趙東梁 ，卜繼澤 ，馮先導(dǎo)

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040；2.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，北京 100120；3.中交二航局第三工程有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212021）

0 引言

模袋混凝土在工程中常用于水工護(hù)岸結(jié)構(gòu)[1-2]，因其凝固后能夠與地面緊密貼合及良好的整體性，在海岸、湖泊、河流的護(hù)坡結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較為廣泛[3-5]。同時(shí)模袋混凝土表面具有流線結(jié)構(gòu)，可起到減少水流阻力、降低水壓的作用[6]，因此模袋混凝土在淺海潮間帶的護(hù)坡護(hù)底工程中也有較多的應(yīng)用[5]。但從目前模袋混凝土實(shí)際工程應(yīng)用情況看，國內(nèi)外無論是河流湖泊護(hù)坡還是近岸護(hù)底結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用水深基本小于15 m[3-8]。

本文依托以色列Ashdod 港項(xiàng)目，模袋混凝土在Ashdod 港碼頭主要用于Q27 板樁碼頭前沿和西側(cè)盒子外側(cè)海底床面的防護(hù)（圖1），防止船舶?？繒r(shí)螺旋槳攪動(dòng)對(duì)泊位底部基床的沖刷。單塊模袋長38.2 m，寬4.4 m，鋪設(shè)模袋總寬度839 m，模袋鋪設(shè)高程-17.6 m，模袋厚度為30 cm。

圖1 模袋混凝土側(cè)面結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Typical section of the concrete mattress

作業(yè)水深大帶來的主要問題就是施工過程中混凝土流動(dòng)性控制不好易出現(xiàn)堵管問題，且施工時(shí)間較長，易出現(xiàn)模袋填充率低、混凝土離析、混凝土強(qiáng)度不足等問題，造成水下模袋混凝土填充不密實(shí)[9]。針對(duì)上述問題開展研究，最終優(yōu)化設(shè)計(jì)得出滿足設(shè)計(jì)施工要求的混凝土配合比。

1 配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

混凝土拌合物是一種黏、彈、塑性材料，按流變學(xué)理論，新拌混凝土屬于賓漢姆（Bingham）模型。模袋混凝土的流動(dòng)性、密實(shí)性及強(qiáng)度與原材料性能關(guān)系密切，各主要原材料對(duì)模袋混凝土性能的影響分析及原材料性能如下：

1）天然砂和機(jī)制砂

天然砂采用粒徑較小的河床或海床沙，含泥量3.1%，細(xì)度模數(shù)1.94，密度2 637 kg/m3。機(jī)制砂由石灰?guī)r壓制而成，含泥量2.9%，細(xì)度模數(shù)4.4，密度2 629 kg/m3，最大粒徑可達(dá)10 mm。

2） 水泥

試驗(yàn)選用以色列當(dāng)?shù)仄胀ü杷猁}水泥CEM II/A-M 42.5N，主要性能指標(biāo)如表1 所示。

表1 水泥主要性能指標(biāo)Table 1 The performance of cement

3）外加劑

試驗(yàn)選用外加劑為Chayso 緩凝劑Retarder 1080 和Omega 101，適用于所有類型混凝土。

1.2 配合比試驗(yàn)組次

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)初步給出原材料用量配合比見表2，計(jì)算表2 中天然砂與機(jī)制砂在不同比例調(diào)配時(shí)的累積級(jí)配分布繪制散點(diǎn)圖，與以色列標(biāo)準(zhǔn)[10]和歐標(biāo)[11]要求的極限值對(duì)比，見圖2，2 號(hào)配合比集料顆粒級(jí)配曲線處于要求區(qū)域外，其它配合比集料級(jí)配曲線均處于區(qū)域以內(nèi)，5 號(hào)和6 號(hào)配合比集料級(jí)配曲線處于區(qū)域中間位置，為理想配合比。

