王開強，周環(huán)宇，巴 鑫，宋萬鵬，吳全龍

(中建三局集團有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

地下連續(xù)墻技術起源于歐洲，根據(jù)石油鉆井使用泥漿護壁和水下澆筑混凝土的方法發(fā)展而來。1920年，德國首先提出地下連續(xù)墻技術專利，20世紀50年代，地下連續(xù)墻技術傳入我國和日本。目前日本已成為地下連續(xù)墻技術應用最廣泛的國家，在設計和施工方面均處于世界領先水平[1-2]。作為目前最佳的擋土、止水結構，地下連續(xù)墻一經(jīng)問世便在世界范圍內(nèi)迅速得到推廣[3]。然而受槽壁穩(wěn)定性、成槽設備及鋼筋籠吊重等多種因素限制，地下連續(xù)墻一般設計為由標準寬度的單元墻體搭接組成，施工中需分幅成槽和泥漿護壁，導致施工過程中存在較多接縫及廢棄泥漿，接縫若處理不當將嚴重影響地下連續(xù)墻止水功能，甚至導致墻體破壞引起基坑事故，而廢棄泥漿綠色化處置也是目前亟待解決的難題[4-5]。

基于常規(guī)地下連續(xù)墻存在的施工縫滲漏等風險及現(xiàn)有水泥土攪拌墻技術特點，創(chuàng)新性地提出同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻技術(synchronous cutting and pouring concrete wall，簡稱SCP)[6]。該技術不僅解決了常規(guī)地下連續(xù)墻存在的施工風險，而且通過連續(xù)澆筑混凝土形成無冷縫的地下連續(xù)墻，切割排土與混凝土澆筑同步進行，高效快速作業(yè)，徹底解決接縫滲漏風險，同時大幅度減少廢棄泥漿的產(chǎn)生，符合國家戰(zhàn)略和綠色施工理念。

1 SCP技術原理

將施工作業(yè)區(qū)段分為鋸割排土段、超緩凝混凝土澆筑段和骨架后置段，利用隔離裝置隔離前側鋸割排土段松散土體與后側超緩凝混凝土，通過切割箱連續(xù)切割外排土體釋放空間，并不斷補充澆筑隔離裝置后側的超緩凝混凝土，利用未凝固狀態(tài)混凝土的側壓力頂推切割箱和隔離裝置整體向前行進，向混凝土澆筑段未凝固混凝土內(nèi)及時跟進下放勁性骨架，形成無縫勁性骨架混凝土地下連續(xù)墻。簡單概括為鋸割成槽、連續(xù)排土、隨同澆筑、土-混凝土隔離、后置骨架。SCP技術原理及首臺樣機如圖1所示。

圖1 SCP技術原理及首臺樣機

基于上述工藝原理，隨同澆筑的混凝土需具備以下功能：①維持槽壁穩(wěn)定；②提供裝備靜推壓力；③便于骨架后置；④基坑開挖后抵抗土體變形。因此，適用于SCP技術的混凝土具有以下特點：①凝結時間長，確保一定長度范圍內(nèi)的混凝土具有較好的流動性，保證后置骨架的順利貫入和提供穩(wěn)定的靜推壓力；②良好的工作性能；③強度符合設計要求。針對上述特點，需開展超緩凝混凝土澆筑工藝參數(shù)和配合比設計研究。

2 超緩凝混凝土工藝參數(shù)研究

2.1 假設條件

為分析超緩凝混凝土澆筑工藝參數(shù)，建立隨同澆筑混凝土計算模型，模型滿足以下假設條件。

1)初始狀態(tài)下，槽段內(nèi)超緩凝混凝土高度不高于槽段深度，且不能低于槽壁穩(wěn)定的安全深度，此處為方便確定混凝土澆筑范圍，假定混凝土高度等于槽段深度。

2)掘進狀態(tài)下，研究對象范圍內(nèi)超緩凝混凝土仍處于完全流動狀態(tài)，未超過初凝時間，因此存在一個臨界長度確保該段槽段內(nèi)混凝土仍存在流動性。

