南水北调中线工程河北段渡槽槽身预应力混凝土的试验研究

南水北调中线工程河北段渡槽槽身预应力混凝土的试验研究

1结构体系不健全自20世纪90年代初以来，高性能混凝土已在世界许多国家的重要工程中使用。特别是在大型桥梁和海田路等项目中的应用，在施工安全使用寿命、经济合理性和环境条件的适应性方面发挥了显著作用。目前，我国的科学技术进步和应用日益成熟。现代混凝土生产工艺和施工技术的应用日益成熟。但在水利工程建筑中,由于其特殊的结构设计和应用环境,使高性能混凝土的应用存在很大的局限性,特别是在我国北方地区大型水利工程的大体积混凝土结构中,高强高性能混凝土的应用尚无经验可循。南水北调工程是我国自三峡水利枢纽工程建设以后又一个超大型水利工程,也是世界罕见的水利工程。中线工程河北段南起漳河北,经邯郸、邢台、石家庄、保定4市25县至北拒马河中支进入北京。中线输水工程规模大、渠道长,沿线的建筑物种类数量繁多,仅河北段共有各种建筑物701座,其中渡槽17座,槽身为预应力混凝土,单跨长40m,上部为矩形互联三向预应力结构,槽身横断面尺寸为宽8.1m×高7.0m×3槽,设计指标为C50S12D200。施工采用泵送,粗骨料粒径不宜大于25mm,坍落度为14～18cm,施工质量要求达到离差系数<0.13,保证率为95%,弹性模量>3.45×104MPa,轴心抗拉强度为2.75MPa。在满足设计及施工要求的前提下,本着因地制宜、就地取材的原则,优选出品质优良、货源充足、技术先进、经济合理的混凝土原材料显得尤为重要。2外加剂和矿物细掺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),同时必须使用外加剂和矿物细掺料。但是由于高性能的要求和配制特点,原材料原来对普通混凝土影响不明显的因素,对高性能混凝土就可能影响显著,因此又和普通混凝土所用原材料有所不同。2.1混凝土原料的复合利用水泥的强度、矿物组成、石膏掺量等对高性能混凝土的性能有很大的影响。因此正确、合理地选择水泥的品种和强度等级,是影响混凝土强度、耐久性及经济性的重要因素。在水泥初选试验中,对河北邯郸、邢台、石家庄、保定等地区的近30个水泥生产厂家进行了考察,首先考虑到渡槽槽身混凝土为高强混凝土,有抗渗、抗冻等耐久性要求,采用泵送施工,对水泥的性能要求更高,因此首选优质硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥,标号宜为42.5等级或32.5等级,且为保证产品质量的稳定,应选择生产工艺为回转窑的生产厂家。因此通过对水泥生产企业的技术力量及产品质量考察对比,初选出4个生产厂家对水泥样品进行检验,结果见表1。由于渡槽槽身为高强高性能混凝土,水胶比低,水泥用量大,因此需要考虑水泥熟料的矿物成分对混凝土的性能的影响:C3S有利于早期及后期强度的提高,C2S水化较慢,对后期强度有利,C3A水化速度快、放热量大,而且对水泥与高效减水剂的适应性有关,C3A含量越高,混凝土拌合物的坍落度损失越快。水泥熟料的矿物组成见表2。通过对上述厂家生产的水泥进行检验,综合考虑各项性能指标,参考《高强混凝土结构技术规程》CECS104:99,用于高强混凝土的水泥,其矿物成分中的C3A含量不宜超过8%。水泥中的有害物质成分如f-Ca、MgO、SO3等应尽可能少,碱含量(Na2O+0.658K2O)应低于0.6%,并考虑生产厂家的水平、能力等因素后进行选择。2.2砂细、充填、有害物质在高强高性能混凝土中,细骨料的质量既影响新拌混凝土的和易性,也影响硬化混凝土的性能,宜优先选用细度模数中等偏粗、质地坚硬、粒形良好的天然河砂。到行唐南伏、内邱白马河、七里河、沙河等地的多个砂场取样进行分析试验。砂颗粒级配的优劣,粒度的粗细,对于高强度高性能泵送混凝土来说,有较严格的要求,细度模数一般为2.6～3.0,但砂的粗细不能只看细度模数,还要看其级配分布,粒径在0.315mm以下的细骨料所占的比例对混凝土的可泵性影响很大。为使混凝土具有好的工作性能和高抗压强度,最好的砂要求0.315mm筛的累计筛余宜控制在85%～95%,0.63mm筛的累计筛余大于70%。有害物质含量:砂中的云母含量及轻物质含量影响混凝土拌合物的和易性,降低混凝土的强度及耐久性,因此砂中不应混有草根、树叶、树枝、塑料、煤块、炉渣等杂物。含泥量和泥块含量:含泥量是指粒径小于0.08mm的尘屑、淤泥和黏土的总含量,这类泥土杂质对混凝土拌合物的和易性及硬化混凝土的抗冻、抗渗和收缩等性能都有不利影响,特别是对高强度高性能混凝土的影响更大。而泥块在混凝土搅拌过程中不易被破碎,仍以块状存在与混凝土中,形成极薄弱环节,如果遇水成浆,胶结在砂子表面,不易分离,在混凝土中起着隔离作用,影响水泥石的黏结力。因此对骨料中的含泥量和泥块含量需要严格控制,不容许有泥块存在,必要时应冲洗后使用。