CPG桩混凝土配合比设计及其施工工艺探讨
时间：2023-01-22 15:05:05 来源：天一资源网 本文已影响 人 
刘全军
(中铁十七局集团第五工程有限公司，山西 太原 030024）
火山灰作为一种混凝土掺合料，目前在道路工程、水利水电大坝工程中已有使用[1]。多项试验研究结果表明，火山灰作为混凝土的掺合料，对混凝土的性能改善、成本降低、环境保护等有诸多优势。我国目前在铁路混凝土中已大量使用粉煤灰，且很成熟，但还未大面积推广应用火山灰[2]。在云南地区，粉煤灰资源稀缺，但当地的火山灰资源非常丰富，就地取材，配制水泥火山灰碎石桩(简称CPG桩)十分经济[3]。借云南大瑞铁路工程设计选用CPG桩的机会，探讨CPG桩混凝土的配比设计和CPG桩的施工工艺，有利于工程建设效果的提升。
新建云南大瑞铁路（大理至瑞丽)保山至瑞丽段DRBRTJ-6标段，位于德宏州芒市和瑞丽市境内，全长59.739km，设计CPG桩78230根。CPG桩设计文件要求：桩身采用P·O42.5水泥掺入量不宜大于200kg/m3；
掺入活性指数≥60%的优质火山灰，掺量为≤150kg/m3；
混凝土总胶凝材料用量≥300kg/m3，施工中应采用强制式搅拌机。坍落度控制标准为：长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注法为160～200mm，混凝土28d标准立方体无侧限抗压强度不小于15MPa，混凝土56d电通量＜1500C。
2.1 原材料
（1）水泥：云南芒市西南水泥有限公司生产的P•O 42.5级水泥。
（2）天然火山灰：腾冲县华辉石材有限公司生产；
优质火山灰：保山市恒银实业有限公司生产，其技术指标见表1。
表1 天然火山灰和优质火山灰的技术指标对比
（3）细集料1：芒市遮放户勒采石场生产的机制砂，细度模数3.3，石粉含量6.0%。
（4）细集料2：畹町九州砂场的河砂，细度模数2.7，含泥量0.5%。
（5）粗集料：瑞丽市畹町芒另采砂场的5～20mm碎石，压碎指标值8%，含泥量0.5%。
（6）减水剂：山西黄河新型化工有限公司的聚羧酸高性能减水剂，减水率28%。
（7）水：拌合站井水，依据TB10424-2010表6.2.7-1检测，各项指标满足技术标准要求。
2.2 配合比设计
（1）设计的思路：通过对现场料源的调查，选择了一种水泥、一种碎石、一种外加剂，选择了两种火山灰和两种细骨料，进行交叉设计、试配，最终做出CPG桩混凝土要求的指标，通过工艺性试验选出所需的配合比。
（2）遵循的原则：满足CPG桩混凝土和易性指标，保坍不泌水；
满足技术指标，确保构件安全；
满足施工工艺要求，实现可泵性；
满足经济原则。
（3）配合比设计依据：CPG桩混凝土的拌合物性能、力学性能、耐久性分别依据GB/T50080-2016、GB/T50081-2002和GB/T50082-2009进行试验检测。
（4）不同配伍满足和易性要求的配合比见表2。
表2 CPG桩混凝土配合比试配
（5）各配合比试验结果见表3。
表3 CPG桩混凝土配合比试配结果
（6）试配结果分析。
对于天然火山灰：当掺合料选用天然火山灰时，CPG桩混凝土拌合物性能及力学性能满足设计要求。要满足每方水泥用量小于200kg，火山灰掺量＞100kg，总胶材用量大于≥300kg的要求；
不管采用机制砂或河砂，混凝土的含气量均在6%左右，且混凝土出现泌水，坍落度损失过快，混凝土的和易性不好，混凝土电通量均在3000C以上，不能保证现场施工要求；
当每方水泥用量突破200kg，火山灰的掺量在总胶材用量20%左右时，混凝土的各项工作性能均满足设计要求，但56d电通量未达到设计要求＜1500C。
对于优质火山灰：当掺合料选用优质火山灰时，采用机制砂（石粉含量介于6%～10%）试配结果各项参数满足设计要求，且混凝土的电通量明显降低，但是优质火山灰生产成本高且产量较小，不能满足施工实际需求。
