摘要：南水北調(diào)中線惠南莊泵站工程膨脹混凝土的試驗(yàn)研究成果已成功應(yīng)用于惠南莊泵站的施工中, 取得了良好的抗裂防滲效果。由于采用二級(jí)配粗骨料和高效減水劑, 水工膨脹混凝土膠材總量較低, 膨脹劑摻量較高; 為了降低混凝土絕熱溫升和預(yù)防堿骨料反應(yīng), 一般摻加的粉煤灰較多。因此, 水工膨脹混凝土在配合比設(shè)計(jì)方面有其顯著的特點(diǎn), 建議GB50119 修訂時(shí)加以考慮。
關(guān)鍵詞：膨脹混凝土; 膨脹劑; 惠南莊泵站; 南水北調(diào)中線工程
1 工程簡(jiǎn)介
南水北調(diào)中線干線工程, 南起湖北省丹江口水庫(kù), 北至北京市頤和園團(tuán)城湖, 輸水總干渠全長(zhǎng)1 267 km, 全線以自流輸水為主。南水北調(diào)中線干線工程惠南莊泵站位于北京市房山區(qū)大石窩鎮(zhèn)惠南莊村東, 上游為北拒馬河暗渠, 泵站后接雙排內(nèi)徑為4 m 的預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管( PCCP) 壓力輸水管道至大寧調(diào)壓池, 是南水北調(diào)中線工程總干渠唯一的一座大型加壓泵站, 是北京段實(shí)現(xiàn)管涵輸水, 小流量自流, 大流量加壓揚(yáng)水的綜合性控制工程, 也是南水北調(diào)中線工程的標(biāo)志性建筑物?；菽锨f泵站為大( I) 型I 級(jí)工程, 設(shè)計(jì)流量60 m3/s, 共安裝8 臺(tái)臥式單級(jí)雙吸離心泵( 6 臺(tái)工作2 臺(tái)備用) , 配套8 臺(tái)套異步電動(dòng)機(jī)及8 臺(tái)變頻器, 單機(jī)配套功率7 300 kW, 泵站總裝機(jī)容量58.4 MW。泵站段輸水工程總長(zhǎng)度477.79 m, 總建筑面積24 000 m2, 占地面積16 萬(wàn)m2, 投資總額7.7 億元。
按照設(shè)計(jì)要求, 惠南莊泵站進(jìn)口閘底板混凝土、進(jìn)口閘頂板混凝土, 前池段底板、頂板混凝土(含抽水泵房), 進(jìn)水間段底板混凝土, 主副廠房底板混凝土, 均采用膨脹量為1.5/10 000～2.5/10 000 的膨脹混凝土; 進(jìn)口閘邊墩、中墩混凝土, 前池邊墻、中墻混凝土( 含抽水泵房) , 進(jìn)水間墩墻混凝土, 主廠房上、下游邊墻、山墻混凝土, 均采用膨脹量為2.5/10 000～3.5/10 000的膨脹混凝土。膨脹混凝土的預(yù)計(jì)施工總量為95 512.7 m3,占該工程合同混凝土總量( 148 757 m3) 的64%。
2 原材料
試驗(yàn)采用的原材料由施工方確定為: 河北鹿泉市曲寨水泥有限公司生產(chǎn)的曲峰牌P.O42.5 水泥、元寶山I 級(jí)粉煤灰、北京中巖特種工程材料公司生產(chǎn)的ZY 高效混凝土抗?jié)B防裂膨脹劑、北京市建筑工程研究院生產(chǎn)的AN9 型混凝土緩凝高效減水劑( 液體) 和北京中水科海利工程技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SK- H 引氣劑。膠凝材料的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果見表1。骨料采用北拒馬河的河砂和二級(jí)配碎卵石, 河砂細(xì)度模數(shù)為2.43, 屬于中砂。
膨脹劑的品質(zhì)檢測(cè)按照J(rèn)C476—2001《混凝土膨脹劑》及其第一號(hào)修改單, 采用工程實(shí)際使用的曲寨P.O42.5 水泥進(jìn)行。檢測(cè)結(jié)果表明, ZY 高效混凝土抗?jié)B防裂膨脹劑各項(xiàng)指標(biāo)能夠滿足JC476—2001 的要求, 性能良好, 具有堿含量低, 摻量低, 限制膨脹率比較高, 膨脹穩(wěn)定期短( 內(nèi)摻6%膨脹劑的膨脹穩(wěn)定期為7 d 左右) 等特點(diǎn)。
3 混凝土配合比
惠南莊泵站工程膨脹混凝土的設(shè)計(jì)指標(biāo)為C9030W6F150,頂板、底板混凝土膨脹量1.5/10 000～2.5/10 000, 邊墻混凝土膨脹量2.5/10 000～3.5/10 000; 加強(qiáng)帶混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)為C9035W6F150, 膨脹量3.5/10 000～4.5/10 000。根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求, 出機(jī)坍落度控制在70～90 mm, 調(diào)整SK- H 引氣劑摻量,使混凝土含氣量控制在4.5%～5.5%, 以滿足F150 的抗凍要求。
由于試驗(yàn)表明北拒馬河砂、小石和中石均為具有潛在危害性的堿- 硅酸反應(yīng)活性骨料, 必須采取選用低堿原材料、至少摻加25%的元寶山I 級(jí)粉煤灰以及優(yōu)化混凝土配合比控制混凝土總堿量等技術(shù)措施, 以達(dá)到預(yù)防堿骨料反應(yīng)的目的; 而且考慮到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)粉煤灰摻量上限的要求,所以最終取25%的粉煤灰摻量。
膨脹混凝土試驗(yàn)按照GB50119—2003《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行, 膨脹劑采用內(nèi)摻法, 等量替代膠凝材料。各類試件帶模灑水養(yǎng)護(hù)14 d 拆模。