2.3混凝土施工质量控制因素对于高强高性能混凝土,粗骨料的性能对混凝土的抗压强度及弹性模量起决定性作用,仔细检验粗骨料的性能十分重要。首先,粗骨料的品种应选择质地坚硬、未风化的石灰岩、花岗岩、辉绿岩等碎石或碎卵石,无碱活性反应;其次应考虑骨料的粒形对混凝土性能的影响,虽然卵石混凝土的流动性能好得多,但对高强混凝土来说,界面黏结力是控制因素,碎石混凝土的界面性能好于卵石混凝土,使用碎石优于卵石。由于工程位于太行山东麓,有优质的石料资源,料场分布连续稳定,岩性单一,且结构致密,质地坚硬,因此试验选用人工碎石并进行取样检验,其质量技术要求应符合《水工混凝土施工规范》的指标。骨料的表观密度与混凝土的强度有关,粗骨料的表观密度越大,配制的混凝土强度越高。配制高强度、高性能混凝土时,粗骨料的表观密度应在2650kg/m3以上。骨料的吸水率对高性能混凝土的影响也很大,粗骨料的吸水率大,混凝土的强度低,对高性能混凝土应小于1.0%。对高强混凝土,要求骨料母体的立方体抗压强度应比所配制的混凝土强度高20%以上,压碎指标<10%。对于高强泵送混凝土,石子的粒形影响混凝土的工作性和抗压强度,其影响程度比颗粒强度的影响更大更直接,目前生产石子的厂家都采用鄂式破碎机,破碎强度高的岩石时产生的针片状颗粒就多,破碎的颗粒越小,针片状颗粒越多,级配越差,空隙率越高,因此要对粗骨料颗粒中针片状颗粒含量进行控制,应不大于5%。2.4性能外加剂的影响高性能混凝土中胶结材料总量大,从而使需水量增大,并且为了提高混凝土的耐久性,提高强度,必须降低水胶比,水泥用量较大和水胶比必须降低的后果就是使混凝土黏稠度大,流变性差。解决上述矛盾最有效的途径即是掺入高性能外加剂。包括高效减水剂、缓凝剂和引气剂。外加剂的选择首先是生产厂家具有一定的生产规模和完善的质量保证体系,能保证产品质量均匀稳定,产品曾在大型工程中应用并效果良好,价格合理.初选时我们对近10余种外加剂产品进行了考察,选出4种高效减水剂根据《水工混凝土外加剂技术规程》进行检验比较,外加剂的检验结果见表3、表4。2.5单位水泥用量由于渡槽对混凝土的强度和耐久性要求高,应外加适量的矿物掺合料,一方面可以降低混凝土的单位水泥用量,降低水化热,另一方面能有效的抑制碱——骨料反应,并且有利于节能和环保,使高性能混凝土朝着可持续发展的绿色材料方向发展。常用的掺合料包括粉煤灰、磨细矿渣、磨细天然沸石粉、硅粉等。不同的掺合料对改善混凝土的物理力学性能与耐久性具有不同的效果。3原材料选择试验3.1粉煤灰的制备试验渡槽高性能混凝土试验掺粉煤灰,采用等量取代水泥直接掺用的方法。西柏坡电厂的Ⅰ级粉煤灰细度为4.5%～5.2%,需水量比为91%～92%,品质均优于邢台电厂和马头电厂的粉煤灰,因此试验采用西柏坡电厂的Ⅰ级粉煤灰。水泥用邯郸太行P.O42.5水泥和鹿泉鼎鑫P.O42.5水泥,试验结果见表5及图1、图2。从试验结果可以看出,水泥胶砂抗折强度和抗压强度随龄期的增长而增大,随粉煤灰掺量的增加而降低,抗折强度降低的幅度低于抗压强度降低的幅度,说明在水泥中掺入粉煤灰可以提高胶砂的折压比(抗折强度比抗压强度),对防止混凝土裂缝是有利的3.2高效减水剂对鼎3.5水泥的协同性能在高性能混凝土中使用高效减水剂及引气剂时,存在着外加剂与水泥的适应性问题,具体表现在混凝土坍落度的经时损失上,目前常用的萘系高效减水剂的坍落度损失比较快,因此对所选用的外加剂与水泥进行了相容性试验。试验结果见图3-图7。从试验结果可以看出:(1)高效减水剂JG-3对鼎鑫P.O42.5水泥的相容性优于太行P.O42.5水泥;JG-3减水剂对水泥的相容性优于DH3G;当JG-3减水剂与DH9引气剂复合使用,并在鼎鑫P.O42.5水泥掺加5%、10%、15%、20%、30%的西柏坡电厂Ⅰ级粉煤灰后,图4显示粉煤灰掺量为10%和15%时胶砂流动性最稳定,在60min时的流动度最大,相容性最好。(2)高效减水剂DH3G对鼎鑫P.O42.5水泥和太行P.O42.5水泥的相容性基本相同;在水泥中掺加粉煤灰10%～15%后,胶砂流动度增大,可以改善与水泥的相容性;当与DH9引气剂复合使用,并在水泥中掺加不同掺量的粉煤灰时,图3显示粉煤灰掺量为5%～15%时胶砂流动性较好。(3)高效减水剂与引气剂复合使用时,胶砂流动度在10～20min时形成峰值,在拌和60min后与初始状态基本相同。3.3最佳级配试验结果高性能混凝土要求骨料粒径连续、级配良好,以降低空隙率,降低水泥用量,提高混凝土的流动性。目前粗骨料生产均为单粒级碎石,而且5～10mm、10～20mm粒径的碎石级配比较差,因此为了使骨料的粒度分布达到最密实状态,进行了骨料最佳级配试验,即最大干密度试验。试验用的骨料为鹿泉产5～10mm、10～20mm碎石,试验结果见图8。当5～10、10～20mm重量比为4∶6时,容重最大,即为石子最佳级配,粗、细骨料最佳颗粒级配筛分见表6、表7。4水泥、水泥砂