南水北调中线一期工程天津干线西黑山进口闸至有压箱涵段工程混凝土配合比技术研究.pdf

1 4 水利建设与管理 2 0 1 0年第 1 1 期 南水 1 调 巾线 - j 期工程 l_ r L 一 天津 干线 西 罴 m 避_ 阀 至 有压篇派段互程 湿 凝士配 畲 藏 砰旁 宋 业恒 ( 中国水利水电第十三工程局有限公司 德州 2 5 3 0 0 0 ) 【 摘要】 本文通过对南水北调中线一期工程天津干线西黑山进 口闸至有压箱涵段工程混凝土配合 比实例的 研究， 为广大专业技术人员在混凝土配合 比方面提供 了可资借鉴的经验。 【 关键词】 混凝土配合比建议 混凝土是广泛应用在我国建筑行业中的建筑材料。 影响混凝土配合 比的因素很多，主要是组成混凝土原材 料的影响。 原材料包括水泥 、 粉煤灰 、 矿粉 、 粗细骨料的特 征及各材料之间的组成 比例 ，其中水泥强度和水灰 比是 影响混凝土性能最主要的因素。 l 工程概况 南水北调西黑山进 口闸至有压箱涵段西起河北省保 定市徐水县西黑山村西总干渠 ， 桩号为 0 + 0 0 0 ； 东至徐水 县丁家庄南 ， 桩号 1 5 + 2 0 0 ； 全长 1 5 2 0 8 k m 。 设计输水流量 5 0 m 3 s ， 加大输水流量 6 0 m3 s 。 该段建筑物以输水箱 涵为主 ，其 中 ，无压箱 涵长 6 2 9 4 5 0 8 m， 有压箱涵 4 0 9 3 m。段 内其他建筑物包括西 黑山进 口闸枢纽 、 东黑山陡坡 、 东黑 山村东 检修闸 、 文 村北调节池 、 屯庄南保 水堰 ( 1 号 ) 、 通气 孔 、 西黑 山沟 排水 涵洞 、 曲水河倒虹 吸 、 中瀑河倒 虹吸 、 屯庄河倒虹 吸、 张石高速公路公路涵 ， 以及其他小 型河( 渠 ) 、 公路 交叉建筑 物等 ， 共 计 3 0座 ； 此外 还包括各类 建筑物 的 管理站进 出通道公 路共 4 9 4 k in及东黑 山沟巡视 道路 交通桥 1座。 2 混凝土设计等级 以南水北调西黑山进 口闸至有压箱涵段箱涵主体进 口闸通气 口为例进行分析 ( 见表 1 ) ， 混凝土设计等级为 C 3 0 F 1 5 0 W6 ，即混凝 土强度 等级 为 C 3 0 ，抗冻 等级为 F 1 5 0 ， 抗渗等级为 W6 。 表 1 南水北调西黑 山进口闸至有压箱涵段箱涵主体进口闸通气 口设计 骨料最大粒径 配合比试 验建议取值范围 混凝土部位 混凝土设计等级 骨料级配 ( m m) 水胶比 粉煤灰掺量 矿粉掺量 箱涵主体 、 进水闸、 通 气口等 C 3 0 F 1 5 0 W6泵送 ( 单掺 ) 2 4 O 0 4 O O 5 0 2 0 - 2 5 箱涵主体 、 进 口闸、 通气 口等 C 3 0 F 1 5 0 W6泵送 ( 双掺 ) 2 4 0 0 4 0 0 5 0 2 0 - 2 5 2 0 4 0 强度保证率 9 5 密度 普通混凝土 ： 2 3 5 0 2 4 2 0 k r n m3 普通混凝土： 4 - 8 c m 坍落度 泵送混凝 土 ： 1 6 2 0 e ra 初凝 终凝时间 满足施工工艺要求 宋 业恒 南 水北 调中 线一期工程天津干 线西黑山 进口 闸至 有压箱涵段工 程强凝 圭配金 匕 圣 榄 _ ! 