紀國晉，計濤，孔祥芝

（中國水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料研究所，北京 100038）

1 前言

南水北調(diào)中線工程是我國進行水資源優(yōu)化配置、解決北方地區(qū)缺水的一項重要基礎(chǔ)設(shè)施工程，對實現(xiàn)北方地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展起到戰(zhàn)略保障作用。工程全長1273.4km，是我國繼長江三峽工程后的又一超大型水利工程，工程規(guī)模巨大、地質(zhì)條件復(fù)雜、建筑物結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，需新建泵站、渠道、大型渡槽、倒虹吸等1000多個混凝土建筑物工程?；炷量偭烤薮?，各建筑物對混凝土的技術(shù)要求不同，混凝土種類繁多，強度等級從最低的C10墊層混凝土，到PCCP管道工程的C60預(yù)應(yīng)力混凝土，從常態(tài)混凝土到泵送、自密實混凝土等，這些技術(shù)要求需要不同類型和品種的外加劑以適應(yīng)施工和設(shè)計需要。因此，如何合理選擇和應(yīng)用外加劑，提高混凝土的耐久性、保證工程的施工質(zhì)量，將直接關(guān)系到中線工程的安全運行和使用壽命。本文簡要介紹了聚羧酸系高性能減水劑在南水北調(diào)中線PCCP工程中的應(yīng)用情況，為類似工程應(yīng)用提供參考和借鑒。

2 PCCP管道工程

2.1 工程簡介

南水北調(diào)中線干線工程北京段全長80.4km，其中PCCP工程全長56.359km，采用雙排DN4000預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管材（PCCP）輸水。管道設(shè)計最大工作壓力為0.8MPa，最大設(shè)計覆土深度為10m，管芯混凝土強度設(shè)計等級為C50～C60，屬高強高性能混凝土，混凝土總量約42萬m3。

PCCP（Prestressed Concrete Cylinder Pipe）是預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管的英文縮寫，是在帶鋼筒的混凝土管芯上纏繞預(yù)應(yīng)力鋼絲，并噴射水泥砂漿保護層而制成的輸水管材。它集合了鋼管和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管的優(yōu)點，又具有其獨有的特性，具有適用范圍廣、抗震性能好、運行費用低、安裝方便、基本不漏水、使用壽命長等優(yōu)點，可廣泛用于長距離調(diào)水和輸水工程、城市給水工程等。在南水北調(diào)工程之前，我國應(yīng)用的PCCP最大管徑為3.6m，工程規(guī)模最大的是山西省萬家寨引黃工程（管徑3m，長5m、鋪設(shè)距離43.25km），其工程難度也是當(dāng)時的亞洲之最。南水北調(diào)中線干線北京段工程選擇內(nèi)徑4m，長5m的PCCP作為輸水管材是目前我國乃至亞洲最大的PCCP工程。

2.2 需解決的技術(shù)問題

（1）混凝土總堿量控制

根據(jù)“南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局”制定的《預(yù)防混凝土工程堿骨料反應(yīng)技術(shù)條例》，PCCP工程屬Ⅲ類潮濕環(huán)境工程，混凝土中總堿含量不得大于2.5kg/m3，且不宜使用堿活性骨料。這一要求對于最高強度等級為C60的高強混凝土有一定的技術(shù)難度。

（2）早期強度要求

具有一定的早期強度既是規(guī)范要求，也是工程的實際需要。根據(jù)我國和美國AWWA C301的規(guī)定，PCCP的纏絲強度為混凝土設(shè)計強度的70%，如達不到需臨時存放到規(guī)定的纏絲強度。內(nèi)徑為4m的PCCP屬于超大口徑管材，其存放需要大量的場地，因此制約生產(chǎn)周期的關(guān)鍵因素之一是早期的纏絲強度和場地因素。根據(jù)規(guī)范，PCCP可以采用蒸氣養(yǎng)護，但蒸養(yǎng)溫度不得超過52℃。因此受兩方面的限制，南水北調(diào)工程PCCP要求蒸養(yǎng)后混凝土即滿足纏絲強度要求，以滿足場地周轉(zhuǎn)和按時完成工程建設(shè)的需要。

