高性能混凝土在博斯腾湖东泵站输水干渠工程中的应用.pdf

水利 技术监督 2 0 1 2 年第 1 期 高性能混凝土在博斯腾湖东泵站 输水干渠工程中的应用 王 峰 ( 新疆塔里木河流域 巴音郭楞管理局，新疆库尔勒 8 4 1 0 0 0 ) 【 摘要】 文章从原材料、配合比试验及耐久性等方面介绍了高性能混凝土在博斯腾湖东泵站输水干渠工程中 的应用，并结合工程实际情况提出了对高性能混凝土使用方面的一些建议。 【 关键词】 水利工程；高性能混凝土：耐久性 D O I 编码 】 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 8 1 3 0 5 2 0 1 2 O 1 0 2 2 【 中图分类号】 T U 5 2 8 ；T V 6 7 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 塔里木河近期综合 治理项 目博斯腾湖东泵站 输水干渠工程，位于巴音郭楞蒙古自治州博湖县和 库尔勒市境内，孔雀河上游段。 输水干渠 由1 3 6 5 k m 混凝土渠、 2 5 6 3 1 k m土渠、 六处纳洪 口、 六座桥、 七座钢渡槽及附属工程组成， 全长 3 9 2 8 1 k m 。干渠 0 + 0 0 0 9 + 3 4 7段渠底为 I O a m 厚的现浇混凝土， 9 + 3 4 7 1 3 + 6 5 0段渠底为 l O c m厚 的预制六棱板，此后接土渠。混凝土防渗渠段底宽 2 0 m ，梯形断面，边坡 1 ： 1 7 5 ，边坡为预制六棱板， 校核水位线以上用 6 c m 板，校核水位线 以下用 l O a m 板 。输水干渠设计流量 4 5 I I l3 s ，校核流量 5 4 m 3 s ， 工程规模为中型工程，工程等别为三等。 工程区高程约为 1 0 4 8 1 0 5 7 m ，沿线地形东高 西低，自北 向南微微倾斜，地势较平坦。其地貌单 元为山前洪积与湖沉积接触地带。工程区南面为库 鲁克山脉 ，山脉走向近东西 向。北面濒临博湖 ，地 层岩性主要为第四系湖相沉积物和少量砂丘。地下 水埋深在 0 3 3 2 m左右 ，水位低于湖水且随湖水 的涨落而升降，补给主要是博湖湖水。 通过建设博斯腾湖东泵站输水干渠工程，从开 一 孔河 向塔河下游安全、高效地输送生产、生态用 水 ，以挽救濒临毁灭的 “ 绿色走廊 ” ，保护流域生 态环境 。 图 1 博湖东泵站输水干渠 1 工程技术要求 该干渠工程所处地理环境多年平均气温 1 2 C， 极端最高气温 4 0 C，极端最低气温- 3 5 2 C，属寒 冷地区，且季节与昼夜温差大。因此，对抗冻耐久 作者简介：王峰 ( 1 9 7 8年一 ) ，男，工程师 67 水利技术监督 2 0 1 2 年第 1 期 性有较高的要求 ，设计上抗冻等级为 F 2 0 0 ，抗渗等 级 w 6 ，强度等级为 C 2 0 、C 2 5 、C 3 0 。 该 工 程 地 下 水 中硫 酸 盐 含 量 为 5 7 6 4 1 2 3 9 1 7 m g 1 ，对普通混凝土有较大的侵蚀作用， 经研究决定在混凝土中掺加矿渣微粉和高效减水 剂配置 高性能混凝土，以抵抗硫酸盐对混凝土板及 建筑物 的侵蚀 。 2 材 料 2 1水泥 工程采用 ( 塔什店粉磨站)3 2 5 P 0水泥，主 要技术性质见表 1 。