3 混凝土 配合比设计 混凝土配合比试验所用原材料分别为 ：鹿泉东方鼎 鑫水泥有限公司生产的 P 0 4 2 5 级水泥 、 保定定州生产的 级 F 类粉煤灰、天津和国投矿粉有限公司的 $ 9 5 级矿 粉；马贝建筑材料上海有限公司生产的 S P 1 高效减水剂 ( 液体) 及引气剂 ( 液体 ) ； 骨料分别为北淇 、 南韩村广海料 场、 井尔峪生产 的 5 - 2 0 m m 、 2 0 4 0 m m碎石 ， 砂子为中易 水( 砂场) 生产的河砂 。 3 1 混凝土配制强度的确定 根据 S L 3 5 2 -2 0 0 6 水工混凝 土试验规程 中“ 附录 A水工混凝土配合 比设计方法” ， 混凝土配制强度按下 式计算 ： =l t o 式中， 。 一 混凝土配制强度 ， M P a ； ， 。厂一 混凝土设计龄期立方体抗压强度标准值 ， MP a ； 概率度系数 ； 由给定 的保证率 P选定 ， 其值 按表 2选用 ； 混凝土立方体抗压强度标准 ， MP a ；其值按 表 3选用。 表 2 保证率和 概率度系 数关系 保证率 ( ) 7 0 0 7 5 0 8 0 ， O 8 4 1 8 5 O 9 0 0 9 5 0 9 7 7 9 9 9 概率度系数 t 0 5 2 5 0 6 7 5 0 8 4 0 1 O 1 0 4 0 1 2 8 O 1 6 4 5 2 O 3 O 表 3 标准差盯选用值 设计龄期混凝土抗压强度标准值( MP a ) 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 - 4 5 5 0 o 混凝土抗压强度标准差 o ( MP a ) 3 5 4 0 4 5 5 O 5 5 以 C 3 0 W6 F 1 5 0 非泵送混凝土( 部位 ： 箱涵主体 、 进 口闸 、 通气 口等 ， 石子产地： 南韩村广海料场 ) 为例加以说 明。 当设计龄期为 2 8 天时 ， 抗压强度保证率 P为 9 5 ， 因 此在混凝土配制强度确定时 ， 取概率度 系数 t = 1 6 4 5 。混 凝土配制强度见表 4 。 3 2 混凝土配合 比设计基本参数的选择 3 2 1 水胶 比 a 水胶 比的技术要求见表 5 。 水胶 比为集料在饱和面干状态下的单位用水量与胶 凝材料 的比值 ， 其允许最大值见表 6 。 表 4 混凝土配制强度 部 位 强度等级 抗渗等级 抗冻等级 骨料级配 配制强度( M P a ) 箱涵主体 、 进 口闸 、 通气 口 C 3 0 W6 F 1 5 O 3 7 4 计算公式 ， k + 1 6 4 5 o - 表 5 水胶 比最大允许值 部 位 严寒 地区 寒冷地区 温 和地 区 上 、 下游水位以上( 坝体外部 ) O 5 O O 5 5 O 6 0 上 、 下游水位变化区( 坝体外部 ) 0 4 5 0 5 O O 5 5 上 、 下游最低水位以下( 坝体外 部 ) O 5 O O 5 5 O 6 0 基 础 O 5 O 0 5 5 O 6 0 内 部 O 6 O O 6 5 O 6 5 受水 流冲刷部位 0 4 5 0 5 O O 5 0 b 水胶比的选择。 根据规范对最大水胶 比的要求， 考 表 6 混凝土水胶 比的允许最大值 运用情况 严寒地区 寒冷地区 温和地区 一 般情况 O 5 O 0 5 5 0 6 O 受水流冲刷部位 0 4 5 O 5 0 O 5 0 虑到混凝土的强度以及抗渗 ， 抗冻等级等性能要求 ， 混凝 土的水胶 比选择范围为 0 3 0 0 5 0 。每种等级的混凝土 ， 至少按 3 个水胶比进行比较选择 。 