损失相对较大的情况，所以必须严格控制浇筑时间，避免出现混凝土到场后长时间等料的情况。

3.3 水下砼灌注桩现场施工的机制砂混凝土灌注施工工序非常关键，能够直接影响到后续结构的安全稳定性。但是在精准测算混凝土混合料的初凝时间和终凝时间之后，需要对实际灌注施工时间段进行严格管控，并及时采取导管试水等技术措施，避免影响到导管内部灌注输送作业过程的连贯性。但是在提升导管进行底部混凝土混合料灌注作业的过程中，不能够将其挂靠在钢筋笼上，以免影响到导管灌注环节的连贯性，匀速无间断灌注，并控制导管拆除的间隔时间，及时测定灌注孔内混凝土液面高度。

结束语

矿物掺合料可有效提高机制砂混凝土的力学性能，且与天然砂混凝土相比具有明显优势。机制砂细度模数控制在2.7-3.0之间，MIB亚甲蓝值小于1.4或者合格时，石粉含量不超过7%，水灰比0.40时，机制砂混凝土流动性好、稳定性高、屈服应力小、粘度大、强度高，整体效果良好。水胶比和矿物掺合料，砂率对机制砂混凝土的流动性影响最大，过高的砂率会显著降低混凝土的工作性能，也会降低抗压强度。

参考文献

[1]陈富山,胡静.石灰岩质机制砂混凝土施工质量控制[J].江苏建筑,2021(S2):37-40.

[2]马增琦,孙文晋,赖雄.石粉对机制砂混凝土工作性能的影响研究[J].湖南交通科技,2021,47(04):23-26+117.