水泥的碱含量为 0 8 ，熟料中 的 C 3 S为 6 1 ，C 2 S为 1 9 ，C 3 A为 3 ，水泥中的碱 含量与 C 含量较低 ，对抑制碱骨料反应与抵抗硫 酸盐侵蚀较为有利 ，并且能够减少水化热产生 的温 度裂缝 。 2 2矿渣微粉 工程采 用的矿渣微 粉为新疆生产 的粒化 高炉 矿粉 。其化学成分及技术指标分别见表 2 、表 3 。 矿粉的比表面积是 4 3 0 m 2 k g ，由实验得知，此 矿粉混凝土早期强度发展较快，应加强混凝土早期 养护。矿粉 比表面积 的大小是影响矿粉混凝土早期 强度及抵抗硫酸盐侵蚀 的重要因素之一。矿粉 比表 面积小的混凝土早期强度发展慢，抵抗硫酸盐侵蚀 效果差 ；矿粉比表面积大的混凝土早期强度高，抵 抗硫酸盐侵蚀效果好。 表 1 普通硅酸盐 3 2 5水泥主要技术性质 项目 凝 结 时 间 安 强 度 ( M P a ) 密 度 细 度 标准稠度用水量 抗折强度 抗压强度 ( g c m 3 ) ( ) ( ) 定 标准 性 初凝 ( h ： m i n ) 终凝 ( h ： m i n ) 3 d 2 8 d 3 d 2 8 d 3 2 5 3 O 3 6 2 8 6 1 ： 2 5 3 ： 1 6 合格 5 2 7 6 2 5 2 3 6 2 表 2 矿渣微粉化学成分检验结果 ( 单位 ： ) 检验项 目 l o s s S i O 2 A l 2 o 3 F e 2 C a O M g O 2 S M 2 0 O N a 2 0 C l 一 粒化高炉矿渣粉 1 3 8 3 6 8 7 1 0 2 5 L 4 8 3 9 0 2 9 2 3 2 2 3 O 2 4 O 6 3 1 1 4 0 O 1 表 3 矿渣微粉技术指标检验结果 密度 比表面积 活性指数 ( ) 流动度比 含水量 三氧化硫 氯离子 烧失量 检验项 目 级别 ( g c 功 3 ) ( d k g ) 7 d 2 8 d ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 粒化高炉矿渣粉 $ 7 5 2 9 3 4 3 0 5 9 9 5 1 0 8 0 5 O 2 2 0 3 2 3外加剂 通过对 K D N O F - A ， C A S - m 、 N F - 1 、 R H 一 2 、L E X - 9 等 多种 减水剂进 行减 水剂水泥浆流动度对 比试验 及技术经济 比较 ，最后选用 K D N O F - A型高浓高效减 水剂，属萘系减水剂，减水率1 2 。其掺量为胶 凝材料的0 5 O 7 5 ， 并选用 K D S F弓 I 气剂， 掺量 为胶凝材料的 0 5 5 万0 6 5 万 。 2 4骨料 ( 1 )细骨料 。细骨料选用的是碎石砂 ，各项 指标均满足 “ S D J 2 0 7 8 2 水工混凝土施工规范 ” 技术要求。 细度摸数为 2 6 0 ，属细砂， 饱和面干视 密度为 2 6 4 g c m 3 ，饱和面干吸水率为 0 8 4 。 68 ( 2 )粗 骨料 。粗骨料选用的是经过筛分 的天 然石子 ，各项指标均满足 “ S D J 2 0 7 8 2 ”技术要求。 石子比例为：C 3 0二级配小石 ： 中石= 5 O ： 5 0 ；C 2 5 二级配小石 ： 中石= 5 O ： 5 0 ；C 2 0二级配小石 ： 中石 ： 5 0 ： 5 0 。