3 2 2 粉煤灰掺量 参照规范要求和成功应用的经验 ，掺用粉煤灰可有 调畔 ： 一 期工 程天津干 线西 黑山 进口 闸至 有压 箱涵 段工程混凝土配 合比 技术研究 效改善混凝土工作性能， 同时还能抑制碱骨料反应， 起到 降低成本等作用， 粉煤灰掺量采用等量取代水泥法 ， 选择 粉煤灰掺量 2 0 3 0 进行试配。 3 2 3 矿粉掺量 矿粉 的作用同粉煤灰类似 ，由于其细度较粉煤灰 细， 具有提高混凝 土早期强度的作用 ， 考虑到施工 的方 便 ， 在小方量的混凝土 中不掺矿粉 ， 仅 在箱涵 主体工程 中掺用。 3 2 。 4 最优砂率 根据选定的骨料 ，按在水胶比和胶凝材料用量保持 不变条件下， 通过砂率的变化， 当混凝土拌和物坍落度较 大、 拌和物和易性好时 ， 所对应的砂率为最优砂率。 选定 0 4 2 为基准水胶 比， 单位用水量 1 4 5 k g m 3 ， 粉煤 灰掺量 2 5 S P I 超塑化剂掺量 0 5 ， 砂率按 3 6 、 3 7 、 3 8 、 3 9 、 4 0 变化 ， 通过试拌 ， 各种砂率对应 的实测坍 落度分别为 8 0 ra m、 1 0 0 m m、 1 2 0 ra m、 9 5 ra m 、 9 0 ra m 。由试拌 结果看 出： 水胶 比 0 4 2 对应的最优砂率 3 8 ， 其他水胶 比按水胶比 0 0 5 、 砂率 1 变动 。 3 2 5 用水量 在 C 3 0 F 1 5 0 W6 单掺粉煤灰非泵送混凝土中， 设计初 始坍落度为 1 | O m m， 骨料最大粒径为 4 0 m m， 根据规范查 取用水量为 2 0 0 k g m 3 。 以减水剂掺量为 0 5 、 粉煤灰掺量 为 2 5 、 砂率为 3 8 试拌混凝土， 用水量为 1 4 5 k g m 时 ， 坍落度为 I 1 0 m m， 且工作性能良好 ， 满足工艺要求。 3 2 6 引气剂掺量的确定 通过对引气剂不同掺量的混凝土拌和物含气量的测 定 ， 在引气剂 ( 液态 ) 掺量为 0 4 x l O - 4 时 ， 含气量在 5 左 ， 、 譬 糍 c。 右 ， 符合规范要求 。 3 3 混凝土各组分材料计算方法 混凝土各组分材料采用绝对体积法按下式计算 ： C| p c F | p P 婚| p s t G| Ol a =l 式 中C ， ， ， ， s ， G 混凝 土中水泥、 粉煤灰 、 水 、 砂及 石子用量 ， k g m 3 ； P c , P ， ， P _一水泥、 粉煤灰及水的密度 ， k g m ， ； ， ，厂砂 、 石子饱和面干密度 ， k g m s ； n 混凝土拌和物中含气量的百分数。 根据原材料的检验结果： P 0 4 2 5 水泥p 3 0 o o k 咖 ， p r = 2 1 5 O k g m3 ；T s = 2 6 8 0 k g m3 ， G= 2 5 8 0 k g m3 。 3 4 混凝土性能指标的检测 试验室本着安全、 经济的原则 ， 充分考虑到混凝土拌 和物的工作性以及混凝土的抗压 、 抗渗 、 抗冻等性能指标 的要求 ， 分别做混凝土单掺粉煤灰和双掺粉煤灰 、 矿粉方 案供选择。混凝土主要性能指标介绍如下。 3 4 1 单掺粉煤灰混凝土 a 混凝土抗压试验。C 3 0 F 1 5 0 W6 单掺粉煤灰非泵送 混凝土成型 2 8 天后混凝土试块强度及各指标见表 7 。 