3)該槽段內(nèi)流動態(tài)混凝土處于同一高度范圍，不考慮新舊混凝土流動性差異的影響。

4)通過初步澆筑試驗確定混凝土流動分布存在一定傾角，為方便模型分析，此處分析假定流動傾角為固定角度。

2.2 計算模型

超緩凝混凝土澆筑工藝參數(shù)及所需性能與整個施工工藝密切相關，經(jīng)初步分析，主要因素包括設備掘進速度v、地下連續(xù)墻深度范圍內(nèi)完全流動態(tài)混凝土長度L0、完全流動態(tài)混凝土影響范圍Lf、新掘進段長度L、混凝土流動分布傾角α、地下連續(xù)墻設計深度h0、安全高度h1和地下連續(xù)墻設計寬度d0等?；赟CP技術的超緩凝混凝土澆筑工藝計算模型如圖2所示。

圖2 超緩凝混凝土澆筑工藝計算模型

初始狀態(tài)下地下連續(xù)墻槽段內(nèi)已澆筑混凝土體積為：

(1)

設備掘進一段距離L后，新掘進的槽段由已有混凝土填充，因此混凝土液面將下降一定高度，當下降高度達到或超過安全高度h1時，槽壁將存在安全風險，需及時補充超緩凝混凝土以滿足槽壁掘進需求。根據(jù)幾何關系此時有：

(2)

L=vt

(3)

(4)

式中：t為設備掘進時間(h)。

聯(lián)立式(1)～(4)，可得確保設備正常橫向掘進過程中超緩凝混凝土澆筑參數(shù)的控制模型，即超緩凝混凝土澆筑節(jié)點及澆筑量計算式為：

(5)

Vc=vth0

(6)

為保證在完全流動態(tài)混凝土區(qū)段內(nèi)的混凝土流動性，即不超過初凝時間，根據(jù)同步切割澆筑特點，相同時間內(nèi)切割掘土量與混凝土澆筑量相同：

(7)

整理式(7)可得所需初凝時間計算為：

(8)

本文中只研究同步切割澆筑工藝下混凝土所需的凝結時間。

切割深度取值應結合本設備的掘進能力確定，該設備的成墻深度>40m，因此結合常規(guī)地下連續(xù)墻深度和本設備技術指標確定地下連續(xù)墻設計深度h0取值范圍為：20m≤h0≤50m。

初始狀態(tài)下已澆筑混凝土段長度L0需結合超緩凝混凝土材料性能、澆筑工藝和后置勁性骨架工作面要求等確定，需保證在已澆筑段長度內(nèi)混凝土不發(fā)生凝固，保持一定的流動性，基于現(xiàn)有混凝土澆筑設備和工程經(jīng)驗，其取值范圍為：20m≤L0≤40。

設備掘進速度v根據(jù)設備的額定橫移速度和施工工藝的合理要求取值為：0.2m/h≤v≤0.6m/h。

根據(jù)初步混凝土澆筑模擬試驗確定混凝土存在一定流動分布傾角，但暫無法確定具體傾角大小，計算模型中暫設定流動分布傾角取值：30°≤α≤60°。

2.3 參數(shù)分析

采用控制變量法對影響混凝土初凝時間的因素進行參數(shù)分析。

2.3.1地下連續(xù)墻設計深度

假定地下連續(xù)墻深度范圍內(nèi)完全流動態(tài)的混凝土長度L0=20m，掘進速度v=0.6m/h，混凝土初凝時間tf與地下連續(xù)墻設計深度h0的關系如圖3所示。

圖3 tf與h0的關系

由圖3可知，混凝土初凝時間與地下連續(xù)墻設計深度呈線性正比例關系，設計深度越大，所需混凝土初凝時間越長；相同設計深度下，混凝土凝結時間隨混凝土流動分布傾角的增大而減小。

2.3.2掘進速度

假定地下連續(xù)墻深度范圍內(nèi)完全流動態(tài)的混凝土長度L0=20m、地下連續(xù)墻設計深度h0=40m，混凝土初凝時間tf與掘進速度v的關系如圖4所示。

圖4 tf與v的關系

由圖4可知，混凝土的初凝時間與掘進速度呈反比例關系，掘進速度越快，所需混凝土初凝時間越短，且變化趨勢隨之逐漸變緩；,相同掘進速度下，混凝土凝結時間隨混凝土流動分布傾角的增大而減小，且傾角越大，凝結時間降低趨勢越緩慢。

2.3.3地下連續(xù)墻深度范圍內(nèi)完全流動態(tài)混凝土長度

假定地下連續(xù)墻設計深度h0=40m，掘進速度v=0.6m/h，混凝土初凝時間tf與地下連續(xù)墻深度范圍內(nèi)完全流動態(tài)混凝土長度L0的關系如圖5所示。

