劉全軍

(中鐵十七局集團(tuán)第五工程有限公司，山西 太原 030024）

0 引言

火山灰作為一種混凝土摻合料，目前在道路工程、水利水電大壩工程中已有使用[1]。多項(xiàng)試驗(yàn)研究結(jié)果表明，火山灰作為混凝土的摻合料，對(duì)混凝土的性能改善、成本降低、環(huán)境保護(hù)等有諸多優(yōu)勢(shì)。我國目前在鐵路混凝土中已大量使用粉煤灰，且很成熟，但還未大面積推廣應(yīng)用火山灰[2]。在云南地區(qū)，粉煤灰資源稀缺，但當(dāng)?shù)氐幕鹕交屹Y源非常豐富，就地取材，配制水泥火山灰碎石樁(簡(jiǎn)稱CPG樁)十分經(jīng)濟(jì)[3]。借云南大瑞鐵路工程設(shè)計(jì)選用CPG樁的機(jī)會(huì)，探討CPG樁混凝土的配比設(shè)計(jì)和CPG樁的施工工藝，有利于工程建設(shè)效果的提升。

1 工程概況

新建云南大瑞鐵路（大理至瑞麗)保山至瑞麗段DRBRTJ-6標(biāo)段，位于德宏州芒市和瑞麗市境內(nèi)，全長59.739km，設(shè)計(jì)CPG樁78230根。CPG樁設(shè)計(jì)文件要求：樁身采用P·O42.5水泥摻入量不宜大于200kg/m3；摻入活性指數(shù)≥60%的優(yōu)質(zhì)火山灰，摻量為≤150kg/m3；混凝土總膠凝材料用量≥300kg/m3，施工中應(yīng)采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)。坍落度控制標(biāo)準(zhǔn)為：長螺旋鉆孔、管內(nèi)泵壓混合料灌注法為160～200mm，混凝土28d標(biāo)準(zhǔn)立方體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于15MPa，混凝土56d電通量＜1500C。

2 原材料的選擇及配合比設(shè)計(jì)

2.1 原材料

（1）水泥：云南芒市西南水泥有限公司生產(chǎn)的P?O 42.5級(jí)水泥。

（2）天然火山灰：騰沖縣華輝石材有限公司生產(chǎn)；優(yōu)質(zhì)火山灰：保山市恒銀實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)，其技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 天然火山灰和優(yōu)質(zhì)火山灰的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

（3）細(xì)集料1：芒市遮放戶勒采石場(chǎng)生產(chǎn)的機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)3.3，石粉含量6.0%。

（4）細(xì)集料2：畹町九州砂場(chǎng)的河砂，細(xì)度模數(shù)2.7，含泥量0.5%。

（5）粗集料：瑞麗市畹町芒另采砂場(chǎng)的5～20mm碎石，壓碎指標(biāo)值8%，含泥量0.5%。

（6）減水劑：山西黃河新型化工有限公司的聚羧酸高性能減水劑，減水率28%。

（7）水：拌合站井水，依據(jù)TB10424-2010表6.2.7-1檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)的思路：通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)料源的調(diào)查，選擇了一種水泥、一種碎石、一種外加劑，選擇了兩種火山灰和兩種細(xì)骨料，進(jìn)行交叉設(shè)計(jì)、試配，最終做出CPG樁混凝土要求的指標(biāo)，通過工藝性試驗(yàn)選出所需的配合比。

（2）遵循的原則：滿足CPG樁混凝土和易性指標(biāo)，保坍不泌水；滿足技術(shù)指標(biāo)，確保構(gòu)件安全；滿足施工工藝要求，實(shí)現(xiàn)可泵性；滿足經(jīng)濟(jì)原則。

（3）配合比設(shè)計(jì)依據(jù)：CPG樁混凝土的拌合物性能、力學(xué)性能、耐久性分別依據(jù)GB/T50080-2016、GB/T50081-2002和GB/T50082-2009進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)。

（4）不同配伍滿足和易性要求的配合比見表2。

表2 CPG樁混凝土配合比試配

（5）各配合比試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 CPG樁混凝土配合比試配結(jié)果

（6）試配結(jié)果分析。

對(duì)于天然火山灰：當(dāng)摻合料選用天然火山灰時(shí)，CPG樁混凝土拌合物性能及力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求。要滿足每方水泥用量小于200kg，火山灰摻量＞100kg，總膠材用量大于≥300kg的要求；不管采用機(jī)制砂或河砂，混凝土的含氣量均在6%左右，且混凝土出現(xiàn)泌水，坍落度損失過快，混凝土的和易性不好，混凝土電通量均在3000C以上，不能保證現(xiàn)場(chǎng)施工要求；當(dāng)每方水泥用量突破200kg，火山灰的摻量在總膠材用量20%左右時(shí)，混凝土的各項(xiàng)工作性能均滿足設(shè)計(jì)要求，但56d電通量未達(dá)到設(shè)計(jì)要求＜1500C。

對(duì)于優(yōu)質(zhì)火山灰：當(dāng)摻合料選用優(yōu)質(zhì)火山灰時(shí)，采用機(jī)制砂（石粉含量介于6%～10%）試配結(jié)果各項(xiàng)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，且混凝土的電通量明顯降低，但是優(yōu)質(zhì)火山灰生產(chǎn)成本高且產(chǎn)量較小，不能滿足施工實(shí)際需求。

