23吴 启 和23

(1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040; 2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040； 3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北 武汉 430040)

模袋混凝土在施工中常用于水工护岸结构[1]，其因凝固后能够紧贴地面及较好的整体性，在渠道、河流、湖泊的护坡结构中应用较为广泛[2-4]。同时模袋混凝土表面具有流线结构，可起到抗浪减压的作用[4]，因此模袋混凝土在浅海潮间带的护坡护底工程中也有较多的应用[5]。但从目前模袋混凝土的实际应用情况看，国内无论是渠道河流湖泊护坡还是浅海近岸护底护坡结构，其厚度匀小于50 cm[2-6]；国外Stranraer、Belfast、St Helier等港口海岸所修建的现浇模袋混凝土厚度分别为30，35，22 cm[7]，通用的现浇模袋混凝土厚度一般为10～60 cm，其中尤以15～30 cm的厚度最为常用，厚度超过60 cm则易出现混凝土填充率低、塌落度损失快等问题[8]。

本文依托某人工岛项目，项目所在地长夏无冬，干湿季明显，紫外线强，涌浪较大；海水含盐量高，表层盐度年平均值为3.25%～3.50%，且分布较均匀，海区中央终年高盐。基于以上使用环境，护岸结构采用厚度为80 cm的超厚模袋混凝土结构，模袋结构如图1所示。项目中所用模袋平面尺寸为12.4 m×17.1 m，模袋吊筋带长760～820 mm，间距约200 mm；模袋混凝土属水下免振捣混凝土，施工中每块模袋浇筑时间约6～7 h。本文主要针对超厚模袋混凝土在浇筑施工过程中易出现填充率低、混凝土坍落度损失快等问题开展超厚模袋混凝土配合比研究，配制出满足设计施工要求的配合比。

图1 模袋结构Fig.1 Structure of mattress

1 配合比设计

1.1 原材料

混凝土拌合物是一种黏、弹、塑性材料，按流变学理论，新拌混凝土属于宾汉姆(Bingham)流体。模袋混凝土的流动性、密实性、强度与原材料性能关系密切，各主要原材料特征及其对模袋混凝土性能的影响如下。

(1) 砂。砂的粗细程度、细颗粒含量、级配均影响混凝土的工作性能。该项目选用的河砂细度模数为2.8，堆积密度为1 490 kg/m3，氯离子含量1.8%，砂的含泥量小于2%。

(2) 碎石。模袋混凝土粗骨料宜选用碎石，因水下振捣困难及加筋带阻隔，项目选用的碎石粒径为5～19 mm，含泥量为0.7%。

(3) 水泥。采用华润水泥有限公司的P·O42.5普通硅酸盐水泥，各项指标见表1。

表1 水泥性能Tab.1 Cement performance

(4) 掺合料。在混凝土中加入适量矿物掺合料，可降低混凝土水化热，改善混凝土内部结构，增加后期强度，提高耐久性[9]。该项目中所用到的矿物掺合料主要是粉煤灰和矿渣，粉煤灰具有形态效应、填充效应和微集料效应，可以改善混凝土的流动性，并提高混凝土强度[10]。矿渣的比表面积应在400～500 m2/kg之间，矿渣越细，其活性越高，密实效应越好，但混凝土早期自收缩越大；同时，矿渣越细，掺量越大，混凝土拌和物越黏稠，其流动性越低[11]。粉煤灰和矿粉性能见表2～3。

表2 粉煤灰性能Tab.2 Performance of flyash

表3 矿粉性能Tab.3 Performance of mineral powder

(5) 外加剂。模袋混凝土施工中对混凝土的流动性和泵送性要求较高，选用合适的外加剂对保证施工质量和顺利填充非常重要[12]。工程所在地气温较高，日照强烈，所选外加剂应使混凝土具备凝结时间长及保坍性能好的特性，同时还应具备高流动性、高凝聚性和高保水性。该工程选用的外加剂为VF-2型高效聚羧酸减水剂，其性能见表4。

表4 聚羧酸高效减水剂物理性能Tab.4 Physical properties of polycarboxylic acid superplasticizers

1.2 基准配合比

模袋中因有吊筋带，混凝土不仅应具备高流动性，而且应有高抗堵塞能力。研究模袋混凝土性能时一般将其当做自密实混凝土[13]。目前国内外关于自密实混凝土的试验评价方法较多，通常用J型环试验模拟模袋中吊筋带对混凝土在模袋中的流动阻碍作用[14]，用V型漏斗评价模袋混凝土的抗离析性，用坍落扩展时间表现混凝土拌合物的黏度。

根据施工现场要求，模袋混凝土初凝时间应大于10 h，混凝土1 h坍落度损失应小于10%；受浇筑水深影响，大流动性混凝土易产生泌水，因此要求压力泌水率小于10%。综合考虑现场施工情况，模袋混凝土工作性能指标如表5所示。

