超缓释型聚羧酸系减水剂在超长保坍混凝土中的应用研究
仲从春1，2 梅海峰1，2 李婷1，2
1. 中国建筑材料科学研究总院有限公司 2. 中建材中岩科技有限公司
摘 要：本文结合江西蒙华铁路赣江特大桥岩溶桩基项目灌桩施工情况，为达到混凝土超长时间保坍，并满足混凝土力学性能要求，采用SR-1超缓释型聚羧酸系减水剂及其他组分进行复配，研究其在超长保坍混凝土中的应用。结果表明，SR-1超缓释型聚羧酸系减水剂对混凝土的凝结时间及抗压强度无负面影响。复配后的外加剂能够制备出初始坍落度大于240mm，12h坍落度在180mm以上的超长保坍灌桩混凝土。对于超保坍的混凝土中作为缓凝组分的糖类不可过量，否则会导致混凝土无强度，严重影响工程质量安全。
关键词：岩溶地区 超保坍混凝土 超缓释型聚羧酸系减水剂
一、引言
目前，现浇灌注桩已经成为了公路、铁路、桥梁、超高层建筑等工程领域日益重要的一种桩基础。超长桩的施工难度极大，质量安全事故得不到很好地控制，对于灌注桩的混凝土性能提出了较高的要求[1-2]。由于岩溶地区的特殊性，在岩溶地区进行超长桩的浇筑更为困难，对于施工设备、施工工艺及混凝土的性能要求更为严格苛刻。
蒙华铁路吉安赣江特大桥岩溶桩基项目地处赣江滩涂地段，地表层为黏土、砂卵石、细圆砾石等易坍塌等地层。中下部为岩溶发育区，溶洞多为串珠状，最大的溶腔高度可达50m。蒙华项目部引进了先进的全回转全套管钻桩设备以完成此项任务，该设备能很好地解决在岩溶地区出现的泥浆护壁不适用、斜岩面的处理及垂直度较难控制、溶洞中的卡钻掉钻等施工难题。桩基混凝土设计标号为C35，有效桩长70~90m，桩径为1.5m，桩长合计837.5m。施工采用的钢套管及刀头需特别定制，由于设备造价高，所以对混凝土的质量提出了更高的要求。
搅拌站距离浇筑现场约有1h车程，运输距离较远，且由于岩溶桩基存在溶腔，为保证桩基的充实性且无冷浇缝，单桩需连续浇筑时间为12h甚至更久。在施工过程中，需要在混凝土初凝之前起拔钢护筒，以保证混凝土和套管壁完全脱离，防止混凝土初凝导致钢护筒脱落。在不改变原有混凝土配合比的情况下，采用SR-1超缓释型聚羧酸系减水剂复配的外加剂配制混凝土，研究其对混凝土的凝结时间、坍落度损失及强度的影响。
二、实验部分
1.实验原材料
胶凝材料：江西上高南方P·O 42.5级水泥；芦溪金恒Ⅱ级粉煤灰。
粗骨料：永丰金顺采石场生产的5~10mm；10~20mm；16~31.5mm人工破碎石；
细骨料：吉安大洲上天然砂场生产的细度模数为2.7中砂。
外加剂：（1）SR-1超缓释型聚羧酸系减水剂[3]，自产，固含量为40%，减水率8%；（2）HL-700高减水型聚羧酸系减水剂，自产，固含量为40%，减水率27%；（3）ZY-XP1型消泡剂，自产，液体；（4）ZY-YQ1型引气剂，自产，液体；（5）ZY-XW型增稠保水剂，自产，粉体；（6）葡萄糖酸钠，市购工业品级；（7）白糖，市购食用品级。
2.灌桩混凝土配比及性能要求
因该项目的特殊性，采用特制的全回转全套管钻桩机械设备，对混凝土的性能指标要求较高。为保证施工质量，灌桩混凝土的配合比按照JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》进行设计，具体配比如表1所列，实验室使用的混凝土配合比与现场浇筑采用的混凝土配合比相同，混凝土的性能指标如表2所列：
表1 灌桩混凝土配合比（kg/m3）
水泥
粉煤灰
砂
小石
中石
大石
水
外加剂
307
131
765.4
202.92
405.84
405.84
162
8.76
表2 灌桩混凝土主要性能指标
序 号
参 数
性能指标