表2 初步配合比原材料用量Table 2 Raw materials consumption of the prime mixture ratio kg

圖2 配合比組次級(jí)配分布圖Fig.2 Grain size distribution of mix proportion groups

1.3 配合比試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)表2 中天然砂與機(jī)制砂比例調(diào)配混凝土，通過用水量調(diào)整混凝土流動(dòng)性?；谝陨挟?dāng)?shù)鼗炷猎牧咸匦裕?jīng)過多次現(xiàn)場試驗(yàn)，混凝土流動(dòng)性采用英國Proserve 提供的容量3.64 L、口徑26 mm 的廖錐開展現(xiàn)場試驗(yàn)測(cè)試?；炷涟柚仆瓿芍髾z測(cè)其流動(dòng)性，要求5～6.5 s 混凝土漿體全部流盡，然后靜置，每隔30 min 重復(fù)檢測(cè)其工作性能，這一混凝土流動(dòng)性標(biāo)準(zhǔn)也是針對(duì)模袋混凝土最初配合比，經(jīng)過多次現(xiàn)場實(shí)測(cè)，在Proserve工程師協(xié)助下得到滿足模袋混凝土現(xiàn)場施工和強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)[12]的經(jīng)驗(yàn)值。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，1 號(hào)配合比初始流動(dòng)性為6 s，30 min 后重新攪拌，流動(dòng)性為15 s，大量混凝土黏附在廖錐內(nèi)壁，工作性能差；2 號(hào)配合比初始流動(dòng)性為5.8 s，機(jī)制砂中的大顆粒迅速沉底，混凝土離析現(xiàn)象嚴(yán)重，不適合施工；3 號(hào)配合比初始流動(dòng)性為5.2 s，靜置30 min 后，混凝土產(chǎn)生嚴(yán)重離析現(xiàn)象，重新攪拌后流動(dòng)性為7 s，機(jī)制砂中大顆粒與漿體分離明顯，不適合施工；4 號(hào)配合比初始流動(dòng)性為5.9 s，靜置30 min 后，混凝土產(chǎn)生嚴(yán)重離析現(xiàn)象，重新攪拌后流動(dòng)性為7.2 s，機(jī)制砂中大顆粒與漿體分離明顯但優(yōu)于3 號(hào)配合比，依舊不適合施工；5 號(hào)配合比初始流動(dòng)性為5.3 s，靜置30 min 后，混凝土產(chǎn)生輕微離析現(xiàn)象，重新攪拌后流動(dòng)性為5.7 s，混凝土工作性能良好，后續(xù)重復(fù)檢測(cè)流動(dòng)性分別為6.6 s、7.2 s 和8.3 s，150 min 后混凝土輕微離析但工作性能良好；6 號(hào)配合比混凝土工作性能與5 號(hào)配合比類似，流動(dòng)性依次為 5.1 s、6.0 s、7.1 s、7.9 s 和 8.5 s。

5 號(hào)和6 號(hào)使用原材料比例為最佳配合比。5號(hào)使用更多機(jī)制砂，混凝土拌合物中顆粒較粗，更有利于強(qiáng)度發(fā)展，因此，目標(biāo)配合比選為5 號(hào)。

試驗(yàn)表明，5 號(hào)配合比混凝土在90 min 時(shí)流動(dòng)性為7.2 s，已超過規(guī)定值。施工中，混凝土罐車從攪拌站到施工點(diǎn)至少需要30 min，在道路擁堵情況下甚至?xí)^60 min；模袋混凝土施工中由潛水員在水下17 m 將混凝土從前到后分段注入模袋，混凝土從攪拌站運(yùn)至現(xiàn)場，每車混凝土裝量約8 m3，每30～40 min 完成一車混凝土的澆筑；因此，混凝土至少需在90 min 內(nèi)保持良好的工作性能。試驗(yàn)驗(yàn)證，配合比設(shè)計(jì)中以水泥用量的0.5%加入外加劑Retarder 1080，混凝土120 min時(shí)的流動(dòng)性為6.2 s，滿足施工流動(dòng)性要求。

流動(dòng)性符合要求的對(duì)應(yīng)混凝土水灰比為0.6，水灰比過高導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度偏低，28 d 強(qiáng)度僅26 MPa，小于技術(shù)規(guī)范[12]強(qiáng)度最低要求30 MPa。以水泥用量的0.6%加入減水劑Omega101，將水灰比降至0.5，試驗(yàn)表明28 d 強(qiáng)度達(dá)到34.5 MPa，滿足技術(shù)規(guī)范[12]要求，最終混凝土配合比見表3。

表3 5 號(hào)混凝土配合比Table 3 The mix proportion of No.5 concrete kg/m3

2 混凝土性能現(xiàn)場實(shí)測(cè)

針對(duì)選定的5 號(hào)配合比混凝土進(jìn)行水下現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)位置位于Q27 碼頭CH+215—CH+230段前板樁墻與后錨樁墻之間，試驗(yàn)水深0.6～0.9 m，試驗(yàn)?zāi)４叽?2 m×4.4 m。整個(gè)試驗(yàn)過程填充2 組模袋，一組為標(biāo)準(zhǔn)模袋，模袋面板與墻端支撐袋內(nèi)部貫通連接，混凝土充填時(shí)可以整體充填；另一組為特殊模袋，模袋面板與墻端支撐袋在混凝土充填時(shí)需要分別充填。采用活塞泵連接直徑63 mm、長度80 m 的橡膠線絲軟管泵送混凝土，最大泵送速率為25 m3/h，超過這一限值橡膠軟管在泵送過程中會(huì)出現(xiàn)較為明顯的反沖作用。

試驗(yàn)中鉆孔取芯檢測(cè)7 d、28 d 混凝土抗壓強(qiáng)度平均值分別為21 MPa、51.5 MPa，滿足28 d抗壓強(qiáng)度30 MPa 要求。在模袋不同區(qū)域取芯檢測(cè)模袋混凝土厚度，分別為30.4 cm、30.2 cm、29.9 cm、30.7 cm、31 cm、30.5 cm，滿足規(guī)范30 cm±10%的要求。標(biāo)準(zhǔn)模袋和特殊模袋的墻端支撐袋，填充混凝土后均能很好地與板樁墻貼合，支撐袋頂面高出模袋頂面15～20 cm。