石 子 的 平 均 饱 和 面 干 视 密 度 为 2 6 6 g c m ，饱和 面干吸水率为 0 5 0 6 。 3 混凝土配合比设计与试验 3 1混凝土配合比设计 渠道面板混凝土设计 C 2 0 ，建筑物设计 C 2 5 、 C 3 0 ， 混凝土的浇注量为 5 m 3 ， 混凝土配合比见表 4 。 施工过程中，混凝土抽检 2 8 d强度统计见表 5 。 水利技术监督 2 0 1 2 年第 l 期 表 4 混凝土配合比表 水胶比 矿渣微 砂 率 每 m 混凝土各项材料用量 ( k g ) 编号 设计指标 粉掺量 W ( 肋 ( ) 水泥 矿粉 水 砂 小石 中石 K A( ) K D S F( I 万) ( ) D 一 2 C 2 5 0 3 4 4 0 3 2 2 5 7 1 3 9 1 3 5 5 9 2 6 3 0 6 3 0 0 6 0 0 6 5 D 一 5 C 2 0 0 3 8 4 0 3 3 2 l O 1 4 0 1 3 3 6 1 5 6 2 8 6 2 8 0 5 5 0 6 5 D 一 1 5 C 3 0 0 4 2 4 0 3 4 2 1 3 1 4 2 1 4 9 6 5 4 6 2 9 6 2 9 O 5 0 f D 一 2 0 C 2 5 0 3 4 4 0 4 0 2 4 0 1 6 1 1 3 6 7 4 4 5 5 9 5 5 9 O 7 5 O 5 5 表 5 混凝土 2 8 d 强度抽检统计表 试件组数 设计强度标准值 ( M P a ) 平均强度 ( a ) 最小强度 ( M P a ) 最大强度 ( M P a ) 71 C 2 0 3 3 1 2 4 4 41 7 2 3 C 2 5 3 5 2 2 5 1 4 7 7 1 6 C3 0 3 7 6 3 3 8 4 2 5 3 2混凝土耐久性试验 工程混凝土耐久性主要包括抗冻、抗渗 、抗侵 蚀等性能。 ( 1 )抗冻 、抗渗试验 。本工程所 处地 区属寒 冷地区，设计抗冻等级为 F 2 0 0 。混凝土抗冻性能的 好坏 ，是判定混凝土耐久性的重要指标之一 。依据 S L T I 9 1 - 9 6 水工混凝土结构设计规范 4 4 7 “ 抗 冻混凝土必须掺加 引气剂 ” ，要使混凝 土满足抗冻 要求，在混凝土中必须掺加引气剂和引气减水剂。 混凝土抗冻试验采用快冻法进行。工程混凝土抗冻 抽检 ， 以 2 0 0次循环后的质量损失小于 5 和相对动 弹性模数大于 6 0 为合格。混凝土抗渗等级为w 6 ， 试 验 方 法 按水 工 混 凝 土 试 验 规 程 ( D L T 5 l 5 O 一 2 0 0 1 ) 规定进行 ， 压力加至 1 2 M P a时， 试件未出现渗水现象，说明混凝土抗渗性能 良好 。 混凝土抗冻 、抗渗抽检结果见表 6 。 ( 2 ) 抗侵蚀试验 。东泵站输水干渠环境水 中 S O 含量最大值为 1 2 3 9 1 7 m g l ，M g 含量最大值 为 1 3 7 8 6 ra g 1 ，具有强腐蚀性。试验采用淡水与 S O 4 一( 1 3 0 0 0 m g 1 ) 、M g 2 ( 1 4 0 0 m g 1 )侵蚀溶液进 行 比较 。实验 以抗蚀系数 30 8 0为合 格，其结 果 见表 7 。 