1
初始坍落度（mm）
220±20（现场浇筑检测控制范围）
2
12h后坍落度（mm）
180±20（现场浇筑检测控制范围）
3
初始扩展度（mm）
500±50（现场浇筑检测控制范围）
4
泌水率（%）
≤1.2
5
凝结时间（min）
终凝不得大于24h
6
含气量（%）
3~5
7
7d抗压强度
≥28 MPa（实际抗压值）
8
28d抗压强度
≥40 MPa（实际抗压值）
3. 实验方法
（1）依照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能实验方法标准》测定了灌桩混凝土的坍落度、坍落度经时损失、扩展度、凝结时间、泌水率等相关实验。
（2）依照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能实验方法标准》测定灌桩混凝土的抗压强度。
4. 实验结果及分析
采用HL-700减水剂进行混凝土试拌，即对照组。该混凝土的主要问题是1h的经时损失比较大，凝结时间较快，与实验室要求的混凝土技术指标差距过大。采用HL-700与SR-1复合使用，复配时添加一定量的葡萄糖酸钠、白糖、消泡剂、引气剂及增稠保水剂等，外加剂配比如表3所列。混凝土初始状态及12h后的混凝土状态如图1、图2所示。
表3 外加剂配比
编号
HL-700（%）
SR-1（%）
葡萄糖酸钠
白糖
消泡剂
引气剂
增稠保水剂
对照组
5
0
0
0
0
0
0
1#
5
0
20
30
0.4
0.6
0
2#
5
0
60
100
0.4
0.6
0.8
3#
0
8
20
30
0.4
0.6
0.8
4#
0
12
20
30
0.4
0.6
0.8
5#
4
6
20
30
0.4
0.6
 |
 |
|
图1 初始混凝土状态 |
图2 12h后混凝土状态 |
现场实验是基于表1中的灌注桩混凝土配合比进行实验，灌注桩混凝土性能测试实验结果如表4所列。
表4 灌注桩混凝土性能
试样编号
坍落度（mm）
凝结时间（h:min）
抗压强度（Mpa）
初始
1h
6h
12h
初凝
终凝
7d
28d
对照组
225
130
0
0
3:10
4:03
34.6
45.9
1#
245
200
40
0
6:35
7:40
34.3
47.2
2#
230
220
195
165
20:35
24:20
1.8
3.6
3#
195
220
175
0
9:23
11:31
36.1
42.3
4#
225
200
160
0
9:30
11:52
35.2
45.0
5#
240
230
200
185
15:45
17:19
34.1
44.4
图3 混凝土静置20min状态
图4 混凝土静置1h后状态
实验数据表明对照组单采用HL-700进行配制时，仅能保坍1h左右。添加适量的缓凝组分可以延长混凝土的保坍时间，减少混凝土的坍落度损失，但混凝土的保坍时间仍然不满足设计要求，并且静置后会出现泌水泌浆问题，混凝土表面并伴有大量的气泡出现如图3、图4所示。大幅度提高葡钠、白糖等缓凝组分来弥补保坍时间并添加适量增稠保水组分来降低泌水泌浆等问题，最终能够达到20h以上超长时间保坍，混凝土泌水泌浆情况得到良好的改善，但会造成混凝土无强度，对于工程具有极大的危害性，严重影响工程施工质量安全。
单掺SR-1后，缓凝组分可大幅度降低，仍未达到理想中的超长时间保坍，出机混凝土的流动性会随着SR-1掺量的增大而增大，SR-1掺量不足时，会出现初始坍落度不够，静置半小时后混凝土和易性良好，当混凝土坍落度达到220mm以上时，会出现置后拔底现象。分析原因是由于SR-1为超缓释型聚羧酸系减水剂具有缓慢吸附的特性，其减水率低，单纯依靠SR-1的用量来满足初始流动性，易出现置后拔底反大泌水等现象，导致混凝土和易性不良等情况，此种情况会导致搅和站在混凝土质量控制上不易把控。