（3）工作性要求

對大口徑PCCP管材一般采用立式澆筑，南水北調(diào)PCCP的管芯最厚達380mm，高5m，單根管材的混凝土約24m3，要求一次澆筑成型，因此要求混凝土具有良好的工作性，即要保證振動密實，混凝土表面沒有麻面，同時不能離析、泌水和產(chǎn)生浮漿從而影響混凝土的外觀和承插口的性能，因此要求混凝土的坍落度控制在5～7cm之間，且坍落度損失小。

（4）抗裂性要求

PCCP屬預(yù)應(yīng)力混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)，對混凝土裂縫的控制要求很嚴，如何提高混凝土的抗裂性和體積穩(wěn)定性，降低溫度收縮應(yīng)力，提高管材的成品率是制造過程中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

3 試驗研究

3.1 混凝土原材料

水泥：為滿足混凝土總堿量的規(guī)定，要求水泥的堿含量不超過0.6%。試驗選擇工程采用的北京太行前景和天津振興兩個水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。檢測結(jié)果表明，太行前景水泥的堿含量為0.58%，天津振興為0.44%，都滿足低堿水泥堿含量0.6%的技術(shù)要求。

粉煤灰：兩種Ⅰ級灰，實測堿含量分別為1.34%和1.11%。

砂石骨料：工程實際選用的天然中河沙，最大粒徑25mm的灰?guī)r人工碎石。

外加劑：外加劑品種選擇了具有低摻量、高減水率、低收縮、高保坍等諸多優(yōu)點的聚羧酸系高性能減水劑，以降低混凝土中有效堿的引入，同時降低混凝土的單方用水量，進而降低膠凝材料用量，減少由水泥和粉煤灰等膠凝材料引入的有效堿含量。同時還要求適應(yīng)蒸養(yǎng)混凝土工藝并具有較高的早期強度，因此外加劑的優(yōu)選是非常重要的。試驗共對不同供應(yīng)商的8個批次的聚羧酸外加劑進行了優(yōu)選試驗。結(jié)果表明，幾個具有早強特性和免蒸養(yǎng)特性的聚羧酸減水劑在推薦摻量下均表現(xiàn)出強的觸變性和粘聚性，攪拌時間延長、人工翻拌和成型困難，另外幾個外加劑均存在和易性不良的問題。因此經(jīng)過對聚羧酸減水劑的調(diào)整優(yōu)化，試驗最終選擇了1個廠商的減水劑進行配合比的優(yōu)選和試驗。

3.2 混凝土配合比優(yōu)選試驗

PCCP管芯混凝土的強度等級根據(jù)不同工作壓力和環(huán)境分為C50、C55和C60共三個等級，強度保證率95%，標準差取5.0MPa，配制強度分別為58.2MPa、63.2MPa和68.2MPa。配合比優(yōu)化的參數(shù)包括骨料級配、最優(yōu)砂率、外加劑的最優(yōu)摻量、粉煤灰摻量、水膠比等。

粉煤灰摻量綜合考慮了預(yù)應(yīng)力混凝土對粉煤灰最大摻量的限制以及骨料堿活性抑制效果的研究成果，選定粉煤灰最大摻量為20%。

外加劑最優(yōu)摻量選取的標準是新拌混凝土的工作性，通過試驗確定外加劑的最優(yōu)摻量為1.1%（固含量20%）。

最優(yōu)砂率和骨料級配是通過試驗確定的。通過拌制不同砂率的混凝土，根據(jù)其和易性、振動泛漿情況，以及工廠制作高5m的PCCP管芯混凝土采用立式一次連續(xù)澆注完成等因素，最終選擇的最優(yōu)砂率為38%。骨料級配根據(jù)振實試驗和新拌混凝土工作性，將5～25mm碎石按兩個級配處理，針對5～10mm顆粒含量較少，適當(dāng)增加小石含量以提高粗骨料的緊密堆積密度，降低空隙率。

在外加劑最優(yōu)摻量、砂率和粉煤灰摻量確定后，通過試驗擬合確定不同水泥和粉煤灰組合下混凝土的抗壓強度與水膠比的關(guān)系，優(yōu)選出滿足強度設(shè)計要求的水膠比和混凝土配合比?；炷量箟簭姸扰c不同水膠比的試驗結(jié)果見表1，抗壓強度與膠水比的擬合方程見表2。