圖5 tf與L0的關系

由圖5可知，混凝土的初凝時間與地下連續(xù)墻深度范圍完全流動態(tài)混凝土長度呈線性正比例關系，地下連續(xù)墻深度范圍完全流動態(tài)混凝土長度越長，所需混凝土初凝時間越短；相同流動態(tài)混凝土長度下，其流動分布傾角越大，混凝土凝結時間越短。

2.3.4混凝土流動分布傾角

假定地下連續(xù)墻設計深度h0=40m，地下連續(xù)墻深度范圍內(nèi)完全流動態(tài)混凝土長度L0=20m，掘進速度v=0.6m/h，混凝土初凝時間tf與混凝土流動分布傾角α的關系如圖6所示。

圖6 tf與α的關系

由圖6可知，混凝土的初凝時間與流動分布傾角呈反比例關系，流動分布傾角越大，所需混凝土初凝時間越短。

綜上分析，混凝土緩凝時間與地下連續(xù)墻設計深度、地下連續(xù)墻深度范圍內(nèi)完全流動態(tài)混凝土長度、掘進速度及混凝土流動分布傾角等因素密切相關。由于本項技術為全新工藝，無可參考案例，為確保SCP技術的施工連貫性，結合現(xiàn)有超緩凝混凝土技術和施工過程中可能存在的故障檢修、緊急處理等問題，超緩凝混凝土的凝結時間初步設定為：初凝時間≥60h，終凝時間≤72h。

3 超緩凝混凝土配合比設計

3.1 擬解決的關鍵技術問題

根據(jù)SCP技術工藝原理和混凝土參數(shù)要求，超緩凝混凝土配制需解決的關鍵技術問題為：①拌合物凝結時間控制；②拌合物工作性控制；③拌合物強度控制。

根據(jù)上述關鍵技術問題及施工經(jīng)驗，擬配制的超緩凝混凝土需滿足的技術指標要求如表1所示。

表1 超緩凝混凝土技術指標要求

3.2 原材料選型

水泥選用P·O42.5水泥，其物理力學性能如表2所示。礦渣粉為S95級。微硅粉含硅量≥80%。玻璃微珠為I級。細骨料中機制砂細度模數(shù)為3.3，含水率為9%；江砂細度模數(shù)為1.1，含水率為10%；黃砂細度模數(shù)2.4，含水率3%。粗骨料選用5～15mm青石，壓碎值為10.4%。聚羧酸減水劑選用聚羧酸減水劑母液，包括減水型、綜合型、保坍型、降粘型及引氣、消泡等功能型助劑，成品外加劑是由多種母液定制化復配得到。有機緩凝劑采用白糖、葡萄糖酸鈉等；無機緩凝劑采用多聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉、檸檬酸、羥基乙叉二膦酸等。

表2 水泥物理力學性能

3.3 緩凝劑組分對水泥砂漿水化溫升的影響

3.3.1緩凝劑初篩

基于不同緩凝劑的緩凝機理和緩凝效果的差異性，開展緩凝劑的種類和用量試驗，在水泥砂漿中外摻具有緩凝作用的不同緩凝劑，并測試砂漿絕熱條件下的水化溫升，再遴選出有效組分進行復摻試驗，確定最終緩凝劑配方。

基于上述研究思路，開展HEDP、白糖、葡萄糖酸鈉、檸檬酸、三聚磷酸鈉及六偏磷酸鈉6種具有緩凝效果的緩凝劑單摻試驗，0.1%緩凝劑摻量下水泥砂漿的水化溫升曲線如圖7所示。由圖7可知，相比于未摻加緩凝劑的砂漿，在相同摻量下，幾種緩凝組分均有較明顯的延緩水泥水化絕熱溫升的作用，但作用強度有明顯區(qū)別，白糖和HEDP對絕熱溫升峰值具有明顯的削弱作用，考慮到本次試驗要求混凝土具有較長的緩凝時間，綜合比對后選用白糖和HEDP作為后續(xù)試驗緩凝劑復摻組分。