对于河砂和机制砂：考虑本地河砂产量有限，且价格要高于机制砂，从经济合理性原则选用机制砂节约成本，另外从试验结果看出，选用河砂时混凝土的粘聚性较差且包浆不好，不利于现场泵送，掺入机制砂的混凝土（石粉含量介于6%～10%）粘聚性明显优于掺入河砂的混凝土。
综上所述：各配合比对应的强度均大于设计强度，但把胶凝材料调小后混凝土泌水较严重，无法满足施工工艺要求；
当混凝土的含气量较大时，电通量也会增大；
除2#配合比坍落度稍小外，其它各配合比均满足坍落度要求；
3#、4#、5#、6#配合比含气量过大，产生的原因是火山灰掺量较大（火山灰是多孔材料）；
7#、8#使用的是优质火山灰，从结果看除降低了混凝土的电通量外其它指标仍未改善。
结合全线各配合比试配情况，对于水泥掺入量不宜大于200kg/m3，可根据配合比用量调整，优质火山灰价格过高，同时没有产品标准，采用天然火山灰完全可以达到设计目的。最终采用1#、4#配合比做试桩。
3.1 试桩
（1）试桩目的：通过试桩确定混凝土配合比的适应性（坍落度、搅拌时间、灌注时间间隔等参数）；
确定施工工艺参数（混凝土灌注速度与提管速度、泵压、桩头预留长度等）；
确定机械与人员配备。
（2）试桩布置选择：试区1：试桩桩号为C1-1、C1-2、C1-3、C1-4共4根，桩径0.5m，桩间距1.6m，呈正方形布置。试区2：试桩桩号为C2-1、C2-2、C2-3、C2-4共4根，桩径0.5m，桩间距1.6m，呈正方形布置。试桩位置地质为表层10m的淤泥质土，其下为10.6m的粉质黏土。混凝土拌合物坍落度控制在160～200mm，虚桩头预留要求不少于50cm，试桩虚桩按照60cm预留。混合料泵送过程中，钻杆在混合料内埋深保持在15～25cm之间。试桩完成后，28d后做单桩承载力检测，进一步确定桩基施工工艺参数。
（3）试桩配合比：选用天然火山灰作为掺合料，细骨料选择机制砂，试区1采用1#配合比；
试区2采用4#配合比。
3.2 混合料搅拌、运输
混合料搅拌采用混凝土集中拌和，按照配合比进行配料，每盘料搅拌时间控制在120s，混合料坍落度控制在160～200mm。运输采用混凝土罐车运输到施工现场。试区1试桩混合料出机坍落度185mm，出机含气量2.3%，现场坍落度180mm，入模温度28.1℃，现场含气量2.4%，35min坍落度损失5mm；
试区2试桩混合料出机坍落度175mm，出机含气量5.0%，现场坍落度170mm，入模温度28.1℃，现场含气量5.0%，35min坍落度损失10mm。混合料拌合物性能均能满足设计及规范要求，且满足现场施工需要。现场采用长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注法施工，成桩过程连续无间断。混合料使用量为3.1m3，施工中投料量大于设计灌注量2.55m3，整个成桩过程无异常。
试桩成桩7d，开挖桩头检查试桩桩头外观质量；
成桩18d时，采用低应变检查桩身完整性；
成桩28d时，进行单桩地基载荷试验；
28d时在桩体中心处、桩长范围内垂直钻孔取芯，观察桩体完整性、均匀性，在桩身上、中、下取不同深度的不少于3个试样作抗压强度试验。桩体检测结果如表4。
表4 成桩检测结果
从试桩施工和成桩质量检测来看，两个配合比均能满足施工和地基承载力的要求。
火山灰为多孔结构的粉末材料，当掺加量较大时，混凝土的含气量较大，导致电通量过大。在一般环境下，对电通量无要求时，火山灰的掺量可以放大，但对电通量有要求时，火山灰的掺量受到限制。通过大瑞铁路CPG桩的施工，火山灰作为桩基处治加固地基的混凝土掺合料完全可行，对粉煤灰匮乏的云南地区，采用火山灰替代粉煤灰会产生明显的经济效益。
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