南水北調(diào)中線工程河北段渡槽槽身預(yù)應(yīng)力混凝土的試驗(yàn)研究

南水北調(diào)中線工程河北段渡槽槽身預(yù)應(yīng)力混凝土的試驗(yàn)研究

1結(jié)構(gòu)體系不健全自20世紀(jì)90年代初以來(lái)，高性能混凝土已在世界許多國(guó)家的重要工程中使用。特別是在大型橋梁和海田路等項(xiàng)目中的應(yīng)用，在施工安全使用壽命、經(jīng)濟(jì)合理性和環(huán)境條件的適應(yīng)性方面發(fā)揮了顯著作用。目前，我國(guó)的科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用日益成熟?，F(xiàn)代混凝土生產(chǎn)工藝和施工技術(shù)的應(yīng)用日益成熟。但在水利工程建筑中,由于其特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用環(huán)境,使高性能混凝土的應(yīng)用存在很大的局限性,特別是在我國(guó)北方地區(qū)大型水利工程的大體積混凝土結(jié)構(gòu)中,高強(qiáng)高性能混凝土的應(yīng)用尚無(wú)經(jīng)驗(yàn)可循。南水北調(diào)工程是我國(guó)自三峽水利樞紐工程建設(shè)以后又一個(gè)超大型水利工程,也是世界罕見(jiàn)的水利工程。中線工程河北段南起漳河北,經(jīng)邯鄲、邢臺(tái)、石家莊、保定4市25縣至北拒馬河中支進(jìn)入北京。中線輸水工程規(guī)模大、渠道長(zhǎng),沿線的建筑物種類數(shù)量繁多,僅河北段共有各種建筑物701座,其中渡槽17座,槽身為預(yù)應(yīng)力混凝土,單跨長(zhǎng)40m,上部為矩形互聯(lián)三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),槽身橫斷面尺寸為寬8.1m×高7.0m×3槽,設(shè)計(jì)指標(biāo)為C50S12D200。施工采用泵送,粗骨料粒徑不宜大于25mm,坍落度為14～18cm,施工質(zhì)量要求達(dá)到離差系數(shù)<0.13,保證率為95%,彈性模量>3.45×104MPa,軸心抗拉強(qiáng)度為2.75MPa。在滿足設(shè)計(jì)及施工要求的前提下,本著因地制宜、就地取材的原則,優(yōu)選出品質(zhì)優(yōu)良、貨源充足、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的混凝土原材料顯得尤為重要。2外加劑和礦物細(xì)摻料高性能混凝土使用和普通混凝土基本相同的原材料(如水泥、砂、石),同時(shí)必須使用外加劑和礦物細(xì)摻料。但是由于高性能的要求和配制特點(diǎn),原材料原來(lái)對(duì)普通混凝土影響不明顯的因素,對(duì)高性能混凝土就可能影響顯著,因此又和普通混凝土所用原材料有所不同。2.1混凝土原料的復(fù)合利用水泥的強(qiáng)度、礦物組成、石膏摻量等對(duì)高性能混凝土的性能有很大的影響。因此正確、合理地選擇水泥的品種和強(qiáng)度等級(jí),是影響混凝土強(qiáng)度、耐久性及經(jīng)濟(jì)性的重要因素。在水泥初選試驗(yàn)中,對(duì)河北邯鄲、邢臺(tái)、石家莊、保定等地區(qū)的近30個(gè)水泥生產(chǎn)廠家進(jìn)行了考察,首先考慮到渡槽槽身混凝土為高強(qiáng)混凝土,有抗?jié)B、抗凍等耐久性要求,采用泵送施工,對(duì)水泥的性能要求更高,因此首選優(yōu)質(zhì)硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥,標(biāo)號(hào)宜為42.5等級(jí)或32.5等級(jí),且為保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定,應(yīng)選擇生產(chǎn)工藝為回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)廠家。因此通過(guò)對(duì)水泥生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)力量及產(chǎn)品質(zhì)量考察對(duì)比,初選出4個(gè)生產(chǎn)廠家對(duì)水泥樣品進(jìn)行檢驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表1。由于渡槽槽身為高強(qiáng)高性能混凝土,水膠比低,水泥用量大,因此需要考慮水泥熟料的礦物成分對(duì)混凝土的性能的影響:C3S有利于早期及后期強(qiáng)度的提高,C2S水化較慢,對(duì)后期強(qiáng)度有利,C3A水化速度快、放熱量大,而且對(duì)水泥與高效減水劑的適應(yīng)性有關(guān),C3A含量越高,混凝土拌合物的坍落度損失越快。水泥熟料的礦物組成見(jiàn)表2。