桩基自密实混凝土配制技术研究.docx
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桩基自密实混凝土配制技术研究
桩基自密实混凝土配制技术研究
1.1配制要求
乌江大桥主塔桩基深73米，混凝土强度等级为C30，采用干浇自密实混凝土施工，因此配合比设计除应具有较高的强度等级、耐久性和经济性外，还应具备较高的工作性能。
对桩基自密实混凝土提出了如下的配制要求：
⑴工作性：
桩基自密实泵送混凝土应具有较高的流动性，在不使用振动器和人工插捣情况下通过混凝土自重完成自流平，因而桩基自密实混凝土应具有较大的流动性，具有便于施工的和易性。
同时，为使得桩基混凝土质量稳定，在一定距离下落后不产生离析或少离析，应具有较好的粘聚性。
具体控制指标见表3.1.5。
⑵力学性能：
混凝土强度等级为C30，考虑施工过程可能会有一定的强度损失，试配时应留有一定的强度富余。
⑶凝结时间：
混凝土的初凝时间应根据浇筑强度，至少大于每次混凝土连续的浇筑时间，桩基自密实混凝土初凝时间一般宜控制为10h以上。
⑷耐久性。
桩基混凝土承受荷载和土中腐蚀介质作用。
因此除强度满足要求外，还必须考虑混凝土耐久性能，如抗氯离子渗透性（采用电通量指标控制）。
1.2配合比设计
1.2.1配合比设计原则
桩基自密实机制砂混凝土最显著的特点是使用机制砂作为细骨料配制具有较高工作性的混凝土。
良好的泵送性能主要通过采用稳定优质的骨料、胶凝材料以及与水泥、细骨料（机制砂）适应性好、碱含量低、保坍效果好的高性能聚羧酸外加剂来实现。
为提高混凝土的工作性能，配制过程中常用的措施是适当增大粉体用量、掺入掺合料、改善骨料级配及降低空隙率，采用高性能减水剂改善工作性能。
对于机制砂自密实混凝土，由于机制砂中含有一定的石粉，MB值较低、细度适中的石粉可增大混凝土中粉体用量，提高混凝土的工作性能。
1.2.2技术路线
桩基自密实机制砂混凝土的配制宜通过合理选用原材料，采用适中水胶比、适量矿物掺合料（粉煤灰、矿粉）和高性能外加剂为基本手段，以工作性能作为重要的衡量指标。
桩基自密实机制砂混凝土配合比设计主要采用以下技术方案：
⑴适当增大粉体用量提高混凝土的工作性能，可通过增大胶凝材料和机制砂的优质石粉的量实现。
⑵选择适合的胶材比例，发挥级配效应，提高混凝土的致密性。
⑶优化混凝土中集料的级配设计，获取最大堆积密度和最小空隙率，以便减少水泥浆的用量，同时避免混凝土泌水、离析。
⑷控制混凝土水胶比在一定范围内，保证混凝土强度。
⑸充分发挥矿物掺合料与高性能减水剂的叠加效应，从而达到减少胶凝材料用量和密实混凝土内部结构，使混凝土强度持续发展，耐久性得以改善。
1.3配合比参数选择
配合比设计时的4个关键参数：
水胶比、浆骨比、砂率和矿物掺合料用量均对混凝土性能产生重要影响。
在进行桩基自密实机制砂混凝土配制时按如下步骤选择。
1.3.1水胶比
强度对水胶比较为敏感，水胶比过大时强度得不到保证，同时会加大混凝土的孔隙率，特别是毛细孔比例，使得抗渗性得不到保证。
过小水胶比会影响混凝土的工作性能，增大混凝土的自收缩。
因此，水胶比选择时宜选择适中的水胶比。
在水胶比选择时，根据混凝土结构的耐久性和配制强度要求选择，选择两者的低者作为最大水胶比作为初步选水胶比，再依次减小0.05～0.1百分点取3～5个水胶比试配，得出水胶比和强度的关系，找出上述配制强度所需要的水胶比，进行再次试配。
桩基自密实混凝土处于土中环境，依据《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T50746-2008）最大水胶比为0.40，配制强度要求最大水胶比为0.45。