表 6 混凝土抗冻、抗渗抽检结果统计表 F 2 0 0次冻融循环 工程部位 试件组数 相对动弹性模数 ( ) 失重率 ( ) 抗渗 等级 最大 最小 平均 最大 最小 平均 交通桥 6 9 4 5 8 3 6 9 0 4 0 9 0 O 4 5 0 6 7 W 6 纳洪口 6 9 3 2 7 5 8 9 5 0 8 8 0 6 6 0 7 5 W 6 渠道现浇底板 4 9 3 O 7 8 4 8 8 7 0 8 7 0 5 2 0 7 l W 6 渠道边坡预制六棱板 4 9 2 7 8 2 5 8 7 5 0 8 3 0 4 7 0 6 2 W 6 表 7 混凝土抗侵蚀试验结果 掺 和 量 2 8 d 2 个月 4个月 6 个月 水泥 矿粉 减水荆 引气剂 淡水抗 侵蚀溶 抗蚀 淡水抗 侵蚀溶 侵蚀溶 抗蚀 淡水抗 侵蚀溶 抗蚀 序号 水胶 比 灰砂 比 折强度 液抗折 系数 折强度 液抗折 抗蚀 淡水抗 液抗折 液抗折 ( ) ( ) ( ) ( oA) 强度 强度 系数 折强度 系数 折强度 系数 ( M P a ) ( 肋 ( ) a ) ( 肋 ( M P a ) 强度 ( 肪 ( M P a ) 强度 ( 肋 ( a ) ( M P a ) ( M P a ) ( 班， 8 ) l 6 0 4 0 O 6 0 0 6 0 3 4 I ： 1 5 I 1 8 2 1 3 7 4 l _ 1 6 l 2 4 3 1 2 5 2 1 0 O 1 3 4 1 1 3 9 2 1 0 4 1 3 7 l 3 7 2 1 O 0 2 6 0 4 0 0 6 0 O 6 0 3 8 1 ： 1 8 l 1 5 1 1 3 6 0 L 1 8 1 2 5 6 1 2 1 3 0 9 7 1 2 7 8 l 3 4 5 1 0 5 1 3 5 7 l 3 2 2 0 9 7 3 6 0 4 0 0 6 0 0 6 0 4 2 I ： 1 8 1 1 _ 3 4 1 3 2 5 l _ 1 7 1 2 2 O l 3 1 O 1 0 7 1 2 7 5 1 2 9 0 1 0 l 1 2 6 l 2 8 3 l | 0 2 注：抗蚀系数 l (= 侵蚀溶液试件抗折强度 淡水同龄试件抗折强度。 6 9 水利技术监督 2 0 1 2 年第 l 期 从试验结果可知，掺 4 0 矿渣微粉和外加剂 的 高性 能混凝土完全可 以抵抗东泵站输 水干 渠环境 水 的侵蚀 。 4 对高性能混凝土的理解 高性能混凝 土是在高强混凝 土 的基础上 发展 起来的。高性能混凝土在配置上的特点是低水胶 比，选用优质原材料，除水泥、水、集料外，必须 掺足够数量的矿物细掺料和高效减水剂，具有高耐 久性、高工作性、高强度、经济性合理等特点。矿 物细掺料的使用从另一个角度来看，也是从根本上 节约资源与能源，减少环境污染 的重大课题 。 高性能混凝土的核心是高耐久性。耐久性是指 在一定 的环境 条件下混凝土 不随时 间而劣化 的性 能 。其具体说就是抗冻性、抗渗性、抗侵蚀性等。 耐久性差的外在表现是混凝土出现裂缝、表面水泥 浆剥落等。影响混凝土耐久性的因素很多，要想获 得高耐久性的混凝土，施工中尤其要重视混凝土的 拌制 、浇筑及养护工作。 4 1混凝土的拌制、浇筑对耐久性的影响 高性能混凝土 由于配料中组分多，水胶 比低 ， 原材料的增减对其性能影响较大 ，对水 的变化非常 敏感 ，因此拌合前应对各种原材料进行严格计量。 在混凝土拌合前要标定和校核水量 。在加水拌 合时，应扣除集料所带入的游离水，严格控制用水 量。由于配料组分多，为保证搅拌质量，实验室出 具的配合 比报告要求必须使用强制式搅拌机搅伴。 