通過(guò)對(duì)上述廠家生產(chǎn)的水泥進(jìn)行檢驗(yàn),綜合考慮各項(xiàng)性能指標(biāo),參考《高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS104:99,用于高強(qiáng)混凝土的水泥,其礦物成分中的C3A含量不宜超過(guò)8%。水泥中的有害物質(zhì)成分如f-Ca、MgO、SO3等應(yīng)盡可能少,堿含量(Na2O+0.658K2O)應(yīng)低于0.6%,并考慮生產(chǎn)廠家的水平、能力等因素后進(jìn)行選擇。2.2砂細(xì)、充填、有害物質(zhì)在高強(qiáng)高性能混凝土中,細(xì)骨料的質(zhì)量既影響新拌混凝土的和易性,也影響硬化混凝土的性能,宜優(yōu)先選用細(xì)度模數(shù)中等偏粗、質(zhì)地堅(jiān)硬、粒形良好的天然河砂。到行唐南伏、內(nèi)邱白馬河、七里河、沙河等地的多個(gè)砂場(chǎng)取樣進(jìn)行分析試驗(yàn)。砂顆粒級(jí)配的優(yōu)劣,粒度的粗細(xì),對(duì)于高強(qiáng)度高性能泵送混凝土來(lái)說(shuō),有較嚴(yán)格的要求,細(xì)度模數(shù)一般為2.6～3.0,但砂的粗細(xì)不能只看細(xì)度模數(shù),還要看其級(jí)配分布,粒徑在0.315mm以下的細(xì)骨料所占的比例對(duì)混凝土的可泵性影響很大。為使混凝土具有好的工作性能和高抗壓強(qiáng)度,最好的砂要求0.315mm篩的累計(jì)篩余宜控制在85%～95%,0.63mm篩的累計(jì)篩余大于70%。有害物質(zhì)含量:砂中的云母含量及輕物質(zhì)含量影響混凝土拌合物的和易性,降低混凝土的強(qiáng)度及耐久性,因此砂中不應(yīng)混有草根、樹(shù)葉、樹(shù)枝、塑料、煤塊、爐渣等雜物。含泥量和泥塊含量:含泥量是指粒徑小于0.08mm的塵屑、淤泥和黏土的總含量,這類泥土雜質(zhì)對(duì)混凝土拌合物的和易性及硬化混凝土的抗凍、抗?jié)B和收縮等性能都有不利影響,特別是對(duì)高強(qiáng)度高性能混凝土的影響更大。而泥塊在混凝土攪拌過(guò)程中不易被破碎,仍以塊狀存在與混凝土中,形成極薄弱環(huán)節(jié),如果遇水成漿,膠結(jié)在砂子表面,不易分離,在混凝土中起著隔離作用,影響水泥石的黏結(jié)力。因此對(duì)骨料中的含泥量和泥塊含量需要嚴(yán)格控制,不容許有泥塊存在,必要時(shí)應(yīng)沖洗后使用。2.3混凝土施工質(zhì)量控制因素對(duì)于高強(qiáng)高性能混凝土,粗骨料的性能對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度及彈性模量起決定性作用,仔細(xì)檢驗(yàn)粗骨料的性能十分重要。首先,粗骨料的品種應(yīng)選擇質(zhì)地堅(jiān)硬、未風(fēng)化的石灰?guī)r、花崗巖、輝綠巖等碎石或碎卵石,無(wú)堿活性反應(yīng);其次應(yīng)考慮骨料的粒形對(duì)混凝土性能的影響,雖然卵石混凝土的流動(dòng)性能好得多,但對(duì)高強(qiáng)混凝土來(lái)說(shuō),界面黏結(jié)力是控制因素,碎石混凝土的界面性能好于卵石混凝土,使用碎石優(yōu)于卵石。由于工程位于太行山東麓,有優(yōu)質(zhì)的石料資源,料場(chǎng)分布連續(xù)穩(wěn)定,巖性單一,且結(jié)構(gòu)致密,質(zhì)地堅(jiān)硬,因此試驗(yàn)選用人工碎石并進(jìn)行取樣檢驗(yàn),其質(zhì)量技術(shù)要求應(yīng)符合《水工混凝土施工規(guī)范》的指標(biāo)。骨料的表觀密度與混凝土的強(qiáng)度有關(guān),粗骨料的表觀密度越大,配制的混凝土強(qiáng)度越高。配制高強(qiáng)度、高性能混凝土?xí)r,粗骨料的表觀密度應(yīng)在2650kg/m3以上。骨料的吸水率對(duì)高性能混凝土的影響也很大,粗骨料的吸水率大,混凝土的強(qiáng)度低,對(duì)高性能混凝土應(yīng)小于1.0%。對(duì)高強(qiáng)混凝土,要求骨料母體的立方體抗壓強(qiáng)度應(yīng)比所配制的混凝土強(qiáng)度高20%以上,壓碎指標(biāo)<10%。對(duì)于高強(qiáng)泵送混凝土,石子的粒形影響混凝土的工作性和抗壓強(qiáng)度,其影響程度比顆粒強(qiáng)度的影響更大更直接,目前生產(chǎn)石子的廠家都采用鄂式破碎機(jī),破碎強(qiáng)度高的巖石時(shí)產(chǎn)生的針片狀顆粒就多,破碎的顆粒越小,針片狀顆粒越多,級(jí)配越差,空隙率越高,因此要對(duì)粗骨料顆粒中針片狀顆粒含量進(jìn)行控制,應(yīng)不大于5%。2.4性能外加劑的影響高性能混凝土中膠結(jié)材料總量大,從而使需水量增大,并且為了提高混凝土的耐久性,提高強(qiáng)度,必須降低水膠比,水泥用量較大和水膠比必須降低的后果就是使混凝土黏稠度大,流變性差。解決上述矛盾最有效的途徑即是摻入高性能外加劑。包括高效減水劑、緩凝劑和引氣劑。