表5 模袋混凝土工作性能指标Tab.5 Performance of concrete mattress

根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》[15]配置得到初步计算配合比，经过多次试拌和调整得到的基准配合比见表6，经试验检测，基准配合比坍落度为230 mm，扩展度为580 mm，满足表5工作性能要求。

表6 基准配合比Tab.6 Referenced mix ratio

2 影响因素分析

2.1 水胶比、胶材用量和砂率的影响

在基准配合比的基础上，系统研究水胶比、胶材用量和砂率3个参数对C30模袋混凝土工作性能和强度的影响(每组参数测试4个变量)。混凝土配合比组次见表7，对应的工作性能指标见表8。

由表8中模袋混凝土工作性能可知，当水胶比为0.39时，扩展度为500 mm，小于表5中要求的550 mm，流动性不满足要求；当水胶比为0.41时，扩展度为550 mm，基本满足工作性能要求，且相比M3，M4，随着水胶比增大，M2的流动性继续提升。比较表7中M5，M2，M6，M7 4个组次砂率变化，当M5砂率为43%时，表8中坍落度为240 mm，T500为7.6 s，均满足表5中要求，但V型漏斗试验出现堵塞、流动缓慢的情况，说明当浆体体积较少时，流动阻力较大，从表8中V型漏斗试验数据可知，随砂率增加，流动性逐渐变好。选取表7中M8，M9，M2，M10 4个组次研究胶材用量对模袋混凝土性能的影响，可知随胶材用量增加，混凝土的扩展流动度逐渐增加，说明流动性越来越好；J型环扩展度逐渐增加，Δh逐渐减小，且试验中未发生分层和离析现象，试验后扩展后的混凝土越来越接近圆形，说明混凝土的均匀性和凝聚性逐渐变好；试验中未出现泌水现象，说明混凝土保水性较好。因此，随胶材用量增加，混凝土和易性越来越好。

表7 C30模袋混凝土配合比Tab.7 Mix proportion of concrete C30

表8 C30模袋混凝土的工作性能指标Tab.8 Performance indexes of concrete C30

C30混凝土强度随水胶比、砂率以及胶材用量的变化规律如图2～4所示。在水胶比为0.39～0.45的范围内，随着水胶比的提高，C30混凝土3，7，28 d的强度均有所降低，这与文献[16-17]的研究结论吻合；在水胶比为0.39时，混凝土的3，7，28 d强度均为最大。在砂率为43%～45%的范围，随着砂率的提高，C30模袋混凝土3，7，28 d的抗压强度整体均为降低趋势，这是因为一定的水泥用量下，砂率越高，砂子越难完全包裹，造成砂浆强度的下降，从而影响混凝土的强度；当砂率为45%时，C30混凝土的3，7，28 d强度均为最大。一般混凝土选择砂率的原则是满足和易性的前提下尽量选择较低的砂率，这样既可以降低水泥用量，也能满足工作性能的要求。该项目为满足模袋混凝土对流动性的要求，选取的砂率较大，综合考虑强度以及工作性能需求，选择45%的砂率较为合适。从图4可知，C30模袋混凝土的3，7，28 d强度均随胶材用量的提高而提高，但过高的胶材用量会增加成本，综合考虑选择418 kg/m3的胶材用量较为合适。

图2 水胶比与混凝土强度关系Fig.2 Relationship between water to binder ratio and concrete strength

图3 砂率与混凝土强度关系Fig.3 Relationship between sand to aggregate ratio and concrete strength

图4 胶材用量与混凝土强度关系Fig.4 Relationship between binder content and concrete strength

2.2 矿物掺合料性能影响分析

矿物掺合料替代部分水泥，不仅可以降低成本，还可改善混凝土的工作性能。一般选用的矿物掺合料包括粉煤灰(FA)、矿粉(L)及偏高岭土(K)。采用等量取代法[10]在混凝土中加入矿物掺合料，用掺合料取代等质量水泥的明显好处是增大了浆体体积。矿粉体积比水泥约大10%，粉煤灰体积比水泥约大30%，掺合料增大了胶凝材料的体积含量，因此增大了浆体-集料的体积比。大量浆体填充集料间的空隙，包裹并润滑集料颗粒，从而使混凝土拌合物具有更好的流动性和可塑性，同时减少浆体-集料界面的摩擦，改善新拌混凝土的和易性。矿物掺合料改性模袋混凝土各组配合比见表9，其对应的工作性能见表10。

表9 不同胶凝材料C30模袋混凝土配合比Tab.9 Mix proportion of concrete C30 with different cementing materials

表10 C30混凝土不同胶凝材料组成工作性能Tab.10 Properties of concrete C30 withdifferent cementitious materials

