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新建天津至保定铁路大北环段主要位于天津市北辰区，地层为滨海沉积形成的淤泥质黏土，海水入侵严重，混凝土所处环境为氯盐侵蚀(等级L2)和化学侵蚀(等级H2)。在钢筋混凝土结构中，钢筋容易受到Cl-侵蚀，而使结构失效。本工程桩基混凝土设计使用年限为100年，强度等级为C45水下混凝土，设计坍落度180～220mm，属于大流动性混凝土。 试验室在前期配合比选定时进行了大量的试配工作，根据工程所处施工环境的情况和C45桩基水下混凝土的特点，给出C45桩基水下混凝土配合比参数建议值。目前工程桩基施工进展顺利，已经完成桩基施工4000多根，无断桩、夹泥等现象发生，配合比得到了良好的应用。 1.1工程应用少 目前铁路工程中水下桩基强度等级大多为C30和C35，少数为C40。强度等级C45很少，只有在港珠澳大桥等少数工程中有过应用。工程应用少，没有太多先例和经验可参考。 1.2配制强度高 C45普通配合比按照规范JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》，试配强度需要达到53.2MPa，根据TB10415-2003《铁路桥涵工程施工质量验收标准》，对于水下混凝土，试配强度需要提高15%，即需达到53.2×1.15=61.2MPa。且每立方混凝土胶凝材料和水用量需符合TB/T3275-2011《铁路混凝土》中浆体比的要求(对C45混凝土，浆体比≤0.32)，据此计算，胶凝材料每方上限用量为480kg(水胶比0.33)，加大了配合比设计难度。 1.3矿物掺合料掺量大 掺加矿粉会加大混凝土粘聚性，不利于桩基混凝土施工，所以本工程采用单掺粉煤灰的方案，按照规范要求，粉煤灰掺量为胶凝材料用量的30%～50%。由于粉煤灰活性指数低，因此，要使试配强度满足要求，需采用低水胶比。 1.4要求混凝土流动性大,和易性好，对原材料要求高 由于试配强度高，粉煤灰掺量大，达到配制强度需采用低水胶比，且桩基混凝土要满足施工要求，要求流动性好，坍落度大，对原材料提出很高的要求，在合格的基础上，各项指标尽可能更好。 2.1矿物掺合料掺量选择 粉煤灰活性指数较低，因此配合比设计时在掺量满足规范要求和耐久性能满足设计规范要求的前提下，尽可能降低掺量。 2.2单方混凝土用水量 以往的配合比设计注重水胶比，而忽视了单方用水量这一指标。试验室在进行C45桩基水下混凝土试配时，通过正交试验确定单方用水量对强度也起着重要的作用。控制好混凝土单方水量，同样选择相同水胶比，试配强度满足规范要求，同时经济性也得以提高。 2.3原材料质量重点控制点与说明 C45桩基水下混凝土对原材料要求高，在施工时需要对原材料一些指标进行严格控制。混凝土用原材料质量重点控制点，如表1所示。
水泥宜选用P·O42.5水泥。本工程一开始考虑使用P·O52.5水泥进行试配，但是由于P·O52.5水泥在国内应用并没有P·O425成熟，且需水量较大，故设计时不采用P·O52.5水泥进行试配。粉煤灰活性指数对于混凝土中后期强度影响较大，现有的规范对于此项指标没有要求。参照GB/T1596《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》，粉煤灰活性指数是用28d结果判定的，这样时间太长。根据试验室试验结果，可采用3d活性指数确定，3d活性指数需达到60%以上混凝土中后期强度增长比较理想。 砂子的坚固性不属于常规检测项目，容易被忽视。砂子的坚固性对混凝土强度有着较大影响，本工程现场运用2种砂子，虽然坚固性都合格，但通过比对试验，坚固性指标较好的砂子所拌和的混凝土56d抗压强度增加5.0～7.0MPa。 混凝土用水对混凝土强度有着重要影响。本试验室前期配合比试拌时，混凝土用水取自深度200m的井水，但是56d抗压强度不理想，后来通过水质分析试验发现其28d抗压强度比只有91%，后来换成深度400m的井水，抗压强度比98%，其抗压强度平均增加4.0～5.0MPa。 