聚羧酸系高效減水劑在南水北調(diào)保定漕河段工程中的應(yīng)用

2007-01-19 00:00  留言

摘要：目前，在眾多系列的減水劑中，具有梳形分子結(jié)構(gòu)的聚羧酸類減水劑具有分散性強(qiáng)，混凝土坍落度損失小等優(yōu)越特性，是國(guó)內(nèi)外化學(xué)外加劑研究與開發(fā)的熱點(diǎn)。CS-SP1型第三代聚羧酸高效減水劑由于其具有高減水率、低水化熱、低收縮且自身氯離子含量和堿含量低等優(yōu)異性能被應(yīng)用于南水北調(diào)保定漕河段工程中。本文主要介紹了CS-SP1型超塑化劑在南水北調(diào)保定漕河段工程中以高減水率、高性能、低收縮為主要技術(shù)指標(biāo)的水工大體積薄壁混凝土中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：聚羧酸系、減水劑、抗裂、水工高性能混凝土

Application of Polycarboxylate Water Reducing Agent in Caohe Reach of Baoding in Project to Divert Water From the Yangtze River to North China

Xia Yi¹,Ju Kecheng², Zhen Jian¹,Zhang Yuan¹

(1. CS Chemical (Shanghai) Co.,Ltd, Shanghai 200040;2 No. 4 Institute of China Water Conservancy & Hydropower Xining 810000)

(2.

Abstract: At present, polycarboxylate water reducing agents with the carboxyl molecule structure are superior to other water reducing agents and features as: high dispersibility and mall concrete slump loss, therefore they are the hot products searched by all the R&D institutes home and abroad. The third generation of polycarboxylate high performance water reducing agent, CS-SP1, features with high water reducing rate, low hydration heat and low contraction, besides these advantages, low chloride ion and alkali content of CS-SP1 can also be applied in Caohe reach of Baoding in project to divert water from the Yangtze River to north China. Herein we mainly introduce the application of superplasticizer CS-SP1 in the hydraulic structure of mass concrete in this project, the major technical indicators are high water reducing rate, high performance and low contraction.

Key words: polycarboxylate, water reducing agent, anti-crack, high performance hydraulic structure concrete.

1 工程概況

南水北調(diào)中線總干渠漕河渡槽段是南水北調(diào)中線京石段應(yīng)及供水工程的重要組成部分，是南水北調(diào)中線工程總干渠上的一座大型交叉建筑物。工程位于河北省滿城縣城西約9公里的神星鎮(zhèn)與荊山村之間，距保定市約30公里。

工程所在區(qū)域?yàn)榕瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，漕河干渠線路總長(zhǎng)9319.7m，渡槽全長(zhǎng)2300m，設(shè)計(jì)流量125m³/s，加大流量150 m³/s，地震設(shè)計(jì)烈度為6度，渡槽的建筑物等級(jí)為I級(jí)。該段工程由進(jìn)口段、進(jìn)口連接段、漕身段組成。渡槽槽身為大體積薄壁結(jié)構(gòu)，多側(cè)墻段為三漕一聯(lián)簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土，具有跨度大、結(jié)構(gòu)薄、級(jí)配小、等級(jí)高的優(yōu)點(diǎn)，最大單跨長(zhǎng)度30m，底寬20.6m，底板厚50m；漕河渡槽為大體積薄壁結(jié)構(gòu)，采用C₂₈50F200W6高性能混凝土施工，槽身鋼筋密，采用最大骨料粒徑25mm的骨料。

該項(xiàng)工程具有兩個(gè)特點(diǎn)：1.使用高性能混凝土，2部位為水工大體積薄壁結(jié)構(gòu)。防止混凝土的收縮開裂技術(shù)為該工程的主要技術(shù)目標(biāo)。

2 原材料

2.1 水泥：河北太行P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積371m²/kg，密度3.09g/cm³，初凝1h:58min，終凝3h:03min；抗壓強(qiáng)度：39.6MPa/3d，71.4MPa/28d；抗折強(qiáng)度：6.6MPa/3d，9.2MPa/28d；水化熱：272kJ/kg（3d），314kJ/kg（28d）。

2.2 粉煤灰：河北微水II級(jí)粉煤灰，細(xì)度9.7%，需水量比96%，密度2.14 g/cm³，燒失量2.95%，堿含量0.79%，SO₃含量0.32%。

2.3 硅粉：青海山川硅粉，密度2.27 g/cm³，粒度0.2-0.4μm，燒失量2.2%，堿含量2.2%，SO₃含量1.28%。

2.4 砂：漕河天然砂，細(xì)度模數(shù)2.73，屬中砂，連續(xù)級(jí)配，砂子表觀密度2700kg/m³，堆積密度1560kg/m³，空隙率42%，含泥量0.9%，SO₃含量0.02%。