高性能混凝土所需搅拌时间要比普通混凝土搅 拌长 1 - - - - 2 m i n ， 否则会使拌合物不均匀而影响质量。 待 搅拌均匀后在入仓前必须先取样检测混凝土 的含气 量、塌落度是否满足配合比要求，以便及时调整。 混凝土抗冻性试验和含气量的测定都是反映混 凝土抗冻性强弱的指标，但是一般仅把混凝土抗冻试 验的结果作为检测抗冻性是否合格的依据，忽视了现 场混凝土含气量的测定，其实现场混凝土含气量的测 定也是检验混凝土抗冻性的重要指标， 因为含气量测 定不受时间和环境的限制， 实时对混凝土的含气量进 行测定，结果能较好的反映出混凝土的抗冻性。 结合输水干渠结构特点、 施工条件、 操作方法， 笔者认为：渠道边坡现浇 ，应要求塌落度 5 - - - 7 c m 左右，而渠道底板平面施工，可将塌落度适当提高 到 9 c m ，这样可利于施工，加快进度，保证质量。 高性能混凝土六棱板采用塑料模具预制，使用 振动 台振动 。由于高性能混凝土 的水灰 比小、粘性 7 0 大 ，在振动台上浇筑需振动 l O - - 2 0 s 。往往施工单 位为求浇筑速度缩短 了振动时间，导致提不起水泥 浆 2 0 , - 4 0 m m的大戈壁外露，给抹面带来一定困难 ， 造成混凝土结合不密实，出现了蜂窝麻面等现象。 反之，振动时间过长，混凝土会产生离析现象，致 使混凝土强度降低 ，因此必须严格控制振动时间。 4 2混凝土的养护对耐久性的影响 高性能混凝土的养护至关重要，尤其是在早 期。早期保水养护不足对混凝土 的强度发展和耐久 性都有不利 的影 响。所 以在混凝土浇筑后 ，应立即 用塑料薄膜覆盖，以保证内部水分不逸散 ，待终凝 后立 即浇水养护 ，养护期间混凝土表面不得见干 ， 在开始养护 的最初 3 d ，每隔 2 3 h浇水一次 ，以后 可调整 ，浇水养护时间不得少于 1 4 d ，且只有 当混 凝土强度达到设计强度 的 7 0 以上时，方可停止养 护。输水干渠在刚开始浇筑现浇底板 时由于对高性 能混凝土认识不够 ，没有及时覆盖及养护 ，导致底 板出现 了部分裂缝 。 输水干渠指挥部根据现场 出现的裂缝 问题，及 时组织参建各方及专家 ，对裂缝成因进行了分析， 认为 ：本工程混凝土水灰比 ( 0 3 4 )较小 ，在外界 没有水分交换的条件下，混凝土 内部由于胶凝材料 的水化 ，吸收毛细管中的水分 ，使毛细管脱水 ，造 成毛细管的 自真空作用 ，管壁周 围的混凝土受到张 拉应力 ，如此张拉应力超过当时水泥的早期抗拉强 度，混凝土 出现开裂，即收缩开裂 。因此 ，在浇筑 完一个仓面 后，就应用塑料薄膜覆 盖在混凝土表 面，加强早期养护使其有足够 的水分供胶凝材料发 生水化反应 ，以防止裂缝。另外，混凝土浇筑完毕 后特别是大风天气 ，必须用草帘子或塑料布覆盖， 以保持混凝土表面湿润 ，避免发生裂缝 。 5 结 语 目前 ，输水干渠已顺利通过竣工验收，且运行 良好 。实践证明，输水干渠采用高性能混凝土 防渗 是成功的。 博湖东泵站输水干渠工程用高性能混凝 土代替传统的混凝土，不仅解决了在严酷环境下混 凝土耐久性的问题，增加 了混凝土结构的安全使用 寿命 ，同时还具有 了显著 的经济效益。 笔者参与 了整个工程的施工过程 ，认为 ：高性 能混凝土是一门高新技术，在认识上还存在许多疑 问，应针对各个不同工程 的施工特点、结构特点、 施工工艺等进一步进行试验研究，这样才能充分发 挥高性能混凝土的作用。