3 施工工藝及應(yīng)用效果

3.1 施工工藝

1）床面準(zhǔn)備。模袋施工基床面開挖疏浚要求標(biāo)高-17.6 m，誤差為+0～-0.3 m，溝槽處要求標(biāo)高-19.7 m，誤差為+0～-0.6 m，采用聲吶設(shè)備對(duì)基床表面進(jìn)行測(cè)量，評(píng)估基床表面是否滿足技術(shù)規(guī)格書對(duì)標(biāo)高和誤差的要求。

2） 陸上準(zhǔn)備。在Q27 碼頭附近陸地上將模袋面板展開，在模袋端頭套子里插入長度4.4 m、直徑為76 mm 的鋼管，方便施工過程控制模袋寬度。使用長5 m、直徑450 mm 的塑料材質(zhì)管子沿模袋長度方向?qū)⒛４砥饋?，使用吊車將模袋吊至碼頭前沿。

3）浮式平臺(tái)安裝。在模袋混凝土施工區(qū)域正上方安裝浮式平臺(tái)作為輸送混凝土管的通道。

4）模袋下放。用吊車將在陸地上準(zhǔn)備好的成卷模袋下放至床面，并限位在板樁墻趾墻位置。

5）配合比控制。每輛攪拌車到現(xiàn)場需測(cè)混凝土流動(dòng)性，檢測(cè)其是否適合泵送。

6）泵送混凝土。混凝土需經(jīng)網(wǎng)片過濾，泵送時(shí)保持陸上、水下溝通。

7）泵管操作。橡膠管浮在水面，管子鋪在易移動(dòng)的浮式平臺(tái)上。

8）模袋水下充填。潛水員在水下操作管子從袖口1 泵送混凝土，與混凝土操作人員保持溝通，充填完后將泵管移至下一個(gè)袖口繼續(xù)充填，袖口中的泵管移出后立刻對(duì)袖口進(jìn)行綁扎。

9）支撐袋充填。充填支撐袋使模袋與板樁墻間密封連接良好。

10）檢查。確認(rèn)模袋連接處套窩互鎖，趾端、墻空隙、拐角等處成功填充，并檢查模袋平整度、厚度滿足要求。

施工中每個(gè)罐車澆筑前嚴(yán)格檢測(cè)混凝土流動(dòng)性，流動(dòng)性差易造成泵車堵管和模袋填充不充實(shí)現(xiàn)象，流動(dòng)性過大易產(chǎn)生混凝土離析，影響混凝土質(zhì)量。每塊模袋澆筑完，立刻檢查產(chǎn)品完成度，若發(fā)現(xiàn)漏澆或混凝土欠缺現(xiàn)象，及時(shí)補(bǔ)充澆筑；若發(fā)現(xiàn)因模袋破損導(dǎo)致混凝土泄露，及時(shí)對(duì)模袋進(jìn)行水下縫補(bǔ)，清理泄露混凝土，重新補(bǔ)充澆筑。

3.2 應(yīng)用效果

施工后將混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)改為劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，按照以色列當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)，B30 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度不小于2.29 MPa，選用的5 號(hào)混凝土澆筑時(shí)，每周取樣送檢1 次，目前已完成43 次劈裂抗拉強(qiáng)度檢測(cè)，合計(jì)檢測(cè)頻率1/3，平均值3.34 MPa，均滿足B30 混凝土強(qiáng)度要求。支撐袋在模袋混凝土澆筑完成7 d 后進(jìn)行批量澆筑，此時(shí)硬化后的模袋混凝土對(duì)支撐袋起到一定的支撐作用，潛水檢查發(fā)現(xiàn)支撐袋與板樁墻之間密封完好。模袋澆筑7 d 后，多波束測(cè)量檢測(cè)模袋混凝土厚度均大于30 cm?；炷劣不尚秃?，對(duì)已完成模袋混凝土潛水復(fù)檢，模袋混凝土的完整性、平整度均符合標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

通過對(duì)深水模袋混凝土使用環(huán)境及存在問題的分析，結(jié)合以色列當(dāng)?shù)匾?guī)范標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出一種適用于深水碼頭前沿護(hù)底的B30 模袋混凝土配合比，主要結(jié)論如下：

1）給出容量3.64 L、口徑26 mm 的廖錐混凝土流動(dòng)性試驗(yàn)，5～6.5 s 混凝土漿體全部流盡，選定的5 號(hào)混凝土配合比120 min 的流動(dòng)性為6.2 s。

2）采用直徑63 mm、長度80 m 的橡膠管泵送混凝土，最大泵送速率不超過20 m3/h。

3）施工中B30 混凝土抗壓強(qiáng)度控制調(diào)整為劈裂抗拉強(qiáng)度控制，檢測(cè)不小于2.29 MPa。