2.4减水剂选用原则 选择合适的减水剂是C45桩基水下混凝土拌和物性能是否满足要求的关键，因此，下面对减水剂的选用着重加以阐述。 (1)加人减水剂后应使混凝土和易性良好，不离析、不泌水、不“粘底”，并具有一定的粘聚性和流动性，混凝土坍落度测试时浆体能推动粗骨料一起向周围扩散，不出现“浆石分离”现象。 (2)减水剂的保坍时间应满足施工要求，随着施工部位和季节而有所不同。高温施工时，对于保坍时间应严格控制。减水剂的凝结时间尤其是初凝时间需满足施工工艺的要求，对于桩基混凝土，至少满足初凝时间8h以上。 (3)减水剂与胶凝材料的适应性。规范GB50119-2013《混凝土外加剂应用技术规范》对掺加矿物掺合料适应性提出了新的方法。目前聚羧酸高性能减水剂一般与水泥适应性良好，但与粉煤灰有时不适应。本工程在新规范执行之前提出如下方法判断减水剂与胶凝材料(水泥和粉煤灰)的适应性：取胶凝材料500g(比例按照配合比中水泥与粉煤灰比例计算)，水145g，减水剂掺量1%，用水泥净浆搅拌机搅拌后测定流动度，根据净浆直径大小判定减水剂与胶凝材料是否适应。
图1是减水剂与胶凝材料试验后结果，可以看出，图1a减水剂与胶凝材料适应性比图1b适应性要好。结合本工程试验结果与使用效果，适应性不良的净浆直径大多在150～180mm，甚至无流动性，适应性良好的净浆直径一般在230mm以上。 3.1设计方法 C45桩基水下混凝土配合比是基于氯离子扩散系数、抗硫酸盐腐蚀等耐久性要求的配合比设计，因此，应遵循水下混凝土配合比设计方法，即选择水胶比、矿物掺和料掺量、浆体比、砂率等参数，采用假定质量法进行配合比没计，既可科学地指导混凝土的实际施工和过程调整，又便于分析施工中产生问题的原因。 3.2设计过程 根据《铁路混凝土工程施工质量验收标准》(TB10424-2010)、《铁路混凝土结构耐久性设计规范》(TB10005-2010)和《铁路混凝土》(TB/T3275-2011)的要求，环境等级L2，强度等级C45，胶凝材料用量为340～600kg/m3，确定每方混凝土中胶凝材料用量为465kg，减水剂掺量为1.2%，混凝土中粉煤灰掺量为胶凝材料总量的31%，则粉煤灰在每方混凝土中用量为465kg×31%=144kg，水泥用量为465-144=321kg，每方用水量为153kg。砂子细度模数为2.9，砂率取41%，设每方混凝土拌和物的假定重量为2420kg，则砂子每方用量739kg，碎石每方用量1063kg。试配用理沦配合比为：水泥:粉煤灰:细骨料:粗骨料:水:减水剂=321:14:739:1063:153:5.58。试配时增加水胶比0.31和0.35各一组(单方用水量不变)，混凝土配合比的参数、拌和物性能、力学性能和耐久性能指标如表2～4所示。
根据试配结果，从经济性和技术性考虑，施工用理论配合比选择编号为02的配合比参数。结合试验室大量的试配结果，对C45桩基混凝土的参数提出如下建议值，如表5所示，供参考。
混凝土在施工中有着各种各样的问题，对现场施工常见的几个问题进行原因分析，给出解决方案，供参考。 (1)坍落度小，混凝土无流动性 主要原因是减水剂与胶凝材料中粉煤灰不适应，减水剂没有发挥其作用。发现问题后，及时从现场取样，做减水剂与胶凝材料的适应性：试验，找出适应现场胶凝材料的减水剂类型并替换掉原有减水剂，问题得到解决。 (2)混凝土坍落度损失快 混凝土坍落度损失快，出现“假凝”现象，主要原因是减水剂中保坍成分偏少。这种现象一般发生在气温高的夏季，采取避开中午高温施工措施，并且适当增加减水剂中保坍成分。 (3)混凝土泌水 主要原因是减水剂掺量过大，适当降低减水剂掺量。 混凝土中掺加粉煤灰，能有效填充水泥空隙，提高混凝土的流动性，提高混凝土密实性：，增加耐久性。但是对于高标号混凝土，在满足耐久性要求前提下，掺量不宜过大。本次粉煤灰掺量31%，能够满足混凝土耐久性能，且配制强度满足规范要求。C45桩基水下混凝土对原材料要求很高，控制好原材料质量是决定能否顺利施工的关键。 |
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