论某桥梁项目机制砂在水下桩基高性能混凝土中的运用

沈贵琳

（贵州路桥集团有限公司,贵州 贵阳 550001）

0 引言

砂是混凝土的主要原料，随着我国基建的快速发展，天然砂资源的日益枯竭，机制砂替代天然砂已是大势所趋[1-2]。该文结合某高速公路大桥3 m直径水下桩基的施工，对其在大直径水下桩基础工程中的应用进行了论述。

1 工程概况

某高速公路大桥，跨径为[4×20+4×20+4×20+5×20+5×20+5×20+（56+95+56）]m，桥面宽为2×15.75 m，上部结构主跨采用预应力混凝土变截面连续箱梁，下部结构28、29号主墩采用实体墩，墩台基础采用直径3 m的桩基，设计桩长为24 m。

该桥的桩基混凝土强度等级为C30，其桩直径为3 m，因对浇筑时混凝土的流动性要求较高，其设计坍落度为180～220 mm。鉴于该工程搅拌站距桩基浇筑场地较远，且初期道路尚未打通，混凝土罐车运输时间需要90 min，上下班车流高峰期需要120 min以上，综合考虑混凝土的保坍时间确定为3 h，要求控制坍落度的损失小于30 mm，桩基混凝土采用内径为300 mm的单根导管灌注。

2 机制砂的主要物理特性

凡经开采、机械破碎、筛分得到的粒度小于4.75 mm的岩石颗粒，称为“机制砂”。机制砂的基本物理特性指标包括：级配、细度模数、颗粒形状、石粉含量、亚甲蓝值等[3-5]。

2.1 机制砂的级配、细度模数、颗粒形状

配合比较好的机制砂，能够配制生产出符合工程需要的优质混凝土。细度模数只是机制砂的粗细程度的一个重要标志，而粒径大小、颗粒级配则是决定其质量的重要因素。该工程所用的砂细度模数为2.91，属于中砂，筛分试验结果如表1所示。

表1 机制砂筛分试验检测结果

为改善混凝土工作性能、力学能力，必须通过调整生产工艺，使其达到骨架密实特征[6]。在配制生产高性能混凝土时，应选用具有类似球体颗粒较多的优质机制砂。该工程所用的机制砂为中砂，级配优良，其颗粒级配分布曲线如图1。

图1 机制砂颗粒级配曲线

2.2 机制砂的石粉含量

机制砂中的石粉含量是指机制砂中粒径小于75 μm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，和水泥、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和易性。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%。该项目采用的机制砂原材料主要性能指标如表2所示。

表2 机制砂各项指标检测值

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。亚甲蓝值是用于判定机制砂中粒径小于751 μm颗粒的吸附性能的指标，表征的是机制砂中2.36 mm以下细颗粒中膨胀性黏土矿物对亚甲蓝的吸附程度，用于评定集料的洁净程度，用MB表示。混凝土使用机制砂时，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[7]。

3 桩基混凝土配合比设计

3.1 原材料情况

3.1.1 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。该项目采用江西芦溪南方水泥有限公司生产的“南方”牌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水泥的要求。

表3 水泥物理、力学、化学性能试验结果

3.1.2 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性能。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[8]。该项目采用的粉煤灰主要性能指标如表4所示。

表4 粉煤灰主要性能指标

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细，在取代了部分水泥后，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，具有微观层次的自紧密堆积体系，混凝土结构更加密实。该项目采用的矿渣粉主要性能指标如表5所示。

表5 矿渣粉主要性能指标

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

3.1.3 外加剂

为配制工作性能良好的机制砂高性能混凝土，应选用具有减水率高、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3 h。该项目选用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%。

3.1.4 水、细集料、粗集料

采用普通地下水；细集料采用机制砂；粗集料碎石，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5～10 mm占20%，10～20 mm占60%，16～31.5 mm占20%。

3.2 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=38.2 MPa。

（2）碎石的回归系数aa=0.53，ab=0.20，粉煤灰的掺量为胶凝材料的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=0.4。

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

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

（5）确定砂率值βs：参考现行《普通混凝土配合比设计规程》，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水下桩基混凝土容重mcp=2 400 kg/m3，机制砂用量为mso=871 kg，碎石用量为mgo=982 kg。

3.3 试拌、调整配合比

在初步配合比的基础上，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%，确定其他两个水胶比W/B=0.42、W/B=0.46，三组配合比性能检测结果如表6所示。

表6 不同水胶比及配比拌和物的主要性能试验结果

3.4 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：（水泥+粉煤灰+矿渣粉）∶砂∶碎石∶水∶减水剂=（266+76+38）∶871∶982∶167∶4.560。

4 灌注水下桩基的质量控制要点

（1）对机制砂的生产工艺进行严格的控制，将石粉含量控制在（7±2）%，不大于10%，并采用调整筛孔尺寸的方案，使机制砂级配符合Ⅱ区要求；选择干净的碎石作为母材，确保机制砂亚甲蓝值≤1.0%。

（2）进场的机械砂等原材料，需进行及时检测，经检验合格后方可投入使用，防止不合格物料被用到实体工程中。

（3）在搅拌站开盘之前，需对料仓中的机制砂进行含水量测试，并通过实验分析，得出相应的施工配合比。施工过程中，在机械砂含水量变化大的情况下，施工配合比要适时地进行动态调整[9]。

（4）为了使高性能机制砂混凝土充分搅拌，应采用强制间歇式搅拌机拌和，将每一盘混凝土的搅拌时间调整为120 s。拌和结束后，应对混凝土的坍落度、扩展度进行检测，若混凝土流动性、包裹性不良，应通过调整砂率或掺减水剂等措施，确保混凝土工作性能能够满足现场施工要求。

（5）在进行水下混凝土正式浇筑之前，必须对管道进行水密性、接头抗拉性测试，另需对孔底的沉渣厚度进行重新检验，达到要求后方可进行混凝土的灌注。

（6）在浇筑到钢筋笼底部时，要注意控制灌浆速率，以避免钢筋笼的上浮。灌注至钢筋笼底部4 m以上时，再采用快速浇灌方法。

5 桩基完整性检测

在桩基灌注7 d以后，可以通过超声法对桩的完整性进行检测。在桩体内埋设4根声测管，测量超声波在混凝土中的传播频率、波幅等参数的相对变化，从而判断桩的完整性。根据受检桩的实测曲线，得出所浇筑的水下灌注桩为Ⅰ类桩基。

6 结论

在天然砂石资源较少的地区，采用机制砂配制生产混凝土，既能降低工程造价，又能带来可观的经济效益。通过对机械砂生产工艺的严格控制，生产出符合Ⅱ区级配、石粉含量≤10%，MB含量≤1.0%的机制砂，并采用合适的配比，掺入高性能的聚羧酸型减水剂及优质掺合料，配制出流动性良好、保坍性能达3 h的C30型机制砂高性能混凝土，能够满足水下桩基础的施工需要。