相军涛

(中铁二局五公司，四川 成都 610000)

1 工程背景

郑济铁路黄河特大桥设计为公铁两用桥梁，上层为快速公路，下层为四线铁路(高速铁路和市域铁路)。本桥梁位于河南省新乡市原阳县黄河北岸滩涂地内。

本桥梁桩基础采用摩擦桩设计，主要桩径为φ1.5 m，φ1.8 m，φ2 m，桩长在55 m～90 m范围内。地质以粉质砂性土为主，环境为碳化环境T3、化学侵蚀环境H1。桩身混凝土采用C40水下耐久性混凝土，混凝土结构的设计使用年限为100年。[1]

2 钻孔桩自密实混凝土施工工艺及重难点

本地区春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季秋高气爽，冬季寒冷干燥。年平均气温15.1℃，累年极端最低气温-11℃，极端最高气温42.5℃，冬夏季温差达50度以上，地表水和地下水对混凝土具有L1氯盐侵蚀性。钻孔桩施工采用反循环回旋钻成孔为主，采用导管法进行水下混凝土的灌注。钻孔桩耐久性混凝土施工要求高，混凝土采用搅拌站集中拌和，罐车运送、现场导管浇筑，施工方式采用自密实浇筑成型。施工过程每根桩的灌注要连续、不间断施工，这就要求配合比设计不仅要保证有足够的强度，更要有良好的工作性能以及合适地初凝时间，才能充分地保证桩身混凝土不产生冷缝、孔洞、夹渣分离及断桩现象。[2]

夏季施工时，环境温度最高达40度左右，本标段内细长钻孔桩较多，单桩灌注混凝土方量大，灌注持续时间长，单桩灌注混凝土最大方量超过300 m3，单桩灌注最长时间超过5 h，对混凝土工作性要求特别高，灌注风险较大。如果混凝土初凝时间较短、工作性较差就会影响施工操作，造成堵管，浪费人力物力，还容易造成桩身夹泥、夹砂，甚至造成断桩事故。因此，在混凝土配合比的设计中，高温条件下混凝土的初凝时间是重点考虑因素，由于单桩最长灌注时间超过5 h，再加上运输时间，混凝土的初凝时间必须控制在7h以上。为保证细长钻孔桩混凝土顺利施工，必须从组成混凝土的各种原材料、强度设计、工作性能以及凝结时间等方面入手，开展混凝土配合比设计工作 。

细长钻孔桩水下混凝土配合比设计路线和技术指标：为提高混凝土的耐久性，改善混凝土的工作性能，采用大掺量优质粉煤灰代替部分水泥作为胶凝材料，并通过优选高性能减水剂，尽可能降低混凝土的水胶比，同时选择适当的砂率，确保混凝土具有良好的和易性和较长的初凝时间，以保证桩基的质量。

3 C40钻孔桩水下混凝土配制

3.1 原材料选择

水泥：本工程选用卫辉春江P.O 42.5低碱水泥，碱含量0.54%，C3 A含量6.23%，实测3天抗折强度为6.2 MPa，28天为9.3 MPa；3天抗压强度为30.3 MPa，28天为55.1 MPa。

粉煤灰：粉煤灰不仅可以改善混凝土的流动性，还可以降低混凝土水化热 ，增加混凝土的密实性。本工程选用山西阳城Ⅱ级粉煤灰，细度19.3%、需水量比98%、烧失量4.82%。

细骨料：细骨料的颗粒级配和含泥量对桩基混凝土的流动性具有关键性的影响。本工程选用南阳唐河中砂，细度模数为 2.9，级配范围属于Ⅱ区，含泥量1.2%。

粗骨料：本工程选用卫辉市天然资源5～25 mm连续级配碎石，其中5～10 mm碎石与10～25 mm碎石比例为3∶7互掺。

外加剂 ：本工程选用山西金盾苑建材有限公司JDY-02型聚羧酸减水剂，该型减水剂具有减水率高、坍落度损失低等特点，并与本工程所用水泥和矿物掺合料具有较好的适应性。

3.2 配合比设计

根据施工环境、施工工艺以及施工规范要求，C40水下混凝土试配强度为54.2 MPa，结合混凝土耐久性和自密实施工高流动性要求，水胶比不能过大，否则影响混凝土耐久性，也不能过小，否则影响混凝土自密实性能，同时考虑到桩身混凝土所处环境条件为T3、L1环境，初步确定混凝土水胶比为0.36，在胶凝材料和用水量及砂率相同的情况下，通过调整掺合料的掺量(粉煤灰掺量分别为胶凝材料的25%、30%、35%)来比较混凝土的工作性能、强度指标及耐久性能。[3]表 1给出了试配的 3组混凝土的配合比，各配合比的碱含量均小于3.0 kg/m3，氯离子总含量均小于胶凝材料总量的0.10%。