表 7 单掺混凝土抗压试验结果表 编 号 水 胶比 胶凝材料用量 胶水 比 强度 ( MP a ) 1 04 7 3 0 9 2 1 3 31 1 2 0 4 2 3 4 5 2-3 8 4 4 3 3 O 3 7 3 9 2 2 7 0 5 3 7 用水量 1 4 5 k g m 不变 ， 绘出 2 8 天试块抗压强度与胶 水 比的关系曲线 ， 如图 1 所示 。 1 ， = 3 9 1 7 9x一 51 1 2 7 ：0 97 22 ， 一， _ 一 二 ， ， ， 2 3 2 4 2 5 2 6 单掺混凝土 2 8 天试块抗压强度与胶水 比关系曲线 舯 W 昭 们 驰 鹕 踮 站 l 图 2 2 宋业恒 南水北调中线一期工程天津干线西黑山进口闸至有压箱涵段工程混凝土配合比技术研究 1 7 b 混凝土抗渗试验 。选择水胶 比为 0 4 7 、 0 4 2 、 0 3 7， 粉煤灰掺量为 2 5 ， 制作混凝土抗渗试件 ， 采用逐级加压 法加至 O 8 0 MP a ， 各试件均未 出现渗水现象， 抗渗等级均 满足 W6 要求。详见表 8 。 C 混凝 土抗冻试验。按水胶 比 0 4 7 、 0 4 2 、 0 3 7 ， 粉煤 灰掺量 2 5 ， 分别制作抗冻试件 ， 用快冻法进行检验。混 凝土抗冻试验结果见表 9 。 d 单掺粉煤灰配合 比的选定。根据以上对混凝土 2 8 表 8 单 掺 混 凝 土 抗 渗 试 验 结 果 粉煤灰掺量 试件透水情况 编 号 水胶 比 抗渗等级 ( ) 1 号 2号 3号 4号 5号 6号 1 0 4 7 2 5 W6 无 无 无 无 无 无 2 0 4 2 2 5 W6 无 无 无 无 无 无 3 0 3 7 2 5 W6 无 无 无 无 无 无 表 9 单 掺 混 凝 土 抗 冻 试 验 结 果 粉煤灰掺量 标 准 要 求 冻 融 后 状 态 编 号 水胶 比 冻融次数 ( ) 相对动弹模量( ) 质量损失( ) 相对动弹模量( ) 质量损失( ) l 0 4 7 2 5 1 5 0 6 9 4 4 1 2 O4 2 2 5 1 5 0 6 0 5 8 6 _ 2 1 4 3 O_ 3 7 2 5 1 5 O 9 2 8 1 0 天强度、 抗冻 、 抗渗等指标的检测 ， 经 比较分析 ， 现就 C 3 0 W6 F 1 5 0 非泵送单掺粉煤灰( 部位 ： 箱涵主体、 进 口闸、 通 气 口等 。 石子产地 ： 南韩广海。 ) 推荐表 1 0 所列的配合比。 3 4 2 双掺粉煤灰、 矿粉混凝土 a 混凝土抗压试验。C 3 0 F I 5 0 W6 双掺粉煤灰 、 矿粉非 泵送? 昆 凝土成型 2 8 天后混凝土试块强度及各指标见表 1 1 。 表 1 0 C 3 0 W6 F 1 5 0非 泵送 单 掺 混凝 土 配合 比 碎石( m m) 塑化剂 引气剂 砂率 粉煤灰取 水泥 粉煤灰 砂 水 水胶比 5 2 0 l 2 0 - 4 0 ( ) ( 一 ) ( ) 代量( ) 2 5 9 8 6 7 2 6 4 7 4 f 7 1 0 O 5 O 4 1 4 5 O 4 2 3 8 2 5 注坍落度( fi l m) 为 1 1 0 6 5 ( 4 0 mi n ) ； 含气量( ) 为 4 5 ； 7天强度( MP a ) 为 3 1 6 ； 2 8天强度 ( MP a ) 为 4 4 - 3 。 表 l 1 双掺混凝土抗压试验结果 见表 l 4 。 