某桩基灌注桩混凝土不凝结原因分析 旋挖机钻孔灌注桩

　　摘 要：本文首先介绍了问题的提出，分析了现场所取样品的检验与分析，提出了原因分析。结果表明，混凝土不凝结的原因是桩孔内渗水造成混凝土严重离析分层所致，为今后处理类似工程问题提供了参考。
　　关键词：混凝土；不凝结；分析
　　
　　1 问题的提出
　　某商业住宅工程的桩基混凝土在浇筑成型 14d后，发现部分桩基的混凝土松软、强度低，出现了“不凝结”的现象（见图 1）。经现场调查获得以下信息：
　　1）该工程为砂岩基坑，桩基的深度为 4～10m；由于附近有地表水源（主要为工业废水），导致桩孔内有渗水、积水现象，且水质微浊并稍有异味。
　　2）桩基采用强度等级为 C30、坍落度为200mm的预拌混凝土，以高抛工艺浇筑。
　　3）混凝土不凝结现象的主要特征为：混凝土材料
　　在桩基内完全离析分层，下部粗骨料堆积，结构松散
　　且骨料表面光洁；上部胶凝材料富集，内部松软，含水率高且强度低，状似“未凝结”。
　　为了探明问题产生的原因，从现场和混凝土生产地分别抽取了有代表性的样品，包括：混凝土的生产原材料，桩孔渗水、不凝结混凝土和同批次浇筑的正常凝结混凝土。
　　
　　图 1 现场情况
　　2 现场所取样品的检验与分析
　　2.1 桩孔渗水水质对混凝土凝结硬化性能的影响
　　1）桩孔渗水的水质分析
　　现场抽取桩孔渗透水水样的化学分析结果如表1 所示。从分析结果看，该水样中 pH 值、Cl－、SO42－、不溶物含量和溶解性固体的含量均满足国标要求，说明桩孔渗透水的水质达到混凝土拌和用水的要求，对混凝土无明显腐蚀性。
　　此外，由于附近地表水源有工业污水排入，担心其有机物含量超标会对混凝土的凝结时间有影响。因此，采用 COD 方法测定其有机物含量为 40.67mg/L（国标规定一级污水排放标准要求有机物含量低于100mg/L），说明桩孔渗水的有机物含量不高，对混凝土的性质也不会构成明显影响。
　　2）桩孔渗水对水泥凝结时间的影响
　　试验验证了桩孔渗水对水泥凝结时间的影响（见表2）。结果显示，使用桩孔渗水的水泥净浆凝结时间与使用蒸馏水的相当，说明桩孔渗水对水泥凝结时间没有明显的影响。
　　因此，排除桩孔渗水对混凝土凝结硬化性能的不利影响。
　　2.2 混凝土生产原材料对混凝土凝结硬化性能的影响
　　为了验证混凝土生产原材料对混凝土性质是否有影响，从混凝土生产企业抽取混凝土生产所用原材料，按照浇筑当日混凝土施工配合比（见表 3）进行验证试验。
　　其结果为，混凝土坍落度正常（200mm）；混凝土粘聚性良好，无离析、泌水现象；混凝土凝结正常，初凝时间为 14h；混凝土凝结硬化正常，3d 强度达到16.9MPa。说明混凝土原材料与生产配合比对混凝土的凝结硬化性能没有不良影响。
　　因此，排除了混凝土生产原材料及施工配合比对混凝土凝结硬化性能的不利影响。
　　2.3 不凝结混凝土的检验与分析
　　1）不凝结混凝土的结构特征分析
　　
　　图2 不凝结混凝土样品的外观
　　试验测定取样样品 A、B（见图 2）的密度和含水率，如表 4 所示。可以发现，不凝结混凝土的含水率极高，取自材料层内部的 B 样含水率竟然达到 71%；即使取自表层的A样的含水率也有 49.3%，而正常硬化的混凝土的含水率约4%，说明不凝结混凝土在形成结构的过程中，颗粒间隙之间有大量自由水存在。
　　不凝结混凝土的容重与其含水率成反比，含水率越高容重就越低。就干燥容重而言，低于该物质的材料表观密度（经测定该材料的表观密度为 2.2g/cm3），而其体积密度却只有0.66～0.82g/cm3，远低于正常水化的水泥石的密度，甚至低于液态水的密度。通过计算得出其密实度在0.30～0.37g/cm3之间，孔隙率在0.63～0.70之间，说明该物质孔隙多且结构疏松。
　　2）不凝结混凝土的水泥水化产物分析
　　按照国标《水泥化学分析方法》GB/T176－2008对不凝结混凝土样品和正常硬化混凝土的化学成分进行分析（其中正常硬化混凝土是将正常凝结混凝土破碎、剔除骨料颗粒后，收集的硬化水泥石），其结果如表5 所示。
