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聚羧酸减水剂在南水北调工程中的应用

信息来源:hunningtu.biz  时间:2009-09-04  浏览次数:135

  南水北调中线北京段全长约80km,其中惠南庄-大宁段采用PCCP管道输水,线路总长56.359km,占北京段总干渠全长的70%.PCCP输水管道工程设计自流流量20m3/s,加压流量60m3/s.管道由2排并行DN4000PCCP管道构成,管道中心线距离为6.1m.PCCP是预应力钢筒混凝土管(PrestressedConcreteCylinderPipe)的英文缩写。PCCP由钢筒、混凝土、高强预应力钢丝、砂浆保护层构成。
  由于南水北调是国家重点工程,对原材料的要求非常严格。根据南水北调中线干线工程建设管理局制定的《预防混凝土工程碱骨料反应技术条例》规定,PCCP工程属Ⅲ类潮湿环境工程,混凝土中总碱含量不得大于2.5kg/m3.砂、石骨料必须采用非碱活性骨料。PCCP的最高工作压力为0.8MPa,水锤压力为0.32MPa,检验压力为1.12MPa.覆土深度深达10m,管沟铺设包角90°,附加荷载20kPa.根据对PCCP结构优化设计的结果,生产能够满足以上要求的PCCP需采用C60混凝土,管芯壁厚380mm,同时需要缠绕双层高强预应力钢丝,整管重量达77t.生产大口径PCCP场地是制约生产效率的一个关键问题。AWWAC301中规定,PCCP的缠丝强度为混凝土强度的70%,如果成型的管芯不能达到缠丝强度(420kg/cm2)就需要在场地进行临时周转堆放,等待强度达到设计要求。由于管体巨大,按3天的临时堆放时间考虑就需5000m2的周转场地。因此,要求管芯脱模后就必须达到缠丝强度。
  通常混凝土制品的蒸养温度在80℃~85℃之间。AWWAC301中虽然允许对管芯进行蒸养,但要求蒸养温度不得超过52℃。这一规定也为尽量提高混凝土的早期强度增加了难度。
  管芯壁厚达380mm,管长5m,工艺要求混凝土的坍落度必须保证在5cm~8cm之间。坍落度过小,不易振到密实,产生麻面;坍落度过大,上层混凝土易产生离析,水泥浆上浮。
  混凝土浇筑为露天作业,搅拌楼距最远一个工位约150m,因此要求在夏季最热的天气(室外温度高于45℃)时,30分钟坍落度损失不能超过2cm.由于工程的特殊性,所有管芯混凝土强度的保证率必须达到100%.考虑到原材料的正常波动和人为因素,混凝土配合比设计按C65进行。
  1.养护制度。根据AWWAC301的要求,设计养护制度如下:升温1.5h,恒温8h,降温2h,升温速度每小时不超过22℃,恒温温度为50℃~52℃之间。
  2.试配。混凝土在强制式搅拌机中搅拌3min后,出机检验混凝土的坍落度及和易性,用来评定混凝土的工作性。将拌匀后的混凝土装入150mm×150mm×150mm试模中,后移入标养室静停1h后,按蒸养制度进行养护。试件共3组,一组测试蒸养强度;另两组转入标准养护室中分别养护7天和28天,测试其强度。
  3.初步筛选结果。虽然水泥用量在500kg/m3以上时配制出的混凝土大都能够满足强度要求,但在进行碱含量计算时发现均超过了2.5kg/m3的工程规定。假设所有水泥的碱含量均≤0.6%,每立方米混凝土中的水泥用量不能超过416kg.此计算尚未包括粉煤灰和外加剂中的碱含量。在我们选定的4种水泥中,北京地区产的水泥由于矿山地质条件等原因,碱含量偏高,实测结果甚至超过0.6%的规定值。振兴水泥和冀东水泥碱含量较低,实测结果分别为0.48%和0.49%.考虑到水泥生产的波动性及工程要求的99%以上的保证率,在进行生产厂考察时查阅了有关生产检验台账,发现天津振兴水泥3年内碱含量检测结果无一超过0.54%.从而确定了水泥的供应商,并确定以0.55%作为水泥中碱含量的计算值。
