钻孔桩灌注混凝土配合比设计

摘要：笔者从配合比设计、粉煤灰性能机理的角度，并结合工程实例，对钻孔灌注桩混凝土能否采用32.5水泥，能否掺用粉煤灰进行了论述。

关键词：钻孔灌注桩；水泥；粉煤灰；配合比设计

普通混凝土配合比设计对于有一定试验经验的技术人员来讲已不是什么难事，就是对于钻孔灌注桩配合比设计多数人也积累了相当的经验。然而也有不少人对国家标准和行业规范的理解存在分歧，尤其一些管理部门死搬规范，把规范中的“不宜”当成尚方宝剑，乱下禁令：钻孔灌注桩不准用32.5水泥，不准掺用粉煤灰。这种理解正确与否，方式是否妥当，下面就结合配合比设计过程加以论述。

一、钻孔灌注桩混凝土特殊要求

钻孔灌注桩一般都采用高压力水下灌注法，就是将混凝土装入料斗内，然后打开闸门，混凝土通过导管突然灌入桩孔底部，利用本身质量和高度所产生的势能把混凝土由上向下翻挤，杂质和水也由下向上翻挤，从而保证了混凝土的密实性。对高压力水下混凝土有特殊性能要求：要有足够大的含浆量，高压力水下混凝土的含浆量除了能够满足填满集料间所有空隙外尚存有比较大的富余量。利用这些富余量使导管壁和混凝土之间形成一层落浆层；浆内含有较多的水，这些多余的水分在管壁处凝聚成一层水膜，当混凝土向下滑时起作用。所以JTJ041-2000《公路桥涵施工技术规范》（以下简称《桥规》）规定钻孔灌注桩水灰比适宜范围0.5～0.6。高压力灌注水下混凝土除了要有良好的流动度，还需要保水性能好，稠度好，整个固体的空隙小，有时还要求抗渗性能好。解决这些问题就要采取最佳的集料级配：含砂率控制在0.4～0.5，粗集料中10～15mm颗粒占30%～35%保证集料级配的密实性。同时为保证新浇混凝土拌合物能顺利穿过钢筋笼成为整体，避免堵塞导管和浇注设备，粗集料最大粒径不应大于钢筋最小净距的1/4，不应大于导管直径的1/6～1/8，而且不应大于40mm。

二、钻孔灌注桩混凝土配合比设计

一般常见的钻孔灌注桩强度为C25，故本文以C25为例。按照JGJ55-2000《普通混凝土配合比设计规程》设计步骤如下：（水泥取用42.5水泥）

1、确定水灰比

混凝土试配强度计算公式

水灰比计算公式

设计中所用参数取值为：水泥的富余系数取1.1，碎石最大粒径取31.5mm，砂率βs取0.45，ρc=3.1×103 kg/m3，ρg=2.7×103 kg/m3，ρs=2.6×103 kg/m3，ρf=2.2×103 kg/m3，坍落度选用180mm。外加剂为NF-1，减水率β取15%，掺量为2%

对于强度标准差σ无历史统计资料，强度等级为C20～C35时，σ取5Mpa，对于碎石，回归系数αaαb分别为0.46和0.07，那么

为保证试配强度，并依据规范，w/c取用0.6

2、确定单位用水量

①查表法确定单位用水量（见表一）

流动性和大流动性混凝土的用水量宜按下列步骤计算：

以上表中坍落度90mm的用水量为基础，按坍落度每增大20mm用水量增加5 kg/m3，计算出未掺外加剂时的混凝土的用水量。

②、计算法

T—坍落度（cm）

K1—集料常数（见表二）

依据以往经验，取mw0=225 kg/m3

掺外加剂时的混凝土的用水量按下式计算

3、确定单位水泥用量

4、确定单位砂、石子用量

按体积法计算

其中a=1，得

5、掺粉煤灰后各材料单位用量

掺粉煤灰混凝土配合比设计采用超量替代法。为保证强度，粉煤灰取代水泥率f取 15%（见表三），粉煤灰超量系数K取1.5（见表四）

被替代后水泥用量为

掺粉煤灰的量为

三、32.5水泥能不能用于钻孔灌注桩混凝土中

《桥规》规定钻孔灌注桩水泥的强度等级不宜低于42.5。那么能否使用32.5水泥呢？我们先按上面的计算方法，计算使用32.5水泥时水灰比是w/c=0.48，比规范要求的水灰比适宜范围0.5～0.6略小。如果把水灰比调整到0.5反算水泥的实际强度至少应达到37.5 Mpa才能满足要求，这时水泥强度富裕系数则为1.15，从原材料检验统计可以看出，目前只要质量有所保证的水泥强度达到37.5 Mpa不成问题。所以可以采用32.5水泥。当然为保证混凝土强度，我个人认为没必要一定把水灰比控制在0.5～0.6范围，直接取用0.48保险系数更大。而且这时水泥浆比用42.5水泥时多，更符合高压力水下混凝土对富浆量要求。在某高速公路我们采用水：水泥（磊达32.5）：砂：碎石（宜兴5～31.5mm）：外加剂（江西NFR缓凝高效减水剂）为185：385：765：1015：2，没有掺粉煤灰。现场混凝土性能良好，28天强度为33.5 Mpa。因此把《桥规》中水泥的强度等级不宜低于42.5理解为禁止使用32.5水泥是武断的。当然从2008年6月执行新水泥规范GB175-2007《通用硅酸盐水泥》，已不存在32.5硅酸盐水泥，也不会存在理解上的歧义了，但对我们今后理解各类规范还是有借鉴意义的。

