摘要：南水北調中線惠南莊泵站工程膨脹混凝土的試驗研究成果已成功應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防堿骨料反應, 一般摻加的粉煤灰較多。因此, 水工膨脹混凝土在配合比設計方面有其顯著的特點, 建議GB50119 修訂時加以考慮。
關鍵詞：膨脹混凝土; 膨脹劑; 惠南莊泵站; 南水北調中線工程
1 工程簡介
南水北調中線干線工程, 南起湖北省丹江口水庫, 北至北京市頤和園團城湖, 輸水總干渠全長1 267 km, 全線以自流輸水為主。南水北調中線干線工程惠南莊泵站位于北京市房山區大石窩鎮惠南莊村東, 上游為北拒馬河暗渠, 泵站后接雙排內徑為4 m 的預應力鋼筒混凝土管( PCCP) 壓力輸水管道至大寧調壓池, 是南水北調中線工程總干渠唯一的一座大型加壓泵站, 是北京段實現管涵輸水, 小流量自流, 大流量加壓揚水的綜合性控制工程, 也是南水北調中線工程的標志性建筑物。惠南莊泵站為大( I) 型I 級工程, 設計流量60 m3/s, 共安裝8 臺臥式單級雙吸離心泵( 6 臺工作2 臺備用) , 配套8 臺套異步電動機及8 臺變頻器, 單機配套功率7 300 kW, 泵站總裝機容量58.4 MW。泵站段輸水工程總長度477.79 m, 總建筑面積24 000 m2, 占地面積16 萬m2, 投資總額7.7 億元。
按照設計要求, 惠南莊泵站進口閘底板混凝土、進口閘頂板混凝土, 前池段底板、頂板混凝土(含抽水泵房), 進水間段底板混凝土, 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; 進口閘邊墩、中墩混凝土, 前池邊墻、中墻混凝土( 含抽水泵房) , 進水間墩墻混凝土, 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。膨脹混凝土的預計施工總量為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的曲峰牌P.O42.5 水泥、元寶山I 級粉煤灰、北京中巖特種工程材料公司生產的ZY 高效混凝土抗滲防裂膨脹劑、北京市建筑工程研究院生產的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有限公司生產的SK- H 引氣劑。膠凝材料的化學成分檢測結果見表1。骨料采用北拒馬河的河砂和二級配碎卵石, 河砂細度模數為2.43, 屬于中砂。
膨脹劑的品質檢測按照JC476—2001《混凝土膨脹劑》及其第一號修改單, 采用工程實際使用的曲寨P.O42.5 水泥進行。檢測結果表明, ZY 高效混凝土抗滲防裂膨脹劑各項指標能夠滿足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, 膨脹穩定期短( 內摻6%膨脹劑的膨脹穩定期為7 d 左右) 等特點。
3 混凝土配合比
惠南莊泵站工程膨脹混凝土的設計指標為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; 加強帶混凝土設計指標為C9035W6F150, 膨脹量3.5/10 000～4.5/10 000。根據工程設計要求, 出機坍落度控制在70～90 mm, 調整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 級粉煤灰以及優化混凝土配合比控制混凝土總堿量等技術措施, 以達到預防堿骨料反應的目的; 而且考慮到鋼筋混凝土結構對粉煤灰摻量上限的要求,所以最終取25%的粉煤灰摻量。
膨脹混凝土試驗按照GB50119—2003《混凝土外加劑應用技術規程》進行, 膨脹劑采用內摻法, 等量替代膠凝材料。各類試件帶模灑水養護14 d 拆模。
經過混凝土試拌, 確定進行性能試驗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 的對比配合比。
4 主要設計性能指標的試驗結果
按照主要設計指標, 膨脹混凝土的抗壓強度、抗凍性能和抗滲性能試驗結果見表3。
5 主要變形性能指標的試驗結果
5.1 限制膨脹率
摻膨脹劑混凝土的限制膨脹率的測定按照GB50119—2003 附錄B 進行。試驗結果見表4。
5.2 彈性模量
抗壓彈性模量試件尺寸為!150 mm×300 mm, 變形值用千分表測定, 測距為150 mm。抗拉彈性模量為50%破壞強度時的應力與應變的比值, 由極限拉伸試驗測得。膨脹混凝土的彈性模量試驗結果見表5。
5.3 極限拉伸值
極限拉伸試驗采用100 mm×100 mm×550 mm 大8 字形試件, 變形值采用差動式位移傳感器和數字位移計量儀測試,測距為200 mm, 數字位移計的最小讀數為0.1 μm, 根據軸向拉伸測得的應力與應變關系, 以拉斷時的最大變形計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結果見表6。
5.4 干縮
混凝土干縮試驗試件尺寸為100 mm×100 mm×500 mm棱柱體。混凝土成型2 d 后拆模, 測定基長, 混凝土干縮值由安裝在立式干縮架上的千分表測定。試驗室溫度控制為20±2℃, 相對濕度為60%左右。膨脹混凝土的干縮試驗結果見圖1。
由圖1 中曲線可知, 到90 d 測長齡期時, 膨脹混凝土的干縮變形小于對比混凝土; 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,試件中心內埋電阻式應變計, 混凝土振實后用錫焊將筒密封, 密封后立即放入恒溫室。自生體積變形量測采用比例電橋, 根據測量電阻式應變計的電阻與電阻比及混凝土的熱膨脹系數來計算其自生體積變形值。膨脹混凝土的自生體積變形試驗結果見圖2。
由圖2 中曲線可知, 到90 d 測長齡期時, 混凝土的自生體積變形已穩定,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, 達到最大自生體積變形的時間延長, 說明膨脹穩定期變長。
6 總結
(1) 由于水工膨脹混凝土采用二級配粗骨料, 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 的后續修訂中, 考慮水工混凝土的特點, 增大相關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, 應以抗壓強度、限制膨脹率和限制干縮率的試驗值為依據”, 因此在提交的研究報告中, 建議惠南莊泵站的施工方不僅要現場留樣檢測混凝土的抗壓強度、抗凍性能和抗滲性能, 還要留樣檢測混凝土的膨脹性能, 以保證膨脹混凝土的質量, 從而確保工程質量。在2006 年4 月1 日～2006年11 月29 日期間, 現場取限制膨脹率試件共62 組, 經檢測合格率達100%。
(3) 對惠南莊泵站的底板膨脹混凝土采用濕麻袋覆蓋養護, 對墻體采用濕麻袋緊貼墻體覆蓋, 并澆水養護, 以保持混凝土表面潮濕, 養護時間為14 d。經后期檢測, 膨脹混凝土質量良好, 無明顯的或貫穿性的裂紋。