  PCCP管壁厚达380mm,混凝土中需掺入适量的粉煤灰以改善其水化热与合易性性能。《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》DL/T5055-1996定义Ⅰ级和Ⅱ级粉煤灰的碱含量必须≤1.5%.由此估算,粉煤灰带入的碱约0.3kg/m3.要达到2.5kg/m3总碱含量控制指标,减水剂中的碱含量必须严格限制。聚羧酸减水剂含碱量很低,天津雍阳外加剂厂生产聚羧酸类AST系列减水剂经实测只有0.41%.与其他减水剂类似,聚羧酸减水剂也有与水泥适应性的问题。主要表现为坍落度损失过快,搅拌后很短时间出现泌水现象。试验中发现有的水泥品种搅拌后静停15min后便失去流动性,再次搅拌后流动性恢复。通过初步试验选定了用于PCCP管芯混凝土的主要原材料。
  4.优化配合比。根据以上分析,粉煤灰和减水剂中的碱含量已经无法再进一步减少,降低混凝土中的碱含量只能靠尽量减少水泥用量、优化配合比、提高混凝土强度来实现。为此在以下几方面对配合比进行了优化。(1)改善碎石级配。根据紧密堆积法试验结果,将碎石改为人工二级级配,在现有石料中加入25%的5mm~10mm小颗粒碎石。(2)调整砂率。将砂率从40%降低至32%左右。(3)适当降低减水剂掺量。聚羧酸减水剂掺量过高时会造成拌合料发黏,坍落度损失过快,不利于混凝土浇筑。经反复试配,将其掺量从1.9%降至1.6%.通过优化配合比,混凝土的流动性显著增加,其他工作性也得到明显改善。在保证5cm~8cm坍落度的条件下,混凝土强度大幅度提高。最终确定了分别用于夏季(编号2)和春、秋季(编号1)PCCP管芯混凝土的配合比。
  通过对PCCP管芯混凝土配合比的研究和试验对聚羧酸减水剂的使用有如下体会:
  1 在对碱骨料反应有特殊要求的重要工程中,利用聚羧酸减水剂碱含量低的特性可以有效地解决北方地区由于水泥含碱量较高造成的混凝土中总碱含量超过规定值问题。
  2 实践证明,利用聚羧酸类高效减水剂,采用合理的混凝土配合比配制高强混凝土,混凝土外观质量光洁平滑,色泽一致,完全可以满足高强混凝土施工要求。
  3 在保证混凝土强度的前提下,尽量减少减水剂的掺量,既能改善拌合物的性能,又不失为一种经济的做法。
  4 冬季施工时,其水温不要超过60°,如水温过高也会影响减水效果。
  5 外加剂存储容器最好使用不锈钢或塑料容器。如使用铁罐,外加剂会对罐体进行腐蚀,同时也影响外加剂本身的性能。  南水北调中线北京段全长约80km,其中惠南庄-大宁段采用PCCP管道输水,线路总长56.359km,占北京段总干渠全长的70%.PCCP输水管道工程设计自流流量20m3/s,加压流量60m3/s.管道由2排并行DN4000PCCP管道构成,管道中心线距离为6.1m.PCCP是预应力钢筒混凝土管(PrestressedConcreteCylinderPipe)的英文缩写。PCCP由钢筒、混凝土、高强预应力钢丝、砂浆保护层构成。
  由于南水北调是国家重点工程,对原材料的要求非常严格。根据南水北调中线干线工程建设管理局制定的《预防混凝土工程碱骨料反应技术条例》规定,PCCP工程属Ⅲ类潮湿环境工程,混凝土中总碱含量不得大于2.5kg/m3.砂、石骨料必须采用非碱活性骨料。PCCP的最高工作压力为0.8MPa,水锤压力为0.32MPa,检验压力为1.12MPa.覆土深度深达10m,管沟铺设包角90°,附加荷载20kPa.根据对PCCP结构优化设计的结果,生产能够满足以上要求的PCCP需采用C60混凝土,管芯壁厚380mm,同时需要缠绕双层高强预应力钢丝,整管重量达77t.生产大口径PCCP场地是制约生产效率的一个关键问题。AWWAC301中规定,PCCP的缠丝强度为混凝土强度的70%,如果成型的管芯不能达到缠丝强度(420kg/cm2)就需要在场地进行临时周转堆放,等待强度达到设计要求。由于管体巨大,按3天的临时堆放时间考虑就需5000m2的周转场地。因此,要求管芯脱模后就必须达到缠丝强度。
  通常混凝土制品的蒸养温度在80℃~85℃之间。AWWAC301中虽然允许对管芯进行蒸养,但要求蒸养温度不得超过52℃。这一规定也为尽量提高混凝土的早期强度增加了难度。
  管芯壁厚达380mm,管长5m,工艺要求混凝土的坍落度必须保证在5cm~8cm之间。坍落度过小,不易振到密实,产生麻面;坍落度过大,上层混凝土易产生离析,水泥浆上浮。
