机制砂塑性混凝土在干坞工程咬合桩中的应用

魏文强

（1.大连信德建设工程检测有限公司，辽宁 大连 116031；2.天津市水下隧道建设与运维技术企业重点实验室，天津 300461）

0 引言

塑性混凝土是通过水泥、水、膨润土、砂、石以及外加剂等原材料经过搅拌、凝结而形成的特种混凝土，是一种由膨润土取代混凝土中部分水泥而形成的低强度、低弹性模量的防渗材料，不仅工程造价低，而且适应变形能力强，防渗效果好。

大连湾海底隧道建设工程的配套工程——干坞子项工程，作为沉管预制的建设场地，采用了塑性混凝土咬合桩作为坞壁的支护兼止水结构。由于天然河砂质量波动幅度较大，故本项目拟采用机制砂代替河砂配制塑性混凝土。机制砂与天然河砂相比，具有产源固定、质量稳定、产能高、价格低等优点[1]，但尚未大量应用于塑性混凝土中。本文通过室内试验，初步研究机制砂砂率和水泥掺量对塑性混凝土工作性、力学性能和抗渗性的影响，并通过干坞工程实际应用进一步验证了机制砂代替河砂的可行性。

1 室内试验

1.1 设计要求

塑性混凝土应用于本工程斜坡式坞壁结构支护兼止水咬合桩中的素桩，咬合桩直径有0.8 m、1.0 m、1.2 m 三种，间距0.75 m，咬合0.25 m，素桩桩底入岩1.0 m。桩体渗透系数要求不大于1×10-6cm/s，采用低应变法对桩身完整性进行检测，并结合开挖形式判定桩身质量[2]。

1.2 试验原材料

1）细骨料：试验用细骨料为大连生产的机制砂，性能参数见表1，颗粒坚硬、级配良好。

表1 机制砂性能参数Table 1 Performance parameters of manufactured sand

2）粗骨料：试验用粗骨料为大连某商混站生产的石灰石碎石，粒径为5～20 mm，最大粒径不超过25 mm。

3）水泥：试验用水泥为大连某厂家生产的P.O42.5 级，强度等级满足标准要求。

4）膨润土：试验用膨润土为锦州某厂家生产的钠基膨润土，性能参数符合GB/T 20973—2020《膨润土》[3]的技术要求。

5）外加剂：为改善塑性混凝土的性能，本试验选用的是RW-PC 型聚羧酸高效减水剂。

1.3 试验配合比设计

塑性混凝土参数设计要求（28 d 龄期）：抗压强度≥2.0 MPa，且≤5.0 MPa；弹性模量≤500 MPa；渗透系数K≤1×10-6cm/s。塑性混凝土拌合物密度≥2 100 kg/m3；现场浇筑坍落度180～220 mm，扩展度 340～400 mm[4]。

选取砂率、水泥掺量、膨润土掺量等关键参数作为影响因素进行研究。依据JGJ/T 291—2012《现浇塑性混凝土防渗芯墙施工技术规程》中塑性混凝土配合比设计要求，设定拌合物质量为2 100 kg/m3，综合参照王四巍[5]对塑性混凝土配合比的设计方法及类似工程上选取的配合比参数[6]，拟定水胶比为1.2，膨润土掺量为水泥用量的60%，减水剂掺量为水泥用量的2%，试验配合比见表2。

表2 试验配合比Table 2 Test mix proportion

对各组配合比的混凝土拌合物进行密度试验，均符合≥2 100 kg/m3的要求。依据DL/T 5303—2013《水工塑性混凝土试验规程》对各组进行塌落度、扩展度试验，并分别成型抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量和渗透系数试验用试块。成型的带模试块用塑料布封盖，在（20±5）℃环境中静置3 d 后拆模。拆模后的试件在温度（20±2）℃，湿度95%以上的标准养护室进行养护[7]。

1.4 试验结果分析

1.4.1 混凝土坍落度和扩展度

本试验分别对9 组配合比的塑性混凝土拌合物的坍落度和扩展度进行试验，试验结果见图1和图2。试验结果表明：在水胶比和膨润土掺量一定的情况下，随着砂率的增加，坍落度和扩展度均逐渐降低[8]，当水泥掺量在150 kg/m3时，坍落度和扩展度曲线最低，水泥掺量在190 kg/m3时最高，说明随着水泥用量的增加，坍落度和扩展度逐渐增大。

图1 不同水泥用量坍落度随砂率变化曲线Fig.1 Sloughing degree curve of different cement content with sand rate

图2 不同水泥用量扩展度随砂率变化曲线Fig.2 Expansion degree curve of different cement content with sand rate