根据表10中数据可知，掺合料对混凝土工作性能提升明显，特别是矿粉与粉煤灰复掺时，混凝土扩展度提升明显，T500数据表明混凝土流速有所加快；V型漏斗及J型环试验结果表明，配制的F20B10、F20B20、F20B30 3组模袋混凝土既有较大的流动性，同时又有一定的黏度，抗离析性能良好。F10、F20、F30 3组单掺粉煤灰与表8中基准混凝土配合比M2的扩展度接近，T500和V型漏斗流出时间均有所缩短，而复掺粉煤灰与矿粉的扩展度、T500和V型漏斗流出时间比单掺粉煤灰的模袋混凝土更好。J环试验数据表明掺合料对混凝土的间隙通过能力有一定提高，特别是粉煤灰和矿粉复掺较高的比例取代水泥时。因此，矿粉与粉煤灰的复掺可以获得流动度较大且凝聚性适中的模袋混凝土。

掺合料对C30模袋混凝土的抗压强度影响见图5。由图5可知，当单掺粉煤灰的掺量在10%～30%时，随粉煤灰掺量的提高，C30混凝土强度逐渐下降，这是因为粉煤灰活性较低，会使早期强度降低[18]，但28d强度与纯水泥混凝土已较为接近。复掺粉煤灰与矿粉的C30混凝土工作性能提升明显，抗压强度大小也基本与不使用掺合料持平。粉煤灰与偏高岭土复掺时，不仅提升了工作性能，同时强度有较大的提高，F20M3，F20M6及F20M9相较不使用掺合料，抗压强度分别提高16%，22%和28%，主要是因为两种掺合料的微粒填充效应以及偏高岭土极强的火山灰反应活性。

图5 掺合料对混凝土强度的影响Fig.5 Effect of admixtures on concrete strength

3 施工过程及应用效果

3.1 施工过程

该项目中因模袋混凝土厚度较大，采用传统施工装置很难保证模袋混凝土的坡肩线形、成型厚度及平整度，因此施工中采用了如图6所示的新型支架系统。该支架系统通过固定装置将模袋布撑开，使模袋布、拉筋处于垂直绷紧状态；通过限位挡板控制模袋轴线位置；通过定位杆调整坡肩线型；通过张紧装置控制模袋布张力，并配合人工疏导保证模袋混凝土平整度；通过支架和配重块保证结构受力平衡。采用该支架系统模袋现场铺设如图7所示。

图6 新型支架系统Fig.6 New bracket system

图7 模袋铺设现场Fig.7 Construction site of concrete mattress

施工过程中控制泵送填充压力为0.2～0.3 MPa，填充速度为10～15 m3/h，即将填充饱满时，暂停5～10 min，待模袋中水分析出，再填充至饱满。填充过程中灌口堵塞时，水下人员要及时进行探查、踩压，移开泵管将堵塞混凝土掏出或用铁杆疏通后，再继续填充。灌口周围先填充的混凝土无法流动时，可移至上面灌口填充或在上边缘再开一个灌口填充。模袋中空气、水分过多时，及时用测深尺插入模袋进行排放。在填充过程中因异常中断或人工踩压不到位出现不饱满时，可采用注浓浆法修补。护底浇筑时，为防止混凝土压住模袋分仓布或拉筋，应在混凝土填充厚度达到20 cm前，及时拉扯上层模袋。

3.2 应用效果

采用基准配合比配置的混凝土解决了模袋混凝土坍落度损失大、填充率低的难题。采用新型支架系统，使模袋外形充分支撑，提高了混凝土在模袋中的流动性和充实率，解决了超厚模袋混凝土平整度差、成型率低、已浇注混凝土模袋与现浇混凝土模袋间间隙过大等问题。填充完检测发现，模袋坡面平整度水下均小于15cm，陆上均小于10cm，模袋填充效果如图8所示。

图8 模袋填充效果Fig.8 Final result of concrete mattress filling

4 结 论

通过对超厚模袋混凝土使用环境及存在问题的分析，指出了影响C30模袋混凝土性能的参数，并针对影响因素进行了分析，主要结论如下。

(1) 借鉴自密实混凝土工作性能评价方法，提出了模袋混凝土工作性能影响因素和工作性能要求。提出采用坍落扩展时间、V型漏斗和J型环从流动扩展性能、抗离析性能和通过性能3个方面来评价模袋混凝土工作性能，并给出了细化的工作性能指标。

(2) 给出了水胶比、胶材用量和砂率对超厚模袋混凝土工作性能和抗压强度的影响关系，施工中建议选取水胶比0.41、砂率45%、胶材用量418 kg/m3的配合比。

(3) 粉煤灰与矿粉复掺对模袋混凝土的流动性与粘聚性均有改善，施工中建议采用C∶FA∶L=60∶20∶20的胶凝材料比例配置模袋混凝土。