编 号 水胶 比 胶凝材料用量 胶水 比 强 度 4 0 46 3 1 7 2 1 7 3 2 4 5 041 3 5 6 2 4 4 4 72 6 O36 4 0 6 2 7 8 5 4 8 用水量 1 4 5 k m 不变 ， 绘 出 2 8 天试块抗压强度与胶 水比的关系曲线 ， 如图 2 所示。 b 混凝土抗渗试验结果见表 1 2 。 C 混凝土抗冻试验结果见表 1 3 。 d 双掺粉煤灰、矿粉配合比的选定推荐的配合比 3 5 混凝土配合 比碱含量计算 根据南水北调中线干线工程标准 预防混凝土工程 碱骨料反应技术条例 ， 有关碱含量的计算方法为 混凝土碱含量= 水 泥带入碱量+ 外加剂带入碱量+ 粉 煤灰有效碱量+ 矿粉有效碱量 其中 水泥带人碱量= 水泥碱含量x l O 0 外加剂带入碱量= 外加剂碱含量x l O 0 粉煤灰有效碱含量= 粉煤灰碱含量x 2 0 矿粉有效碱量= 矿粉碱含量x 5 0 。 按上述方法计算的混凝土总碱含量见表 1 5 。 l 8 宋业恒 南水北调中线一期工程天津干线西黑山进口闸至有压箱 争比技术研究 一 一 骥 v=3 6 1 1l x一 4 4 1 5 4 R 。 ：0 9 3 9 一一 一 。 图 2 双掺混凝土 2 8天试块抗压 强度与胶水比关 系曲线 表 1 2 双 掺 混 凝 土 抗 渗 试 验 结 果 粉煤灰掺量 矿粉掺量 试件透水情况 编 号 水胶 比 抗渗等级 ( ) ( ) 1 号 2号 3号 4号 5号 6号 4 0 4 6 2 5 2 5 W6 无 无 无 无 无 无 5 0 4 1 2 5 2 5 W6 无 无 无 无 无 无 6 O _ 3 6 2 5 2 5 W6 无 无 无 无 无 无 表 1 3 双 掺 混 凝 土 抗 冻 试 验 结 果 粉煤 灰掺量 矿粉掺量 标 准 要 求 冻 容 后状 态 编 号 水胶比 冻容次数 ( ) ( ) 相对 动弹模量( ) 质量损失( ) 相对动弹模量( ) 质量损失 ( ) l 0 4 6 2 5 2 5 1 5 0 6 75 4 4 2 O 41 2 5 2 5 1 5 0 6 o 5 8 6 1 1 5 3 O _ 3 6 2 5 2 5 1 5 0 9 0_3 1 1 表 1 4 C 3 0 W6 F 1 5 0非泵 送双 掺 混凝 土 配合 比 碎石 mm， 塑化剂 引气剂 砂 率 粉煤灰取 矿粉取 水 泥 粉煤 灰 矿 粉 砂 水 水胶 比 5 2 O 2 0 - 4 0 ( ) ( 。 ) ( ) 代量( ) 代量( ) 1 7 9 8 8 8 8 7 2 6 4 71 7 o 6 O 5 0 4 1 4 6 041 3 8 2 5 2 5 注坍落度( ra m) 为 1 1 0 7 0 ( 4 0 ra i n ) ； 含气量 ( ) 为 4 6 ； 7天强度 ( MP a ) 为 3 5 1 ； 2 8天强度 ( MP a ) 为 4 7 2 。 3 6 确定混凝土配合比 按照上述程序， 在满足混凝土设计指标的前提下， 经 对混凝土拌和物工作性、 经济指标等的分析后， 确定的配 合比见表 1 5 。 4 混凝土施工的建议 a 严格控制用于配制混凝土的各种原材料质量， 确保 混凝土配合比。 b 严格控制河砂的颗粒级配 ，砂子的颗粒级配区应 在 区范围内 ， 若工程实际所用河砂细度模数超出混凝 土配合比配制时的细度模数 0 2 ， 宜调整砂率。