3.3.2緩凝劑復摻設計

基于上述緩凝劑單摻試驗結果，開展白糖和HEDP 2類緩凝劑復摻的水泥砂漿水化溫升試驗，不同比例復摻緩凝劑水泥砂漿的水化溫升曲線如圖8所示。

圖8 不同比例復摻緩凝劑水泥砂漿的水化溫升曲線

由圖8可知，緩凝劑復摻量較小時，水化溫升曲線峰值較高，緩凝效果作用不明顯，砂漿內(nèi)部仍在進行劇烈的水化反應。當緩凝劑復摻量較大時，以0.3%HEDP+0.3%白糖摻量為例，水泥砂漿的水化溫升峰值明顯降低且延后，溫升曲線更為平緩，表明砂漿內(nèi)部水化反應由原來的較集中向更平緩的趨勢發(fā)展，這對提高混凝土緩凝時間、延緩水泥水化反應更有利。基于試驗結果，本次超緩凝混凝土配制中緩凝劑配方采用0.3%HEDP+0.3%白糖摻量配合比。

3.4 配合比設計及試配試驗

根據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》，混凝土強度等級為C30，最大水膠比為0.6，最小膠凝材料用量為350kg/m3。根據(jù)超緩凝混凝土的特殊和易性要求，取總膠材用量400kg/m3，水膠比0.6，設計用水量為240kg/m3，計算得到的基準配合比為：水泥∶礦粉∶玻璃微珠∶微硅粉∶砂∶石∶水∶外加劑=120∶130∶100∶50∶922.1∶851.1∶230.4∶6.4(kg·m-3)。

在基準配合比的基礎上，開展超緩凝混凝土的試配試驗，試驗內(nèi)容包括以下方面。

1)選用合適的機制砂、江砂、黃砂比例，使混合砂達到II區(qū)中砂性能指標，滿足坍落度、黏聚性和飽水性要求。

2)調(diào)整外加劑用量和用水量，使出機拌合物的坍落度、擴展度、黏聚性和飽水性均滿足設計要求。

3)對緩凝劑進行復摻試驗，使混凝土拌合物滿足長時保坍、60h未達初凝，且仍具有一定的流動性。

經(jīng)過多次試配及調(diào)試，滿足技術指標的超緩凝混凝土拌合物性能指標如表3所示。根據(jù)試驗結果，該拌合物具有良好的工作性能，60h后坍落度和擴展度仍能達到210，480mm，流動性較好，滿足后置骨架的時間要求。其抗壓強度變化規(guī)律與常規(guī)混凝土存在一定差異，在養(yǎng)護早期階段混凝土強度增長較慢，28d齡期后能達到30.1MPa，這與早期緩凝劑的長效緩凝作用有關?；诙啻卧嚺湓囼灱敖Y果分析，滿足SCP技術要求的超緩凝混凝土試驗配合比如表4所示。

表3 混凝土拌合物性能指標

表4 超緩凝混凝土試驗配合比

3.5 超緩凝混凝土現(xiàn)場澆筑

基于實驗室試配結果，于2021年6月18日在湖北廣電項目開展SCP技術超緩凝混凝土的現(xiàn)場澆筑試驗，現(xiàn)場澆筑過程為：混凝土泵送→現(xiàn)場坍落度測試→現(xiàn)場擴展度測試→混凝土澆筑→鋼筋籠后置→同條件養(yǎng)護試塊。

現(xiàn)場澆筑完成后，將混凝土拌合物裝入150mm×150mm×150mm模具中，成型標準試塊分別放于標準養(yǎng)護和同條件養(yǎng)護環(huán)境中，測試其不同齡期強度發(fā)展規(guī)律。不同養(yǎng)護條件及制作條件下混凝土強度發(fā)展對比結果如圖9所示。由圖9可知，拌合站生產(chǎn)線生產(chǎn)的混凝土各齡期強度發(fā)展略低于實驗室，這與實驗室配制混凝土時材料用量控制較精確有關，但總體強度發(fā)展良好，28d內(nèi)強度發(fā)展基本符合預期設計要求。

圖9 不同養(yǎng)護條件及制作條件下混凝土強度發(fā)展對比

4 結語

同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻技術對混凝土的凝結時間和工作性能提出了較高的要求。本文基于超緩凝混凝土澆筑工藝參數(shù)研究，詳細分析了影響混凝土凝結時間的各項因素，考慮到SCP技術的連貫性和現(xiàn)場可能存在的問題，提出初凝時間≥60h、終凝時間≤72h的混凝土凝結時間要求?；诖艘螅_展混凝土緩凝劑選型及復摻設計，配制高流態(tài)超緩凝混凝土，并成功應用于同步切割澆筑混凝土連續(xù)墻工藝驗證試驗中，取得了良好的效果。