采用SR-1和HL-700按照一定比例进行复配，其保坍效果优于单独使用其中任意一种聚羧酸系减水剂的保坍效果。由HL-700提供初始减水率保证混凝土具有良好的出机流动性，由SR-1提供后期持续性保坍，并掺加一定比例的白糖及葡萄糖酸双组分缓凝剂以延长其保坍时间，采用增稠保水组分降低其水分散失，可实现混凝土12h以上超长时间保坍及良好的泵送性（坍落度在180mm以上）。
三、现场浇筑质量管控
混凝土的性能指标是否能满足设计和施工要求是钻孔灌注桩成功施工的前提和关键。因此对混凝土生产质量控制，施工工艺要求较高[4-7]。
1.混凝土质量控制
混凝土的拌制严格按照实验配合比如表1所列进行配制，外加剂采用表3所列的5#配方，混凝土所使用的粗骨料原材在进场后进行清洗处理，如图5、图6所示。搅拌时间控制在3~5min，出机时严格把控，混凝土和易性良好、坍落度达标后再进行浇筑，每批次留样观测其保坍时间，测定其初凝时间，测试结果如表5所列。
表5 搅拌站混凝土性能指标
取样编号
坍落度（mm）
凝结时间（h:min）
抗压强度（MPa）
初始
1h
12h
初凝
终凝
7d
28d
1
250
240
170
16:07
18:05
33.8
42.1
2
255
235
180
16:24
18:38
33.0
40.9
图5 现场清洗
图6 骨料清洗后状态
拌和站经过控制原材质量并严格按照实验室要求进行混凝土的配制，最终测得的混凝土性能指标与实验室做出的试验指标相差无几，均满足混凝土设计指标。
2.现场控制
（1）在浇筑混凝土之前，将导管放置在套管内，采用导管灌注的方式可以防止混凝土浇筑过程中出现离析、碰撞钢筋笼及孔壁等情况。图7、图8为现场混凝土浇筑情况及现场浇筑混凝土状态。
（2）灌注开始后应连续施工，严禁中途停工。随时测量混凝土上表面的实际高度并计算导管的埋深，确保导管底端埋入混凝土表面下方2~4m，然后开始拔管。避免埋深过大造成导管拔不出或导管脱落，同时埋深也不能过小，避免钢筋笼产生上浮或导管拔出混凝土面造成断桩事故。
（3）随混凝土面上升拔高套管和导管，逐步拆除套管和导管。根据导管的埋深情况，每次移除一至两个导管时，导管应立即冲洗干净以备下次使用。当提升套管时，慢慢上拔并向左和向右来回摇晃，使混凝土能流入套管所占的空间，以保证混凝土具有较高的的充盈系数。
图7 混凝土灌注
图8 现场浇筑混凝土状态
（4）为了保证桩顶混凝土的质量，将混凝土灌注到桩顶，超过设计标高1m以上。在上拔最后一节套管前，测定当前浇筑的混凝土表面高程，估量所需混凝土方量，以确保满足桩顶设计标高和超灌要求，同时也避免了不必要的浪费。完全拔出套管和导管后，桩顶混凝土浇筑不良的部分要进行清除处理，以确保设计范围内的桩体不会受损，不留松散层。
四、结语
1.在外加剂复配的过程中使用糖类缓凝组分时必须注意使用量，切不可多用，否则会造成混凝土不凝结及后期无强度，造成重大工程质量安全事故。
2.SR-1减水剂对混凝土的凝结时间及抗压强度无不利影响。
3.SR-1具有缓慢释其分散作用的特点，与HL-700复合使用，可明显提高混凝土的保坍性能，降低混凝土坍损，达到混凝土超长保坍效果。
4.本试验研究成功解决了蒙华铁路岩溶地区超长超保坍灌注桩的浇筑难题，研究成果可为以后相类似的工程提供一定的参考。
参考文献
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