　　从表 5 可以看出，不凝结混凝土样品的 pH 值在12以上，达到正常水化的水泥石范围，说明不凝结混凝土中有强碱性盐存在，极有可能是水泥的水化产物氢氧化钙。而且从化学成分上看，不凝结混凝土和正常硬化混凝土的化学成分和相对含量非常接近。
　　结合化学成分分析结果，采用 X 衍射方法分析了不凝结混凝土中的结晶矿物（见图3）。结果显示，不凝结混凝土中明显存在有羟钙石（氢氧化钙）和钙矾石，这是典型的水泥水化产物。通过与正常硬化的混凝土对比，三者的 X 衍射图谱基本一致，只是衍射峰的强度稍有区别。说明样品 A 和样品 B 代表的不凝结混凝土的主要矿物成分，与正常水化的水泥石基本一致。
　　通过不凝结混凝土的化学成分分析和矿物分析证明，不凝结混凝土中有大量水泥水化产物存在。
　　3）不凝结混凝土的水泥水化程度分析
　　混凝土体系内部的碱度主要是由水泥水化生成的氢氧化钙来提供的，水泥正常水化时水泥石内部的pH 值为 12 左右，氢氧化钙含量约占水泥水化产物的20%～25%。但在混凝土中，由于使用了大量矿物掺合料，使得水泥石中氢氧化钙的比例有所下降，根据配合比的不同，其比例占到水泥石的 10%～20%。因此通过测定氢氧化钙的含量，可以间接反映出水泥水化产物的数量和水化反应的程度。
　　将不凝结混凝土样品 A、B 和正常硬化混凝土中的水泥石用无水乙醇中止水化和脱水，在60℃下干燥6h后，取粉碎研磨过筛的试样，按照《水泥化学分析方法》GB/T 176－2008中规定的甘油—乙醇法，测定样品中 Ca（OH）2的含量（见表 6）。
　　检测结果显示，不凝结混凝土样品的氢氧化钙含量为 10%，基本符合水泥石水化产物的理论值。由于测试物中除了水泥，还有大量矿渣粉、粉煤灰和石粉等粉体干扰，同时矿渣粉和粉煤灰还会与氢氧化钙发生二次水化而消耗部分氢氧化钙，因此其氢氧化钙的含量比纯水泥石的低。但通过与正常硬化混凝土的对比，可以发现不凝结混凝土样品的氢氧化钙含量与正常硬化的混凝土相当，虽然不能精确定量不凝结混凝土样品中水泥水化产物的数量，但足以说明不凝结混凝土中的水泥含量与正常硬化混凝土中的水泥含量相当，这也反映了桩孔混凝土有足够数量的水泥且其水化程度正常。
　　因此，说明该工程桩孔混凝土的“不凝结”现象不是由于混凝土中水泥不足或未水化造成的。
　　3 原因分析
　　根据现场调查和抽取样品所进行的检验结果，判断该工程桩孔混凝土的不凝结问题，是一种混凝土的离析分层现象，其产生的原因是：桩孔中有大量渗水和积水，使混凝土在浇筑过程中被水淘洗，经振动棒振动后，混凝土严重离析分层，出现粗骨料下沉、胶凝材料上浮的现象。从而使得桩下部砂石堆积，缺乏足够的胶凝材料与之进行粘结，导致下部结构松散、强度低下；上部胶凝材料聚集，形成极为疏松多孔结构，胶凝材料颗粒之间空隙大且充满自由水，水泥颗粒虽然正常进行水化反应，但生成的水化产物不足以填充颗粒之间的空隙，固体颗粒之间的搭接较少，表现为结构疏松多孔，强度低，状似混凝土“未凝结”。
　　判断依据如下：
　　①通过对桩孔渗水水质、混凝土原材料及施工配合比的检验与验证，说明他们对混凝土凝结硬化没有不良影响。
　　②通过化学成分分析和矿物分析，证明不凝结混凝土的水泥用量与正常混凝土的水泥用量相当，水化反应程度正常。
　　③通过物理性质测试，发现未凝结胶凝材料的材料层结构极为疏松多孔，含水率极高。
　　④通过现场调查，发现问题桩孔内的混凝土存在严重离析现象，并且桩孔底部砂石堆积，砂石表面光洁，呈现出明显的淘洗特征。
　　4 结 论
　　采用物理、化学、物相等方法对现场采集的样品进行测试分析，为挖孔桩混凝土异常凝结原因分析提供了科学依据。分析结果表明，由于桩基桩孔有渗水和积水，混凝土在浇筑过程中出现严重离析分层，材料颗粒空隙充满自由水，水泥颗粒虽然进行正常水化反应，但是由于空隙过大，生成的水化产物不能填满空隙，固体颗粒之间的搭接较少，导致混凝土松软、疏松、强度低。
　　参考文献
　　[1]卓蓉晖，胡言，牟善彬.灌注桩混凝土不凝结探因[J].国外建材科技，2002，23（3）[2]GB/T176－2008，水泥化学分析方法[S].北京：国家建筑材料工业局，2008.
　　作者简介：
　　林应勋，（1978～9）男，工程师，本科，现从事建筑工程施工管理