1.4.2 混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度

本试验分别对9 组配合比的塑性混凝土拌合物成型100 mm×100 mm×100 mm 的抗压强度试块和150 mm×150 mm×150 mm 的劈裂抗拉试块各1组，每组3 个试块，在到达28 d 龄期时进行相关试验[9]，试验结果见图3 和图4。试验结果表明：在水胶比、膨润土掺量和水泥用量一定的情况下，随着砂率的增加，抗压强度和劈裂抗拉强度均逐渐降低，但降低幅度不是十分明显，说明砂率对混凝土强度的影响不是很大；在砂率一定的情况下，随水泥用量的增加，抗压强度和劈裂抗拉强度逐渐增大，且该影响效果明显。

图3 不同水泥用量抗压强度随砂率变化曲线Fig.3 Compressive strength curves of different cement content with sand rate

图4 不同水泥用量抗拉强度随砂率变化曲线Fig.4 Tensile strength curve of different cement content with sand rate

1.4.3 混凝土弹性模量

本试验分别对9 组配合比的塑性混凝土拌合物成型150 mm（直径）×300 mm（高）的试块1 组，每组6 个试块，在到达28 d 龄期时，对其中3 块进行轴心抗压强度试验，对另外3 块进行弹性模量试验，通过计算处理得出试验结果如图5 和表3 所示。

图5 不同水泥用量弹性模量随砂率变化曲线Fig.5 Elastic modulus curve of different cement content with sand rate

表3 弹性模量试验结果Table 3 Test results of elastic modulus MPa

试验结果表明：在水胶比、膨润土掺量和水泥用量一定的情况下，混凝土弹性模量随着砂率增加而增大，在50%时达到最大，而后随砂率增加而减小，但影响幅度较小；在砂率一定的情况下，随水泥用量增加而增大，且该影响效果明显。

1.4.4 混凝土渗透系数

本试验分别对9 组配合比的塑性混凝土拌合物成型规格为上口直径175 mm，下口直径185 mm，高150 mm 的试块1 组，每组6 个试块，到达28 d 龄期时对其进行渗透系数试验[10]，通过计算处理得出试验结果如表4 和图6 所示。

表4 渗透系数试验结果Table 4 Test results of permeability coefficient 10-8 cm/s

图6 不同水泥用量渗透系数随砂率变化曲线Fig.6 Permeability coefficient curve of different cement content with sand rate

试验结果表明：在水胶比、膨润土掺量和水泥用量一定的情况下，机制砂塑性混凝土的渗透系数随着砂率增加而降低，在50%时达到最小，而后随砂率增加而升高；在砂率一定的情况下，随水泥用量增加而降低，砂率和水泥用量对渗透系数的影响效果均明显。

1.5 设计配合比确定

综合以上各组试验结果分析后，塑性混凝土砂率50%、水泥用量170 kg/m3时，其各项性能经检测均达标。因此，选定试验编号为PC5 的配合比作为此工程机制砂塑性混凝土设计配合比，每m3混凝土各材料用量为：水泥170 kg，膨润土102 kg，机制砂750 kg，碎石750 kg，水326 kg，减水剂3.4 kg。对混凝土各性能进行试验验证，均符合设计及规范要求。

2 机制砂塑性混凝土质量控制要点

1）塑性混凝土原材料进场应有齐全的质量证明文件，开工前对原材料进行全参数检测，保证原材料质量满足设计要求，尤其控制机制砂石粉含量小于15%和膨润土含水率小于10%。

2）每工作班混凝土开盘鉴定前，应检测机制砂、碎石和膨润土的含水率。各材料称量误差范围按规范控制。

3）由于皮带机传送骨料和膨润土时会润湿传送带，导致部分膨润土粘在表面，实际进入搅拌机的膨润土量变少，所以膨润土宜采用湿掺法，按照配合比用量将水和膨润土提前拌制成均匀的泥浆。

4） 原材料投料顺序宜为机制砂、水泥、碎石、膨润土泥浆和减水剂。搅拌时间按普通混凝土控制即可。

5）咬合桩塑性混凝土浇筑应连续，因故中断时间不宜超过40 min，混凝土坍落度和扩展度的控制应考虑其经时损失值。

3 结语

通过对大连湾海底隧道建设工程干坞子项工程塑性混凝土咬合桩典型施工段进行钻芯取样及压水试验检测，得出咬合桩塑性混凝土渗透系数平均1.38×10-7cm/s。根据典型施工阶段成型试块检测得出抗压强度平均3.58 MPa，劈裂抗拉强度平均0.44 MPa，弹性模量平均461 MPa。选取三个具备条件区域进行开挖至原地面以下-2 m，桩身质量判定合格，咬合处塑性混凝土无缺陷，对20%数量的咬合桩进行低应变桩身完整性检测，全部合格。以上检测结果验证了机制砂塑性混凝土咬合桩质量满足设计要求，塑性混凝土的软咬合形式也大大提高了钻孔施工效率；机制砂塑性混凝土在干坞工程止水咬合桩中的应用十分成功，质量效果良好，进度控制合理，经济效益显著，可为相关工程提供借鉴。