结合施工经验，桩基自密实混凝土水胶比宜选择在0.35~0.40。
1.3.2浆骨（体积）比
在水胶比一定的情况下的用水量或胶凝材料总量，或骨料总体积用量即反映浆骨比。
对于自密实混凝土，参照《自密实混凝土应用技术规程》（JGJT283-2012）中对胶凝材料的限定范围，由试配拌和物工作性确定，取尽量小的浆骨比值。
水胶比一定时，浆骨比小的，强度会稍低、弹性模量会稍高、体积稳定性好、开裂风险低，反之则相反。
考虑到混凝土的工作性能，在本研究中浆体百分率取0.3~0.35，浆骨料体积比为0.43~0.54。
在和易性良好的条件下选择尽量小的浆骨料体积比，C30桩基自密实泵送混凝土胶材选用480~500kg/m3。
1.3.3砂率
砂率的选择根据石子松堆空隙率与砂的松堆空隙率选择。
石子松堆空隙率越小，砂率越小。
在水胶比和浆骨比一定的条件下，砂率的变动主要可影响施工性和变形性质，砂率过小，混凝土浆体量减小，混凝土和易性不好；砂率同时对硬化后的强度也会有所影响，在一定范围内，砂率小的，强度稍低，弹性模量稍大，开裂敏感性较低，拌和物粘聚性稍差，反之则相反。
对级配良好的石子，以石子松堆空隙率与砂的松堆空隙率乘积为0.16～0.20为宜。
对于机制砂混凝土，为获得优良的工作性能，想比于普通泵送混凝土通常要提高砂率。
依据工程经验，现场试配时桩基自密实机制砂混凝土砂率宜选取为45%~50%。
1.3.4矿物掺合料掺量
矿物掺合料的掺量根据工程性质、环境和施工条件参照GB/T50746-2008附录B和条文说明附录B选择。
一般情况下，掺合料中矿渣粉与粉煤灰的比例可根据混凝土的强度及施工性能调节。
桩基混凝土中粉煤灰掺量不宜大于40%。
在选择掺合料种类时需根据设计要求选取。
1.4配合比设计方案
根据桩基自密实机制砂混凝土配制要求和设计思路，结合配合比设计参数的选择原则，参考类似工程施工经验，采用单掺粉煤灰的胶材配制方式设计混凝土配合比。
试拌时，使用试验优选的原材料（见第二章），机制砂细度模数为3.2，石粉含量12%。
1.4.1工作性试拌
为设计出工作性能满足要求的桩基自密实机制砂混凝土配合比，进行了混凝土工作性试拌。
试拌开始时选择水胶比为0.36、水粉比0.31、胶凝材料用量470kg/m3。
试拌过程中对外加剂掺量、砂率和胶凝材料用量进行调整，检测混凝土工作性。
试验过程见表1.4.1和表1.4.2。
表1.4.1桩基机制砂自密实混凝土工作性试验拌配合比
编号
水粉比
胶凝材料用量
砂率
原材料用量kg/m3
水泥
粉煤灰
砂
碎石
水
外加剂
S-1
0.32
470
49
300
170
852
887
180
1.3
S-2
0.32
470
49
300
170
852
887
180
1.7
S-3
0.32
470
47
300
170
820
920
180
1.7
S-4
0.31
485
49
300
185
847
880
180
1.3
表1.4.2桩基机制砂自密实混凝土工作性能
编号
坍落度（mm）
扩展度（mm）
T500
（s）
V型漏斗
（s）
J型环
扩展度（mm）
△h（mm）
S-1
250
600
5
8
530
6
S-2
250
610
5
8
530
8
S-3
230
580
6
10
510
7
S-4
250
610
5
8
530
5
使用机制砂配制C30桩基自密实混凝土，当砂率为49%，外加剂掺量为1.1%时，机制砂混凝土坍落度、扩展度、T500、V型漏斗和J型环等技术指标满足要求；当增大外加剂掺量到1.2%，混凝土出现轻微的泌浆，J型环△h值稍微增大，可见，机制砂混凝土对外加剂较为敏感；当降低砂浆到47%时，混凝土工作性能略有影响，扩展度降低、J型环△h值稍微增大，降低砂率对工作性能不利；当增大胶凝材料到485kg/m3，机制砂混凝土工作性能得到改善。
