摘要：南水北调中线惠南庄泵站工程膨胀混凝土的试验研究成果已成功应用于惠南庄泵站的施工中, 取得了良好的抗裂防渗效果。由于采用二级配粗骨料和高效减水剂, 水工膨胀混凝土胶材总量较低, 膨胀剂掺量较高; 为了降低混凝土绝热温升和预防碱骨料反应, 一般掺加的粉煤灰较多。因此, 水工膨胀混凝土在配合比设计方面有其显著的特点, 建议GB50119 修订时加以考虑。
关键词：膨胀混凝土; 膨胀剂; 惠南庄泵站; 南水北调中线工程
1 工程简介
南水北调中线干线工程, 南起湖北省丹江口水库, 北至北京市颐和园团城湖, 输水总干渠全长1 267 km, 全线以自流输水为主。南水北调中线干线工程惠南庄泵站位于北京市房山区大石窝镇惠南庄村东, 上游为北拒马河暗渠, 泵站后接双排内径为4 m 的预应力钢筒混凝土管( PCCP) 压力输水管道至大宁调压池, 是南水北调中线工程总干渠唯一的一座大型加压泵站, 是北京段实现管涵输水, 小流量自流, 大流量加压扬水的综合性控制工程, 也是南水北调中线工程的标志性建筑物。惠南庄泵站为大( I) 型I 级工程, 设计流量60 m3/s, 共安装8 台卧式单级双吸离心泵( 6 台工作2 台备用) , 配套8 台套异步电动机及8 台变频器, 单机配套功率7 300 kW, 泵站总装机容量58.4 MW。泵站段输水工程总长度477.79 m, 总建筑面积24 000 m2, 占地面积16 万m2, 投资总额7.7 亿元。
按照设计要求, 惠南庄泵站进口闸底板混凝土、进口闸顶板混凝土, 前池段底板、顶板混凝土(含抽水泵房), 进水间段底板混凝土, 主副厂房底板混凝土, 均采用膨胀量为1.5/10 000～2.5/10 000 的膨胀混凝土; 进口闸边墩、中墩混凝土, 前池边墙、中墙混凝土( 含抽水泵房) , 进水间墩墙混凝土, 主厂房上、下游边墙、山墙混凝土, 均采用膨胀量为2.5/10 000～3.5/10 000的膨胀混凝土。膨胀混凝土的预计施工总量为95 512.7 m3,占该工程合同混凝土总量( 148 757 m3) 的64%。
2 原材料
试验采用的原材料由施工方确定为: 河北鹿泉市曲寨水泥有限公司生产的曲峰牌P.O42.5 水泥、元宝山I 级粉煤灰、北京中岩特种工程材料公司生产的ZY 高效混凝土抗渗防裂膨胀剂、北京市建筑工程研究院生产的AN9 型混凝土缓凝高效减水剂( 液体) 和北京中水科海利工程技术有限公司生产的SK- H 引气剂。胶凝材料的化学成分检测结果见表1。骨料采用北拒马河的河砂和二级配碎卵石, 河砂细度模数为2.43, 属于中砂。
膨胀剂的品质检测按照JC476—2001《混凝土膨胀剂》及其第一号修改单, 采用工程实际使用的曲寨P.O42.5 水泥进行。检测结果表明, ZY 高效混凝土抗渗防裂膨胀剂各项指标能够满足JC476—2001 的要求, 性能良好, 具有碱含量低, 掺量低, 限制膨胀率比较高, 膨胀稳定期短( 内掺6%膨胀剂的膨胀稳定期为7 d 左右) 等特点。
3 混凝土配合比
惠南庄泵站工程膨胀混凝土的设计指标为C9030W6F150,顶板、底板混凝土膨胀量1.5/10 000～2.5/10 000, 边墙混凝土膨胀量2.5/10 000～3.5/10 000; 加强带混凝土设计指标为C9035W6F150, 膨胀量3.5/10 000～4.5/10 000。根据工程设计要求, 出机坍落度控制在70～90 mm, 调整SK- H 引气剂掺量,使混凝土含气量控制在4.5%～5.5%, 以满足F150 的抗冻要求。
由于试验表明北拒马河砂、小石和中石均为具有潜在危害性的碱- 硅酸反应活性骨料, 必须采取选用低碱原材料、至少掺加25%的元宝山I 级粉煤灰以及优化混凝土配合比控制混凝土总碱量等技术措施, 以达到预防碱骨料反应的目的; 而且考虑到钢筋混凝土结构对粉煤灰掺量上限的要求,所以最终取25%的粉煤灰掺量。
