深水板桩码头护底模袋混凝土性能研究

赵东梁 ，卜继泽 ，冯先导

（1.中交第二航务工程局有限公司，长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，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；2.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，北京 100120；3.中交二航局第三工程有限公司，江苏 镇江 212021）

0 引言

模袋混凝土在工程中常用于水工护岸结构[1-2]，因其凝固后能够与地面紧密贴合及良好的整体性，在海岸、湖泊、河流的护坡结构中应用较为广泛[3-5]。同时模袋混凝土表面具有流线结构，可起到减少水流阻力、降低水压的作用[6]，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实际工程应用情况看，国内外无论是河流湖泊护坡还是近岸护底结构，其应用水深基本小于15 m[3-8]。

本文依托以色列Ashdod 港项目，模袋混凝土在Ashdod 港码头主要用于Q27 板桩码头前沿和西侧盒子外侧海底床面的防护（图1），防止船舶停靠时螺旋桨搅动对泊位底部基床的冲刷。单块模袋长38.2 m，宽4.4 m，铺设模袋总宽度839 m，模袋铺设高程-17.6 m，模袋厚度为30 cm。

图1 模袋混凝土侧面结构图Fig.1 Typical section of the concrete mattress

作业水深大带来的主要问题就是施工过程中混凝土流动性控制不好易出现堵管问题，且施工时间较长，易出现模袋填充率低、混凝土离析、混凝土强度不足等问题，造成水下模袋混凝土填充不密实[9]。针对上述问题开展研究，最终优化设计得出满足设计施工要求的混凝土配合比。

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）模型。模袋混凝土的流动性、密实性及强度与原材料性能关系密切，各主要原材料对模袋混凝土性能的影响分析及原材料性能如下：

1）天然砂和机制砂

天然砂采用粒径较小的河床或海床沙，含泥量3.1%，细度模数1.94，密度2 637 kg/m3。机制砂由石灰岩压制而成，含泥量2.9%，细度模数4.4，密度2 629 kg/m3，最大粒径可达10 mm。

2） 水泥

试验选用以色列当地普通硅酸盐水泥CEM II/A-M 42.5N，主要性能指标如表1 所示。

表1 水泥主要性能指标Table 1 The performance of cement

3）外加剂

试验选用外加剂为Chayso 缓凝剂Retarder 1080 和Omega 101，适用于所有类型混凝土。

1.2 配合比试验组次

根据工程经验初步给出原材料用量配合比见表2，计算表2 中天然砂与机制砂在不同比例调配时的累积级配分布绘制散点图，与以色列标准[10]和欧标[11]要求的极限值对比，见图2，2 号配合比集料颗粒级配曲线处于要求区域外，其它配合比集料级配曲线均处于区域以内，5 号和6 号配合比集料级配曲线处于区域中间位置，为理想配合比。

表2 初步配合比原材料用量Table 2 Raw materials consumption of the prime mixture ratio kg

图2 配合比组次级配分布图Fig.2 Grain size distribution of mix proportion groups

1.3 配合比试验结果

依据表2 中天然砂与机制砂比例调配混凝土，通过用水量调整混凝土流动性。基于以色列当地混凝土原材料特性，经过多次现场试验，混凝土流动性采用英国Proserve 提供的容量3.64 L、口径26 mm 的廖锥开展现场试验测试。混凝土拌制完成之后检测其流动性，要求5～6.5 s 混凝土浆体全部流尽，然后静置，每隔30 min 重复检测其工作性能，这一混凝土流动性标准也是针对模袋混凝土最初配合比，经过多次现场实测，在Proserve工程师协助下得到满足模袋混凝土现场施工和强度标准[12]的经验值。

试验发现，1 号配合比初始流动性为6 s，30 min 后重新搅拌，流动性为15 s，大量混凝土黏附在廖锥内壁，工作性能差；2 号配合比初始流动性为5.8 s，机制砂中的大颗粒迅速沉底，混凝土离析现象严重，不适合施工；3 号配合比初始流动性为5.2 s，静置30 min 后，混凝土产生严重离析现象，重新搅拌后流动性为7 s，机制砂中大颗粒与浆体分离明显，不适合施工；4 号配合比初始流动性为5.9 s，静置30 min 后，混凝土产生严重离析现象，重新搅拌后流动性为7.2 s，机制砂中大颗粒与浆体分离明显但优于3 号配合比，依旧不适合施工；5 号配合比初始流动性为5.3 s，静置30 min 后，混凝土产生轻微离析现象，重新搅拌后流动性为5.7 s，混凝土工作性能良好，后续重复检测流动性分别为6.6 s、7.2 s 和8.3 s，150 min 后混凝土轻微离析但工作性能良好；6 号配合比混凝土工作性能与5 号配合比类似，流动性依次为 5.1 s、6.0 s、7.1 s、7.9 s 和 8.5 s。

5 号和6 号使用原材料比例为最佳配合比。5号使用更多机制砂，混凝土拌合物中颗粒较粗，更有利于强度发展，因此，目标配合比选为5 号。

试验表明，5 号配合比混凝土在90 min 时流动性为7.2 s，已超过规定值。施工中，混凝土罐车从搅拌站到施工点至少需要30 min，在道路拥堵情况下甚至会超过60 min；模袋混凝土施工中由潜水员在水下17 m 将混凝土从前到后分段注入模袋，混凝土从搅拌站运至现场，每车混凝土装量约8 m3，每30～40 min 完成一车混凝土的浇筑；因此，混凝土至少需在90 min 内保持良好的工作性能。试验验证，配合比设计中以水泥用量的0.5%加入外加剂Retarder 1080，混凝土120 min时的流动性为6.2 s，满足施工流动性要求。