經(jīng)過(guò)混凝土試拌, 確定進(jìn)行性能試驗(yàn)的混凝土配合比見表2。配合比中砂石骨料均為飽和面干重量。NU- 0 為膨脹劑摻量為0 的對(duì)比配合比。
4 主要設(shè)計(jì)性能指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果
按照主要設(shè)計(jì)指標(biāo), 膨脹混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗凍性能和抗?jié)B性能試驗(yàn)結(jié)果見表3。
5 主要變形性能指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果
5.1 限制膨脹率
摻膨脹劑混凝土的限制膨脹率的測(cè)定按照GB50119—2003 附錄B 進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果見表4。
5.2 彈性模量
抗壓彈性模量試件尺寸為!150 mm×300 mm, 變形值用千分表測(cè)定, 測(cè)距為150 mm?？估瓘椥阅Ａ繛?0%破壞強(qiáng)度時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變的比值, 由極限拉伸試驗(yàn)測(cè)得。膨脹混凝土的彈性模量試驗(yàn)結(jié)果見表5。
5.3 極限拉伸值
極限拉伸試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×550 mm 大8 字形試件, 變形值采用差動(dòng)式位移傳感器和數(shù)字位移計(jì)量?jī)x測(cè)試,測(cè)距為200 mm, 數(shù)字位移計(jì)的最小讀數(shù)為0.1 μm, 根據(jù)軸向拉伸測(cè)得的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系, 以拉斷時(shí)的最大變形計(jì)算出混凝土的極限拉伸值。膨脹混凝土的極限拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果見表6。
5.4 干縮
混凝土干縮試驗(yàn)試件尺寸為100 mm×100 mm×500 mm棱柱體?；炷脸尚? d 后拆模, 測(cè)定基長(zhǎng), 混凝土干縮值由安裝在立式干縮架上的千分表測(cè)定。試驗(yàn)室溫度控制為20±2℃, 相對(duì)濕度為60%左右。膨脹混凝土的干縮試驗(yàn)結(jié)果見圖1。
由圖1 中曲線可知, 到90 d 測(cè)長(zhǎng)齡期時(shí), 膨脹混凝土的干縮變形小于對(duì)比混凝土; 隨膨脹劑摻量的增加, 膨脹混凝土的干縮變大。
5.5 自生體積變形
自生體積變形試件尺寸為!150 mm×500 mm 的圓柱體,試件中心內(nèi)埋電阻式應(yīng)變計(jì), 混凝土振實(shí)后用錫焊將筒密封, 密封后立即放入恒溫室。自生體積變形量測(cè)采用比例電橋, 根據(jù)測(cè)量電阻式應(yīng)變計(jì)的電阻與電阻比及混凝土的熱膨脹系數(shù)來(lái)計(jì)算其自生體積變形值。膨脹混凝土的自生體積變形試驗(yàn)結(jié)果見圖2。
由圖2 中曲線可知, 到90 d 測(cè)長(zhǎng)齡期時(shí), 混凝土的自生體積變形已穩(wěn)定,膨脹混凝土自生體積變形為膨脹型; 隨膨脹劑摻量的增加, 膨脹混凝土的自生體積變形變大, 達(dá)到最大自生體積變形的時(shí)間延長(zhǎng), 說(shuō)明膨脹穩(wěn)定期變長(zhǎng)。
6 總結(jié)
(1) 由于水工膨脹混凝土采用二級(jí)配粗骨料, 以及高效減水劑的使用, 使得惠南莊泵站膨脹混凝土每m3 的膠凝材料用量小于GB50119—2003 表8.5.2 和8.5.2 條第3 款規(guī)定的膠凝材料最少用量要求; 又使得膨脹劑摻量超出8.5.2 條第4 款推薦的摻量范圍。因此, 建議在GB50119 的后續(xù)修訂中, 考慮水工混凝土的特點(diǎn), 增大相關(guān)條款的限制范圍或增加專門條款。
(2) 考慮到GB50119—2003 中8.6.1 條提出“摻膨脹劑的混凝土品質(zhì), 應(yīng)以抗壓強(qiáng)度、限制膨脹率和限制干縮率的試驗(yàn)值為依據(jù)”, 因此在提交的研究報(bào)告中, 建議惠南莊泵站的施工方不僅要現(xiàn)場(chǎng)留樣檢測(cè)混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗凍性能和抗?jié)B性能, 還要留樣檢測(cè)混凝土的膨脹性能, 以保證膨脹混凝土的質(zhì)量, 從而確保工程質(zhì)量。在2006 年4 月1 日～2006年11 月29 日期間, 現(xiàn)場(chǎng)取限制膨脹率試件共62 組, 經(jīng)檢測(cè)合格率達(dá)100%。
(3) 對(duì)惠南莊泵站的底板膨脹混凝土采用濕麻袋覆蓋養(yǎng)護(hù), 對(duì)墻體采用濕麻袋緊貼墻體覆蓋, 并澆水養(yǎng)護(hù), 以保持混凝土表面潮濕, 養(yǎng)護(hù)時(shí)間為14 d。經(jīng)后期檢測(cè), 膨脹混凝土質(zhì)量良好, 無(wú)明顯的或貫穿性的裂紋。