四、钻孔灌注桩混凝土中可不可以掺入粉煤灰

有工程管理单位担心掺粉煤灰对混凝土质量尤其是强度有影响，就禁止在钻孔灌注桩混凝土中掺粉煤灰，主要是由于对粉煤灰性能的不了解。粉煤灰是燃煤电厂从烟道中收集的一种灰分，其中含有大小不等的光滑致密明球状玻璃体，其中粒度在0.2～0.5mm的实心球颗粒占85%，赋予粉煤灰以球形效应、微集料效应。粉煤灰的火山灰活性表现在它的活性成分能同水泥水化生成Ca（OH）2缓慢地发生二次水化反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，增加了混凝土的密实度，降低了空隙率从而提高强度、抗渗性、耐磨性和耐久性；粉煤灰的球形效应则表现在颗粒为光滑的球体玻璃微珠，能起到光滑作用，减少颗粒间的摩阻力，提高混凝土的和易性、可泵性；粉煤灰的微集料效应，充分填充水泥石和骨料间的空孔隙，提高混凝土的密实度和强度。杭州湾跨海大桥桩基采用掺45%粉煤灰大掺量配合比方法，强度不仅达到50 Mpa以上，而且能降低氯离子扩散系数，增加抗氯离子渗透的能力；五河口斜拉桥主梁C60高性能混凝土配合比采用水：水泥：粉煤灰：砂：碎石：外加剂为172：490：54：660：1032：6.8，不仅减少了干缩值，也改善了混凝土的和易性；在广州东新高速公路东沙大桥C30承台大体积混凝土配合比采用水：水泥：粉煤灰：矿粉：砂：碎石：外加剂为165：160：140：140：738：1107：8.4，28天强度达到37.7Mpa，而且由于粉煤灰二次反应比水泥水化反映慢，有效地降低了水化热；上述事例有力地证明了掺粉煤灰对混凝土质量是有保证的，而且大大改善了某些方面的性能。还有一种新的观点，清华大学覃维祖教授编译的《高性能粉煤灰混凝土》介绍的高掺量粉煤灰混凝土（HFCC），为了更充分发挥粉煤灰在混凝土中的作用，不再把粉煤灰作为水泥的替代品，而把它看成混凝土的第四组分，即除了水泥、水与骨料外的一个独立成分，粉煤灰掺量占胶结材60%，这种混凝土在国外已成功用于路面和大坝，使用性能良好。通过对粉煤灰性能机理研究，可以看出钻孔灌注桩采用泵送施工时，不仅可以掺粉煤灰而且十分必要，因为掺粉煤灰改善了混凝土的可泵性，扩大了泵送适应范围；降低泵送压力，减少机械磨损；改善了混凝土拌合物稠度，提高工程质量；水泥用量减少，工程成本低；充分发挥混凝土后期强度。当然用于混凝土中的粉煤灰必须控制，达到Ⅲ级及以上等级要求，用于预应力混凝土结构中必须达到Ⅰ级。

五、钻孔灌注桩混凝土灌注中应注意的事项

为防止断桩，灌注中导管的埋置深度一般控制在2～6米。目前多采用泵送混凝土，灌注的速度很快，在短桩灌注整个过程也可以一次导管也不拆。但是要注意导管埋深过大时，极易造成钢筋骨架上浮。一般要求当灌注的混凝土顶面距钢筋骨架底部1m左右时，应降低混凝土灌注速度。当混凝土拌合物上升到骨架底口4m以上时，应提升导管，使其底口高于骨架底部2m以上。

灌注的桩顶标高应比设计高出0.5～1.0m，以保证混凝土强度，多余部分接桩前凿除，残余桩头应无松散层。目前在施工小规模的桥梁时，为降低成本，方便施工，多直接购买商品混凝土，钻孔桩由于扩孔缩孔等原因，混凝土方量不易控制，常发生桩头就差一点混凝土，而因商品混凝土厂较远不好协调等因素将就，造成浇注高度不够，桩头混凝土松散。

结束语：

1、钻孔灌注桩混凝土采用泵送施工，掺粉煤灰不仅是工艺的要求，而且还可以达到节约成本，降低水泥用量的目的，同时也响应国家节能减排政策，为解决全球环境污染问题，走可持续发展道路作出应有的贡献。

2、钻孔灌注桩设计强度为C25时，通过设计试算以及工程实例验证，可以使用32.5水泥，而且水泥浆比用42.5水泥时多，更符合高压力水下混凝土对富浆量要求。

参考文献：

[1]JTJ041-2000《公路桥涵施工技术规范》人民交通出版社

[2]JGJ55-2000《普通混凝土配合比设计规程》中国建筑工业出版社

[3]张应力《现代混凝土配合比设计手册》人民交通出版社 2002

[4]GB175-2007《通用硅酸盐水泥》中国标准出版社

[5]GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中国标准出版社

[7]覃维祖编译《高性能粉煤灰混凝土》 2003年5月

[8]雷俊卿等汉中潘家河大桥钢管混凝土配合比设计与试验研究《公路》 2005第11期

[9]刘世同等五河口斜拉桥主梁高性能混凝土试验研究《公路》 2006第5期

[10]谢伟英等东沙大桥大体积混凝土配合比优化设计及施工《公路》 2007第1期

作者简介：

王卫东（1969-）男，汉，学士学位，研究方向：道路与桥梁，身份证号码：340104196909052037

王凤喜（1970-）男，汉，学士学位，研究方向：道路与桥梁，身份证号码： 320323197012250419