表1 不同水膠比與混凝土抗壓強度的試驗結(jié)果

表2 PCCP管芯混凝土抗壓強度與水膠比的關(guān)系

通過回歸分析表明，PCCP蒸養(yǎng)混凝土的抗壓強度與膠水比符合線性關(guān)系且相關(guān)性較好。通過計算，對強度設(shè)計等級為C60的混凝土，不同水泥與粉煤灰的組合，當(dāng)水膠比達到0.32時即可滿足強度設(shè)計要求。堿含量的計算結(jié)果表明，所有配合比的混凝土堿含量全部滿足不超過2.5kg/m3的要求。

通過摻入一定量的粉煤灰，在滿足預(yù)應(yīng)力混凝土限值和骨料堿活性抑制效果的同時，也降低了混凝土的溫升，提高了混凝土的抗裂性和產(chǎn)品的成品率。

4 應(yīng)用中存在的問題

聚羧酸減水劑成功用于南水北調(diào)PCCP工程，這是工程的重要性決定的，也是高強混凝土實現(xiàn)高性能化的必然選擇。南水北調(diào)工程最高強度設(shè)計等級為PCCP管芯C60混凝土，其次為漕河渡槽C50三向預(yù)應(yīng)力混凝土和穿黃工程C50預(yù)制管片。幾個工程采用聚羧酸外加劑除考慮骨料堿活性反應(yīng)而控制混凝土總堿量外，一個重要的原因是對水工高強混凝土抗裂性的重視。通過工程應(yīng)用，在解決設(shè)計和施工需求的同時，也應(yīng)該看到應(yīng)用中存在的問題，以利于更好地選擇和應(yīng)用聚羧酸減水劑。

（1）與膠凝材料的相容性問題

一般都認為聚羧酸減水劑劑與水泥和膠凝材料的相容性要好于萘系減水劑，這容易造成誤解。實際上，任何一種減水劑在使用過程中必須考慮與膠凝材料的相容性問題，聚羧酸減水劑也不例外。如漕河渡槽泵送混凝土，相同的配合比在兩個施工單位卻出現(xiàn)截然不同的情況，一個工作性良好，泵送容易，而另一家施工單位卻出現(xiàn)無法泵送的情況，區(qū)別只是采用了不同廠家的水泥。在PCCP生產(chǎn)中摻用的粉煤灰，一個廠家管材外觀均勻，質(zhì)量良好，而另一個則出現(xiàn)離析、顏色不均勻，區(qū)別是采用的減水劑品種不同。

（2）坍落度控制問題

坍落度控制包括兩個方面。一方面是坍落度損失的控制，這一點在高流動度的泵送混凝土和自密實混凝土中已得到很好的解決，但在水工低坍落度混凝土（5～7cm），如溢流面抗沖磨混凝土卻沒有很好解決，混凝土出機口工作性良好，隨時間延長很快出現(xiàn)板結(jié)和強的觸變性。另一方面是聚羧酸減水劑摻量對混凝土的用水量影響顯著，特別在低坍落度情況下，用水量的微小變化對坍落度的影響大，直接影響混凝土的澆筑與施工質(zhì)量控制。

（3）含氣量的問題

試驗和施工中都發(fā)現(xiàn)，部分廠家的聚羧酸減水劑的引氣量較大，且每個批次都有所變化，雖然滿足規(guī)范要求，但不滿足工程需要。如對PCCP管材，脫模后要求混凝土表面光潔，顏色均勻，若出現(xiàn)大于5mm的氣孔必須進行修補，因此要求外加劑不能引氣。而對于大型渡槽和溢流面抗沖磨混凝土，因有較高的抗凍設(shè)計等級，要求減水劑的引氣量要小，不能含有對引氣劑不利的消泡成分，并與引氣劑有很好的相容性。

綜上所述，雖然聚羧酸減水劑具有諸多優(yōu)點，但不能否認在應(yīng)用過程中還諸多問題有待進一步深入研究。

[1]紀國晉,蔣家林，郭永暉.PCCP高強混凝土的配制及堿含量控制技術(shù)研究[J].南水北調(diào)與水利科技，2008(1):126-129

[2]紀國晉. 南水北調(diào)中線工程PCCP管芯混凝土堿含量控制和骨料堿活性抑制措施，中國水利水電科學(xué)研究院科研報告，2007年

[3]王少江.采用聚羧酸減水劑配制的C50高性能混凝土在南水北調(diào)中線干線工程漕河渡槽中的應(yīng)用[C].第六屆全國高強與高性能混凝土?xí)h論文集[A]，烏魯木齊，2007