  混凝土浇筑为露天作业,搅拌楼距最远一个工位约150m,因此要求在夏季最热的天气(室外温度高于45℃)时,30分钟坍落度损失不能超过2cm.由于工程的特殊性,所有管芯混凝土强度的保证率必须达到100%.考虑到原材料的正常波动和人为因素,混凝土配合比设计按C65进行。
  1.养护制度。根据AWWAC301的要求,设计养护制度如下:升温1.5h,恒温8h,降温2h,升温速度每小时不超过22℃,恒温温度为50℃~52℃之间。
  2.试配。混凝土在强制式搅拌机中搅拌3min后,出机检验混凝土的坍落度及和易性,用来评定混凝土的工作性。将拌匀后的混凝土装入150mm×150mm×150mm试模中,后移入标养室静停1h后,按蒸养制度进行养护。试件共3组,一组测试蒸养强度;另两组转入标准养护室中分别养护7天和28天,测试其强度。
  3.初步筛选结果。虽然水泥用量在500kg/m3以上时配制出的混凝土大都能够满足强度要求,但在进行碱含量计算时发现均超过了2.5kg/m3的工程规定。假设所有水泥的碱含量均≤0.6%,每立方米混凝土中的水泥用量不能超过416kg.此计算尚未包括粉煤灰和外加剂中的碱含量。在我们选定的4种水泥中,北京地区产的水泥由于矿山地质条件等原因,碱含量偏高,实测结果甚至超过0.6%的规定值。振兴水泥和冀东水泥碱含量较低,实测结果分别为0.48%和0.49%.考虑到水泥生产的波动性及工程要求的99%以上的保证率,在进行生产厂考察时查阅了有关生产检验台账,发现天津振兴水泥3年内碱含量检测结果无一超过0.54%.从而确定了水泥的供应商,并确定以0.55%作为水泥中碱含量的计算值。
  PCCP管壁厚达380mm,混凝土中需掺入适量的粉煤灰以改善其水化热与合易性性能。《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》DL/T5055-1996定义Ⅰ级和Ⅱ级粉煤灰的碱含量必须≤1.5%.由此估算,粉煤灰带入的碱约0.3kg/m3.要达到2.5kg/m3总碱含量控制指标,减水剂中的碱含量必须严格限制。聚羧酸减水剂含碱量很低,天津雍阳外加剂厂生产聚羧酸类AST系列减水剂经实测只有0.41%.与其他减水剂类似,聚羧酸减水剂也有与水泥适应性的问题。主要表现为坍落度损失过快,搅拌后很短时间出现泌水现象。试验中发现有的水泥品种搅拌后静停15min后便失去流动性,再次搅拌后流动性恢复。通过初步试验选定了用于PCCP管芯混凝土的主要原材料。
  4.优化配合比。根据以上分析,粉煤灰和减水剂中的碱含量已经无法再进一步减少,降低混凝土中的碱含量只能靠尽量减少水泥用量、优化配合比、提高混凝土强度来实现。为此在以下几方面对配合比进行了优化。(1)改善碎石级配。根据紧密堆积法试验结果,将碎石改为人工二级级配,在现有石料中加入25%的5mm~10mm小颗粒碎石。(2)调整砂率。将砂率从40%降低至32%左右。(3)适当降低减水剂掺量。聚羧酸减水剂掺量过高时会造成拌合料发黏,坍落度损失过快,不利于混凝土浇筑。经反复试配,将其掺量从1.9%降至1.6%.通过优化配合比,混凝土的流动性显著增加,其他工作性也得到明显改善。在保证5cm~8cm坍落度的条件下,混凝土强度大幅度提高。最终确定了分别用于夏季(编号2)和春、秋季(编号1)PCCP管芯混凝土的配合比。
  通过对PCCP管芯混凝土配合比的研究和试验对聚羧酸减水剂的使用有如下体会:
  1 在对碱骨料反应有特殊要求的重要工程中,利用聚羧酸减水剂碱含量低的特性可以有效地解决北方地区由于水泥含碱量较高造成的混凝土中总碱含量超过规定值问题。
  2 实践证明,利用聚羧酸类高效减水剂,采用合理的混凝土配合比配制高强混凝土,混凝土外观质量光洁平滑,色泽一致,完全可以满足高强混凝土施工要求。
  3 在保证混凝土强度的前提下,尽量减少减水剂的掺量,既能改善拌合物的性能,又不失为一种经济的做法。
  4 冬季施工时,其水温不要超过60°,如水温过高也会影响减水效果。
  5 外加剂存储容器最好使用不锈钢或塑料容器。如使用铁罐,外加剂会对罐体进行腐蚀,同时也影响外加剂本身的性能。

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