2.5 石子：葛洲壩集團(tuán)生產(chǎn)的槽身人工碎石，按粒徑5-10mm: 粒經(jīng)10-25mm=30: 70的比例進(jìn)行摻配，配成5-25mm連續(xù)級(jí)配。表觀密度2710kg/m³，堆積密度1540kg/m³，空隙率43%，針片狀含量1.9%，含泥量0.6%。

2.6 外加劑：淘正化工（上海）有限公司生產(chǎn)的CS-SP1型聚羧酸系高效減水劑，固含量31%，密度1.086g/cm³，Cl^-含量0.01%，SO₃含量0.76%，堿含量1.62%，含氣量1.9%，減水率30.6%。石家莊市中偉建材有限公司生產(chǎn)的DH9A引氣劑。

2.7 纖維：華神聚丙烯纖維。

2.8 水：自來(lái)水。

3 混凝土主要性能指標(biāo)和高性能水工混凝土配合比設(shè)計(jì)技術(shù)路線

3.1 該砼為南水北調(diào)中線京石應(yīng)急供水工程漕河渡槽C50高性能薄壁結(jié)構(gòu)混凝土，主要技術(shù)指標(biāo)性能如下：

（1）工作性能；新拌混凝土出機(jī)坍落度180-220mm，15min坍落度不低于180mm。初凝時(shí)間不低于10h，含氣量控制在4.0±1.0%。

（2）力學(xué)性能：滿足《水工混凝土施工規(guī)范》（DL/T5144-2001）C50高性能混凝土配制設(shè)計(jì)強(qiáng)度59.1MPa，彈性模量≥3.45×10⁴MPa。

（3）耐久性能：抗凍等級(jí)≥F200，抗?jié)B等級(jí)≥W8，干縮變形≤350×10^-6。

3.2 水工高性能薄壁混凝土配合比設(shè)計(jì)路線：

由于在薄壁結(jié)構(gòu)中采用高性能混凝土是極易發(fā)生開裂的，為提高高性能混凝土的抗裂性能，從調(diào)整混凝土的幾大參數(shù)入手，研究各種材料復(fù)合后對(duì)混凝土性能的影響，通過(guò)摻加第三代高效減水劑降低單位用水量、減少水泥用量、降低水化熱，摻加不同組合高性能活性摻合料（粉煤灰、硅灰）以提高混凝土耐久性，并摻加聚丙烯纖維、減縮劑以達(dá)到防裂效果。

4 外加劑對(duì)比試驗(yàn)及性能結(jié)果

根據(jù)《漕河渡槽C50混凝土配合比試驗(yàn)大綱》和《對(duì)<關(guān)于II標(biāo)段渡槽C50混凝土配合比的報(bào)告>的批復(fù)意見》中的要求，外加劑選用石家莊某公司的GK系列外加劑和江蘇某公司的JM系列外加劑進(jìn)行試驗(yàn)；另根據(jù)高性能混凝土的特點(diǎn)，選用了堿含量低且具有抗裂性能的淘正化工（上海）有限公司生產(chǎn)的CS-SP1型聚羧酸系高效減水劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4.1 外加劑勻質(zhì)性

外加劑勻質(zhì)性檢驗(yàn)結(jié)果見表1-1。

表1-1 外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)結(jié)果

名稱	狀態(tài)	密度(g/ml)	細(xì)度(%)	固體含量(%)	氯離子含量(%)	硫酸鹽含量(%)	堿含量(%)	pH值	表面張力(mN/m)
CS-SP1	液體	1.0858	—	31.0	0.01	0.76	1.62	6.6	—
GK	粉劑	1.0023	1.88	93.57	0.022	—	6.36	8.5	68.5
JM	粉劑	1.0027	1.68	94.0	0.023	4.38	11.22	7.98	66.5

從外加劑勻質(zhì)性檢驗(yàn)結(jié)果中可以看出：第三代聚羧酸系高效減水劑CS-SP1在氯離子含量、硫酸鹽含量和堿含量方面都明顯低于另兩種外加劑，這說(shuō)明了第三代聚羧酸系減水劑在對(duì)混凝土的耐久性、抗腐蝕性方面都是有一定優(yōu)勢(shì)的。

4.2 摻外加劑混凝土性能試驗(yàn)