膨胀混凝土试验按照GB50119—2003《混凝土外加剂应用技术规程》进行, 膨胀剂采用内掺法, 等量替代胶凝材料。各类试件带模洒水养护14 d 拆模。
经过混凝土试拌, 确定进行性能试验的混凝土配合比见表2。配合比中砂石骨料均为饱和面干重量。NU- 0 为膨胀剂掺量为0 的对比配合比。
4 主要设计性能指标的试验结果
按照主要设计指标, 膨胀混凝土的抗压强度、抗冻性能和抗渗性能试验结果见表3。
5 主要变形性能指标的试验结果
5.1 限制膨胀率
掺膨胀剂混凝土的限制膨胀率的测定按照GB50119—2003 附录B 进行。试验结果见表4。
5.2 弹性模量
抗压弹性模量试件尺寸为!150 mm×300 mm, 变形值用千分表测定, 测距为150 mm。抗拉弹性模量为50%破坏强度时的应力与应变的比值, 由极限拉伸试验测得。膨胀混凝土的弹性模量试验结果见表5。
5.3 极限拉伸值
极限拉伸试验采用100 mm×100 mm×550 mm 大8 字形试件, 变形值采用差动式位移传感器和数字位移计量仪测试,测距为200 mm, 数字位移计的最小读数为0.1 μm, 根据轴向拉伸测得的应力与应变关系, 以拉断时的最大变形计算出混凝土的极限拉伸值。膨胀混凝土的极限拉伸性能试验结果见表6。
5.4 干缩
混凝土干缩试验试件尺寸为100 mm×100 mm×500 mm棱柱体。混凝土成型2 d 后拆模, 测定基长, 混凝土干缩值由安装在立式干缩架上的千分表测定。试验室温度控制为20±2℃, 相对湿度为60%左右。膨胀混凝土的干缩试验结果见图1。
由图1 中曲线可知, 到90 d 测长龄期时, 膨胀混凝土的干缩变形小于对比混凝土; 随膨胀剂掺量的增加, 膨胀混凝土的干缩变大。
5.5 自生体积变形
自生体积变形试件尺寸为!150 mm×500 mm 的圆柱体,试件中心内埋电阻式应变计, 混凝土振实后用锡焊将筒密封, 密封后立即放入恒温室。自生体积变形量测采用比例电桥, 根据测量电阻式应变计的电阻与电阻比及混凝土的热膨胀系数来计算其自生体积变形值。膨胀混凝土的自生体积变形试验结果见图2。
由图2 中曲线可知, 到90 d 测长龄期时, 混凝土的自生体积变形已稳定,膨胀混凝土自生体积变形为膨胀型; 随膨胀剂掺量的增加, 膨胀混凝土的自生体积变形变大, 达到最大自生体积变形的时间延长, 说明膨胀稳定期变长。
6 总结
(1) 由于水工膨胀混凝土采用二级配粗骨料, 以及高效减水剂的使用, 使得惠南庄泵站膨胀混凝土每m3 的胶凝材料用量小于GB50119—2003 表8.5.2 和8.5.2 条第3 款规定的胶凝材料最少用量要求; 又使得膨胀剂掺量超出8.5.2 条第4 款推荐的掺量范围。因此, 建议在GB50119 的后续修订中, 考虑水工混凝土的特点, 增大相关条款的限制范围或增加专门条款。
(2) 考虑到GB50119—2003 中8.6.1 条提出“掺膨胀剂的混凝土品质, 应以抗压强度、限制膨胀率和限制干缩率的试验值为依据”, 因此在提交的研究报告中, 建议惠南庄泵站的施工方不仅要现场留样检测混凝土的抗压强度、抗冻性能和抗渗性能, 还要留样检测混凝土的膨胀性能, 以保证膨胀混凝土的质量, 从而确保工程质量。在2006 年4 月1 日～2006年11 月29 日期间, 现场取限制膨胀率试件共62 组, 经检测合格率达100%。
(3) 对惠南庄泵站的底板膨胀混凝土采用湿麻袋覆盖养护, 对墙体采用湿麻袋紧贴墙体覆盖, 并浇水养护, 以保持混凝土表面潮湿, 养护时间为14 d。经后期检测, 膨胀混凝土质量良好, 无明显的或贯穿性的裂纹。