砂的细度 模数每增减 0 1 ， 砂率相应增减 0 5 一 1 O 。 c 混凝土拌和时 ，原材料计量偏差应严格控制在规 昭 钙 们 船 驸 鲫 宋业恒 南水北调中线一期工程天津干线西黑山进口闸至 有压箱涵段翻鳖 混凝士 配合比技术研究 1 9 表 l 5 混 凝 土 配 合 比 试验 结 果 强 度 等 级 C 3 0 W6 F 1 5 0 C 3 0 W6 F 1 5 0 使用部位 箱涵主体进口闸通气孔等 水 胶 比 0 -4 2 n4 1 砂率( ) 3 8 3 8 水 1 4 5 1 4 6 水 泥 2 5 9 1 7 9 粉煤灰 8 6 8 8 矿粉 l 8 8 每立方混凝土材料用量 砂 7 2 6 7 2 2 ( k g ) I 5 2 0 4 7 4 4 71 淼 r 、1 l 2 O 4 O 71 O 7 O6 引气剂( 1 0 r 4 ) O 4 0 4 减水剂( ) 0 5 0 5 实测坍落度( 一 ) 1 1 蝴 l l 0 ， 7 0 含气量 ( ) 4 5 4 6 7天抗压强度( MP a ) 3 1 6 3 5 1 2 8天抗压强度( MP a ) 4 4 3 4 7 2 混凝 土总碱含量( k g m ) l _ 3 3 1 1 7 注 混凝土总碱含量符合规范不大于 2 5 k g m 的要求。 范允许偏差之 内， 水泥、 粉煤灰 、 矿粉 1 ； 骨料土 2 ； 外加 拌时间应较不掺粉煤灰 、 矿粉的混凝土延长 1 0 3 0 s 。 剂 l 。 e 严格控制水泥、 粉煤灰、 矿粉 、 外加剂的碱含量 ， 使 d 掺粉煤灰 、 矿粉混凝土拌和物必须搅拌均匀 ， 其搅 其不超过标准要求。A ( 上接第 2 5 页) 防塌方技术措施 ， 准备必要的材料和工具 。 防塌方措施有 ： 做好施工排水 、 采用弱爆破或不爆破开挖 技术、 合理掌握开挖进度、 支撑紧跟掌子面并适当加强。 c 施工中应经常检查 ，及时发现发生塌方的种种预 兆 ， 及时采取工程技术措施 ， 防止塌方事故的发生。 d 对极破碎带要按照软岩隧洞 的施工规范施工 ， 稳 中求快 ， 在塑形变形之前必须完成一次超前强支护 ， 一次 支护一般都要靠锚杆、 喷混凝土等， 最好二次支护及时跟 进 ， 必要时补充随机锚杆 ， 用 短锚杆形成一个系统 ， 还可 固定钢支撑 、 挂网等。 网片可提前做好 ， 现场拼接， 接好后 喷混凝土。 e 一次支护一定要紧贴掌子面 ， 用管棚推进、 小导管 灌浆封堵以进行提前加固， 保证前方的自稳时间。 自稳能力 比较好的地段 ， 也存在断层、 破碎等 ， 可 能造成局部软岩现象 ， 不能长时间暴露临空面 ， 一次支护 要及时跟进。 g 隧洞开挖超前加固时可在洞内排水，尽量降低地 下水压力 ， 缓解地下水对施工产生的不利影响。 水平排水 要确保作业面无地下水影响， 在洞侧墙底 部打排水孔 ， 降 低岩石裂隙水压力， 减少对不 良地段的影响。 h 爆破要分段进行 ， 一方面提高爆破效果， 另一方面 提前探知前方岩石状况 ， 以便及时调整爆破方法。 i 及时对衬砌外的空洞和围岩进行加固， 填实塌穴 ， 进行回填灌浆， 力求根治。 5 结语 小隧洞全断面掘进中往往会碰到勘探工作难以探明 的地质情况， 要随时随地进行设计资料和实际工程地质 的对比， 从理论和具体地质情况两方面预见塌方的可能 性 ， 果断准确地采取相应的预防措施 ， 达到防患与未然的 目的。A