對(duì)于河砂和機(jī)制砂：考慮本地河砂產(chǎn)量有限，且價(jià)格要高于機(jī)制砂，從經(jīng)濟(jì)合理性原則選用機(jī)制砂節(jié)約成本，另外從試驗(yàn)結(jié)果看出，選用河砂時(shí)混凝土的粘聚性較差且包漿不好，不利于現(xiàn)場(chǎng)泵送，摻入機(jī)制砂的混凝土（石粉含量介于6%～10%）粘聚性明顯優(yōu)于摻入河砂的混凝土。

綜上所述：各配合比對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度均大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度，但把膠凝材料調(diào)小后混凝土泌水較嚴(yán)重，無法滿足施工工藝要求；當(dāng)混凝土的含氣量較大時(shí)，電通量也會(huì)增大；除2#配合比坍落度稍小外，其它各配合比均滿足坍落度要求；3#、4#、5#、6#配合比含氣量過大，產(chǎn)生的原因是火山灰摻量較大（火山灰是多孔材料）；7#、8#使用的是優(yōu)質(zhì)火山灰，從結(jié)果看除降低了混凝土的電通量外其它指標(biāo)仍未改善。

結(jié)合全線各配合比試配情況，對(duì)于水泥摻入量不宜大于200kg/m3，可根據(jù)配合比用量調(diào)整，優(yōu)質(zhì)火山灰價(jià)格過高，同時(shí)沒有產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，采用天然火山灰完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)目的。最終采用1#、4#配合比做試樁。

3 試樁施工

3.1 試樁

（1）試樁目的：通過試樁確定混凝土配合比的適應(yīng)性（坍落度、攪拌時(shí)間、灌注時(shí)間間隔等參數(shù)）；確定施工工藝參數(shù)（混凝土灌注速度與提管速度、泵壓、樁頭預(yù)留長度等）；確定機(jī)械與人員配備。

（2）試樁布置選擇：試區(qū)1：試樁樁號(hào)為C1-1、C1-2、C1-3、C1-4共4根，樁徑0.5m，樁間距1.6m，呈正方形布置。試區(qū)2：試樁樁號(hào)為C2-1、C2-2、C2-3、C2-4共4根，樁徑0.5m，樁間距1.6m，呈正方形布置。試樁位置地質(zhì)為表層10m的淤泥質(zhì)土，其下為10.6m的粉質(zhì)黏土?；炷涟韬衔锾涠瓤刂圃?60～200mm，虛樁頭預(yù)留要求不少于50cm，試樁虛樁按照60cm預(yù)留?；旌狭媳盟瓦^程中，鉆桿在混合料內(nèi)埋深保持在15～25cm之間。試樁完成后，28d后做單樁承載力檢測(cè)，進(jìn)一步確定樁基施工工藝參數(shù)。

（3）試樁配合比：選用天然火山灰作為摻合料，細(xì)骨料選擇機(jī)制砂，試區(qū)1采用1#配合比；試區(qū)2采用4#配合比。

3.2 混合料攪拌、運(yùn)輸

混合料攪拌采用混凝土集中拌和，按照配合比進(jìn)行配料，每盤料攪拌時(shí)間控制在120s，混合料坍落度控制在160～200mm。運(yùn)輸采用混凝土罐車運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)。試區(qū)1試樁混合料出機(jī)坍落度185mm，出機(jī)含氣量2.3%，現(xiàn)場(chǎng)坍落度180mm，入模溫度28.1℃，現(xiàn)場(chǎng)含氣量2.4%，35min坍落度損失5mm；試區(qū)2試樁混合料出機(jī)坍落度175mm，出機(jī)含氣量5.0%，現(xiàn)場(chǎng)坍落度170mm，入模溫度28.1℃，現(xiàn)場(chǎng)含氣量5.0%，35min坍落度損失10mm?；旌狭习韬衔镄阅芫軡M足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，且滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需要?，F(xiàn)場(chǎng)采用長螺旋鉆孔、管內(nèi)泵壓混合料灌注法施工，成樁過程連續(xù)無間斷?；旌狭鲜褂昧繛?.1m3，施工中投料量大于設(shè)計(jì)灌注量2.55m3，整個(gè)成樁過程無異常。

4 成樁質(zhì)量檢驗(yàn)

試樁成樁7d，開挖樁頭檢查試樁樁頭外觀質(zhì)量；成樁18d時(shí)，采用低應(yīng)變檢查樁身完整性；成樁28d時(shí)，進(jìn)行單樁地基載荷試驗(yàn)；28d時(shí)在樁體中心處、樁長范圍內(nèi)垂直鉆孔取芯，觀察樁體完整性、均勻性，在樁身上、中、下取不同深度的不少于3個(gè)試樣作抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。樁體檢測(cè)結(jié)果如表4。

表4 成樁檢測(cè)結(jié)果

從試樁施工和成樁質(zhì)量檢測(cè)來看，兩個(gè)配合比均能滿足施工和地基承載力的要求。

5 結(jié)束語

火山灰為多孔結(jié)構(gòu)的粉末材料，當(dāng)摻加量較大時(shí)，混凝土的含氣量較大，導(dǎo)致電通量過大。在一般環(huán)境下，對(duì)電通量無要求時(shí)，火山灰的摻量可以放大，但對(duì)電通量有要求時(shí)，火山灰的摻量受到限制。通過大瑞鐵路CPG樁的施工，火山灰作為樁基處治加固地基的混凝土摻合料完全可行，對(duì)粉煤灰匱乏的云南地區(qū)，采用火山灰替代粉煤灰會(huì)產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。