外加劑的選擇首先是生產(chǎn)廠家具有一定的生產(chǎn)規(guī)模和完善的質(zhì)量保證體系,能保證產(chǎn)品質(zhì)量均勻穩(wěn)定,產(chǎn)品曾在大型工程中應(yīng)用并效果良好,價(jià)格合理.初選時(shí)我們對(duì)近10余種外加劑產(chǎn)品進(jìn)行了考察,選出4種高效減水劑根據(jù)《水工混凝土外加劑技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行檢驗(yàn)比較,外加劑的檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3、表4。2.5單位水泥用量由于渡槽對(duì)混凝土的強(qiáng)度和耐久性要求高,應(yīng)外加適量的礦物摻合料,一方面可以降低混凝土的單位水泥用量,降低水化熱,另一方面能有效的抑制堿——骨料反應(yīng),并且有利于節(jié)能和環(huán)保,使高性能混凝土朝著可持續(xù)發(fā)展的綠色材料方向發(fā)展。常用的摻合料包括粉煤灰、磨細(xì)礦渣、磨細(xì)天然沸石粉、硅粉等。不同的摻合料對(duì)改善混凝土的物理力學(xué)性能與耐久性具有不同的效果。3原材料選擇試驗(yàn)3.1粉煤灰的制備試驗(yàn)渡槽高性能混凝土試驗(yàn)摻粉煤灰,采用等量取代水泥直接摻用的方法。西柏坡電廠的Ⅰ級(jí)粉煤灰細(xì)度為4.5%～5.2%,需水量比為91%～92%,品質(zhì)均優(yōu)于邢臺(tái)電廠和馬頭電廠的粉煤灰,因此試驗(yàn)采用西柏坡電廠的Ⅰ級(jí)粉煤灰。水泥用邯鄲太行P.O42.5水泥和鹿泉鼎鑫P.O42.5水泥,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5及圖1、圖2。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,水泥膠砂抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)而增大,隨粉煤灰摻量的增加而降低,抗折強(qiáng)度降低的幅度低于抗壓強(qiáng)度降低的幅度,說(shuō)明在水泥中摻入粉煤灰可以提高膠砂的折壓比(抗折強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度),對(duì)防止混凝土裂縫是有利的3.2高效減水劑對(duì)鼎3.5水泥的協(xié)同性能在高性能混凝土中使用高效減水劑及引氣劑時(shí),存在著外加劑與水泥的適應(yīng)性問(wèn)題,具體表現(xiàn)在混凝土坍落度的經(jīng)時(shí)損失上,目前常用的萘系高效減水劑的坍落度損失比較快,因此對(duì)所選用的外加劑與水泥進(jìn)行了相容性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3-圖7。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出:(1)高效減水劑JG-3對(duì)鼎鑫P.O42.5水泥的相容性優(yōu)于太行P.O42.5水泥;JG-3減水劑對(duì)水泥的相容性優(yōu)于DH3G;當(dāng)JG-3減水劑與DH9引氣劑復(fù)合使用,并在鼎鑫P.O42.5水泥摻加5%、10%、15%、20%、30%的西柏坡電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰后,圖4顯示粉煤灰摻量為10%和15%時(shí)膠砂流動(dòng)性最穩(wěn)定,在60min時(shí)的流動(dòng)度最大,相容性最好。(2)高效減水劑DH3G對(duì)鼎鑫P.O42.5水泥和太行P.O42.5水泥的相容性基本相同;在水泥中摻加粉煤灰10%～15%后,膠砂流動(dòng)度增大,可以改善與水泥的相容性;當(dāng)與DH9引氣劑復(fù)合使用,并在水泥中摻加不同摻量的粉煤灰時(shí),圖3顯示粉煤灰摻量為5%～15%時(shí)膠砂流動(dòng)性較好。(3)高效減水劑與引氣劑復(fù)合使用時(shí),膠砂流動(dòng)度在10～20min時(shí)形成峰值,在拌和60min后與初始狀態(tài)基本相同。3.3最佳級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果高性能混凝土要求骨料粒徑連續(xù)、級(jí)配良好,以降低空隙率,降低水泥用量,提高混凝土的流動(dòng)性。目前粗骨料生產(chǎn)均為單粒級(jí)碎石,而且5～10mm、10～20mm粒徑的碎石級(jí)配比較差,因此為了使骨料的粒度分布達(dá)到最密實(shí)狀態(tài),進(jìn)行了骨料最佳級(jí)配試驗(yàn),即最大干密度試驗(yàn)。試驗(yàn)用的骨料為鹿泉產(chǎn)5～10mm、10～20mm碎石,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8。當(dāng)5～10、10～20mm重量比為4∶6時(shí),容重最大,即為石子最佳級(jí)配,粗、細(xì)骨料最佳顆粒級(jí)配篩分見(jiàn)表6、表7。4水泥、水泥砂