流动性符合要求的对应混凝土水灰比为0.6，水灰比过高导致混凝土强度偏低，28 d 强度仅26 MPa，小于技术规范[12]强度最低要求30 MPa。以水泥用量的0.6%加入减水剂Omega101，将水灰比降至0.5，试验表明28 d 强度达到34.5 MPa，满足技术规范[12]要求，最终混凝土配合比见表3。

表3 5 号混凝土配合比Table 3 The mix proportion of No.5 concrete kg/m3

2 混凝土性能现场实测

针对选定的5 号配合比混凝土进行水下现场试验，试验位置位于Q27 码头CH+215—CH+230段前板桩墙与后锚桩墙之间，试验水深0.6～0.9 m，试验模袋尺寸12 m×4.4 m。整个试验过程填充2 组模袋，一组为标准模袋，模袋面板与墙端支撑袋内部贯通连接，混凝土充填时可以整体充填；另一组为特殊模袋，模袋面板与墙端支撑袋在混凝土充填时需要分别充填。采用活塞泵连接直径63 mm、长度80 m 的橡胶线丝软管泵送混凝土，最大泵送速率为25 m3/h，超过这一限值橡胶软管在泵送过程中会出现较为明显的反冲作用。

试验中钻孔取芯检测7 d、28 d 混凝土抗压强度平均值分别为21 MPa、51.5 MPa，满足28 d抗压强度30 MPa 要求。在模袋不同区域取芯检测模袋混凝土厚度，分别为30.4 cm、30.2 cm、29.9 cm、30.7 cm、31 cm、30.5 cm，满足规范30 cm±10%的要求。标准模袋和特殊模袋的墙端支撑袋，填充混凝土后均能很好地与板桩墙贴合，支撑袋顶面高出模袋顶面15～20 cm。

3 施工工艺及应用效果

3.1 施工工艺

1）床面准备。模袋施工基床面开挖疏浚要求标高-17.6 m，误差为+0～-0.3 m，沟槽处要求标高-19.7 m，误差为+0～-0.6 m，采用声呐设备对基床表面进行测量，评估基床表面是否满足技术规格书对标高和误差的要求。

2） 陆上准备。在Q27 码头附近陆地上将模袋面板展开，在模袋端头套子里插入长度4.4 m、直径为76 mm 的钢管，方便施工过程控制模袋宽度。使用长5 m、直径450 mm 的塑料材质管子沿模袋长度方向将模袋卷起来，使用吊车将模袋吊至码头前沿。

3）浮式平台安装。在模袋混凝土施工区域正上方安装浮式平台作为输送混凝土管的通道。

4）模袋下放。用吊车将在陆地上准备好的成卷模袋下放至床面，并限位在板桩墙趾墙位置。

5）配合比控制。每辆搅拌车到现场需测混凝土流动性，检测其是否适合泵送。

6）泵送混凝土。混凝土需经网片过滤，泵送时保持陆上、水下沟通。

7）泵管操作。橡胶管浮在水面，管子铺在易移动的浮式平台上。

8）模袋水下充填。潜水员在水下操作管子从袖口1 泵送混凝土，与混凝土操作人员保持沟通，充填完后将泵管移至下一个袖口继续充填，袖口中的泵管移出后立刻对袖口进行绑扎。

9）支撑袋充填。充填支撑袋使模袋与板桩墙间密封连接良好。

10）检查。确认模袋连接处套窝互锁，趾端、墙空隙、拐角等处成功填充，并检查模袋平整度、厚度满足要求。

施工中每个罐车浇筑前严格检测混凝土流动性，流动性差易造成泵车堵管和模袋填充不充实现象，流动性过大易产生混凝土离析，影响混凝土质量。每块模袋浇筑完，立刻检查产品完成度，若发现漏浇或混凝土欠缺现象，及时补充浇筑；若发现因模袋破损导致混凝土泄露，及时对模袋进行水下缝补，清理泄露混凝土，重新补充浇筑。

3.2 应用效果

施工后将混凝土抗压强度试验改为劈裂抗拉强度试验，按照以色列当地标准，B30 混凝土劈裂抗拉强度不小于2.29 MPa，选用的5 号混凝土浇筑时，每周取样送检1 次，目前已完成43 次劈裂抗拉强度检测，合计检测频率1/3，平均值3.34 MPa，均满足B30 混凝土强度要求。支撑袋在模袋混凝土浇筑完成7 d 后进行批量浇筑，此时硬化后的模袋混凝土对支撑袋起到一定的支撑作用，潜水检查发现支撑袋与板桩墙之间密封完好。模袋浇筑7 d 后，多波束测量检测模袋混凝土厚度均大于30 cm。混凝土硬化成型后，对已完成模袋混凝土潜水复检，模袋混凝土的完整性、平整度均符合标准。

4 结语

通过对深水模袋混凝土使用环境及存在问题的分析，结合以色列当地规范标准，设计出一种适用于深水码头前沿护底的B30 模袋混凝土配合比，主要结论如下：

1）给出容量3.64 L、口径26 mm 的廖锥混凝土流动性试验，5～6.5 s 混凝土浆体全部流尽，选定的5 号混凝土配合比120 min 的流动性为6.2 s。

2）采用直径63 mm、长度80 m 的橡胶管泵送混凝土，最大泵送速率不超过20 m3/h。

3）施工中B30 混凝土抗压强度控制调整为劈裂抗拉强度控制，检测不小于2.29 MPa。