根据以上试拌情况，为改善桩基自密实混凝土的工作性，采取两方面的措施来增加浆体量，⑴适当提高砂率来增加浆体量；⑵通过适当增加胶凝材料用量来增加浆体量。
当砂率和胶凝材料用量同时调整时，混凝土的包裹性以及其他工作性能均有明显改善，能满足施工要求。
1.4.2工作性和力学性能试验
依据上一节试验结果，选择砂率为49%，外加剂掺量1.1%，调整胶凝材料用量、粉煤灰掺量和水粉比，初步设计以下配合比进行试配试验，初步配合比见表1.4.3，试验结果见表1.4.4。
表1.4.3初步设计配合比
编号
水粉比
胶凝材料用量
砂率
原材料用量kg/m3
水泥
粉煤灰
砂
碎石
水
外加剂
Z-1
0.32
470
49
300
170
852
887
180
1.7
Z-2
0.31
485
49
300
185
850
885
180
1.8
Z-3
0.30
500
49
300
200
843
877
180
6.0
Z-4
0.31
485
49
291
194
850
885
180
1.8
Z-5
0.31
485
49
340
145
850
885
180
1.8
Z-6
0.29
485
49
291
194
855
890
170
6.2
Z-7
0.32
485
49
291
194
845
880
190
1.3
表1.4.4桩基机制砂自密实混凝土工作性能
编号
坍落度（mm）
扩展度（mm）
T500
（s）
V型漏斗
（s）
J型环
扩展度（mm）
△h（mm）
Z-1
250
610
5
8
530
8
Z-2
250
610
5
8
530
5
Z-3
250
620
5
8
540
5
Z-4
250
620
5
8
530
5
Z-5
240
600
6
10
520
6
Z-6
230
600
8
12
510
10
Z-7
240
610
5
8
520
5
表1.4.4可见，桩基自密实混凝土随着胶凝材料用量的增大，混凝土工作性得到改善，胶凝材料用量为485kg/m3工作性能已表现良好，完全能满足设计要求；随着粉煤灰掺量的增大，粉煤灰对工作性能的改善充分体现，粉煤灰可到规范上限40%；随着单方用水量的降低，可通过增加外加剂的掺量来改善工作性能，但混凝土粘度增大，扩展度有一定的降低。
表1.4.5桩基机制砂自密实混凝土力学性能
编号
Z-1
Z-2
Z-3
Z-4
Z-5
Z-6
Z-7
7d抗压强度/MPa
24.1
26.1
29.3
21.6
30.3
31.1
19.2
28d抗压强度/MPa
42.6
41.3
49.0
46.3
48.6
50.8
36.5
从表1.4.5所示的力学性能可知，随着胶凝材料的增大、水粉比的降低桩基混凝土的抗压强度提高；随着粉煤灰掺量的增大，早期强度有一定的降低，后期强度略有影响；随着用水量的增大，混凝土强度降低，当单方用水量达到190kg/m3时，28抗压强度不满足试配强度要求。
1.4.3耐久性能
采用电通量法法评价桩基混凝土抗渗性能。
电通量试验结果见表1.4.6。
表1.4.6桩基混凝土渗透性能
编号
Z-1
Z-2
Z-3
Z-4
Z-5
Z-6
Z-7
电通量/C
28d
986
860
820
980
1200
750
1600
56d
689
560
550
650
800
450
1050
由表1.4.6可知，随着胶凝材料用量的增大、水粉比的降低，桩基混凝土抗渗性提高；掺入粉煤灰后，其二次水化作用改善了桩基混凝土的内部孔结构，从而使得其抗氯离子渗
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