表1 试配混凝土配合比

3.3 配合比试验结果及分析

3.3.1 基本性能

试配的3组混凝土均表现出良好的粘聚性和保水性能，表2为试配混凝土拌和物的坍落度 、扩展度、含气量以及硬化混凝土的抗压强度。

表2 拌合物基本性能试验结果

从表2的结果来看，随着混凝土胶凝材料中粉煤灰掺量的提高，混凝土初始坍落度增大，120 min坍落度损失也明显降低，混凝土的流动性越好，这说明由于粉煤灰的微珠效应，大掺量粉煤灰可明显改善混凝土拌合物的工作性能；另一方面粉煤灰的掺入取代了部分水泥，使得混凝土在凝结过程中水化热释放速度减慢 ，从而有助于推迟凝结时问，随着粉煤灰掺量的提高，水泥用量相应降低，凝结时间也逐渐延长。

3.3.2 耐久性能

由于本工程钻孔桩混凝土处于L1侵蚀环境，所以混凝土56 d的电通量指标和氯离子扩散系数指标均应满足规范要求，同时设计中也明确要求C40混凝土配合比中混凝土弹性模量须不小于3.4×104 MPa。通过观察以上数据我们可以发现粉煤灰掺量越大，电通量和氯离子扩散系数越小，说明粉煤灰可以明显改善混凝土抗氯离子渗透性能 ，这是由于粉煤灰中微细颗粒均匀分布在水泥浆体内，填充孔隙和毛细孔 ，从而改善混凝土的孔结构和增大密实度 ，优化混凝土性能，从而提高其耐久性。

表3 拌合物耐久性能试验结果[5]

根据规范要求，当混凝土处于氯盐环境下且水胶比小于等于0.40时，粉煤灰掺量范围为30%～50%。[4]由于C40-3配合比中56 d强度为53.6 MPa，达不到设计强度，所以综合施工规范要求及混凝土各项指标要求，配合比选定为C40-2方案。

4 水下混凝土质量控制

严格、正确的施工是把设计变成优质构件的保证，精确配置，精心施工，才能达到所要求的预期性能。在钻孔桩施工中重点做了以下控制：4.1严把原材料进场验收关对粉煤灰、减水剂等容易引起混凝土质量波动的原材料实行车检制度。每批减水剂进场时除了检测规范要求的指标之外，同时还对该批减水剂进行配合比验证，满足混凝土工作性能之后方允许进场；每车粉煤灰均进行细度、需水比、烧失量检测，同时用显微镜观测粉煤灰玻璃微珠含量，如图1所示，以确保混凝土工作性能稳定。同时每工作班对砂石料的含水率进行测定，根据测定结果及时调整施工配合比。图1 显微镜观测粉煤灰玻璃微珠含量4.2混凝土拌和每周对粉料、液料及粗细骨料称进行一次使用量程校准 ，每月对所有称量系统进行全量程校准，当出现计量误差超标，操作人员及时进行调整、检校。混凝土拌和过程中按骨料称量精度误差不大于± 2%，粉料、液料称量精度误差不大于± 1%的要求进行严格控制。每盘混凝土净搅拌时间保持在120s，当进入冬季施工时，净搅拌时间调整为180s，确保混凝土搅拌均匀。4.3混凝土运输混凝土采用罐车运输至浇筑地点，每辆罐车罐体外部覆盖篷布，这样在夏季高温季节施工时可有效避免混凝土在运输过程中温度升高而造成坍落度损失，当进入冬季施工时又可以对混凝土起到保温作用，确保混凝土在浇筑之前不受冻。4.4 混凝土灌注在灌注水下混凝土之前，再次对桩孔的各项指标进行检测，同时检测混凝土坍落度、温度、含气量等指标，符合灌注要求后方允许灌注混凝土。混凝土灌注过程中，出料口必须埋在已浇注部分的混凝土中至少2m以上，并不大于6m。随着孔内混凝土的上升，及时提升或拆除导管。在控制混凝土初凝时间的同时，必须合理地加快灌注速度，这对提高混凝土的灌注质量十分重要，因此必须做好灌注过程的施工组织。

5 结 论

控制水胶比，提高粉煤灰掺量，可有效改善水下混凝土的工作性能、初凝时间和耐久性能；严格控制原材料、混凝土拌和及现场施工过程，是保证钻孔桩水下混凝土质量的关键。

截止2020年1月1日，本标段共计完成钻孔桩施工4607根，累计浇筑水下混凝土方量60余万方，未发生较大的钻孔桩质量事故，共完成桩基检测4607根，其中Ⅰ类桩4519根，占比98.1%，Ⅱ类桩88根，占比1.9%，桩基施工质量良好。