摻外加劑混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果見表1-2、表1-3。

表1-2 摻外加劑混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果1

編號(hào)	外加劑		用水量（kg/m³）	坍落度 (mm)	和易性	減水率 (%)	含氣量 (%)	泌水率比(%)
編號(hào)	品種	摻量	用水量（kg/m³）	坍落度 (mm)	和易性	減水率 (%)	含氣量 (%)	泌水率比(%)
1	基準(zhǔn)	—	185	86	較好	—	1.6	100
2	CS-SP1	0.8	140	85	好	24.3	1.8	8.4
3	CS-SP1	1.0	132	88	好	28.6	1.9	12.2
4	JM	0.5	148	78	好	20.0	2.0	35.4
5	JM	0.7	141	89	較好	23.8	2.3	60.8
6	GK	0.5	147	83	較好	20.5	1.9	41.2
7	GK	0.7	139	90	較好	24.9	2.0	69.5

表1-3 摻外加劑混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果2

編號(hào)	外加劑		凝結(jié)時(shí)間（h:min）		抗壓強(qiáng)度（MPa）/抗壓強(qiáng)度比（%）
編號(hào)	品種	摻量	初凝	終凝	3d	7d	28d
1	基準(zhǔn)	—	8:52	12:35	9.8/100	16.5/100	29.0/100
2	CS-SP1	0.8	9:55	13:48	14.5/148	23.5/142	39.8/137
3	CS-SP1	1.0	10:30	14:25	16.6/169	26.8/162	44.2/152
4	JM	0.5	11:05	15:15	12.8/131	21.4/130	36.8/127
5	JM	0.7	12:45	16:28	14.4/147	25.6/155	42.6/147
6	GK	0.5	9:30	13:08	13.2/135	22.8/138	38.8/134
7	GK	0.7	10:45	14:18	13.8/141	25.7/156	44.2/152

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，聚羧酸系高效減水劑CS-SP1具有較高的減水率（圖1），摻CS-SP1的混凝土和易性很好，同時(shí)抗壓強(qiáng)度比很高（圖2），在不影響早期強(qiáng)度發(fā)展的情況下具有一定的緩凝作用，可以大幅度降低高性能混凝土的膠材用量和水化熱，對(duì)高性能混凝土的抗裂性能也有一定的作用。

5 混凝土配合比及性能測(cè)試結(jié)果

5.1 大體積薄壁結(jié)構(gòu)C50水工高性能混凝土配合比

根據(jù)《水工混凝土施工規(guī)范》（DL/T5144-2001）的技術(shù)指標(biāo)、原材料的情況和以往的施工經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)幾個(gè)不同階段的大量試配和試驗(yàn)研究，在最后復(fù)合試驗(yàn)研究中設(shè)計(jì)了三個(gè)推薦漕河渡槽高性能混凝土施工配合比?；炷僚浜媳纫姳?-1。

表2-1 高性能混凝土復(fù)合試驗(yàn)配合比（kg/m³）

組別	水泥	粉煤灰	硅灰	砂子	石子	CS-SP1	DH9A	減縮劑	纖維	水膠比
1	339	91	23	739	1065	4.08	0.068	3.62	0.9	0.32
2	329	88	22	746	1073	3.95	0.066	0	0.9	0.33
3	386	97	0	729	1052	4.35	0.072	0	0.9	0.30

5.2 新拌混凝土工作性能

見表2-2

表2-2 新拌混凝土工作性能

組別	砼溫（℃）	出機(jī)坍落度（mm）	15min坍落度（mm）	含氣量（%）	初凝（h:min）	終凝（h:min）	泌水率（%）	粘聚性	析水情況	外觀
1	14	180	181	3.6	12:45	15:52	0.10	較好	無(wú)	較好
2	15	180	124	6.3	13:56	17:22	0	好	無(wú)	好
3	16	204	192	1.8	7:00	12:56	2.15	好	泌漿	粘地

從新拌混凝土工作性能和和易性能上來(lái)看，第二組混凝土性能明顯好于其它兩組，第三組混凝土由于單摻粉煤灰，表現(xiàn)出泌水泌漿和粘地的現(xiàn)象，和易性能最差。

5.3 混凝土力學(xué)性能

見表2-3

從混凝土力學(xué)性能上來(lái)看，三組配合比表現(xiàn)的混凝土力學(xué)性能均能滿足施工設(shè)計(jì)的要求。

5.4 混凝土收縮性能

見表2-4

根據(jù)混凝土收縮的試驗(yàn)結(jié)果：第二組配合比的28d干縮率明顯要低于其它兩組，這對(duì)混凝土的收縮抗裂性能有較大的意義。

表2-3 混凝土力學(xué)性能

組別	抗壓強(qiáng)度（MPa）			劈拉強(qiáng)度（MPa）			軸拉強(qiáng)度（MPa）		軸壓強(qiáng)度(MPa)	抗壓彈模(GPa)
組別	7d	14d	28d	7d	14d	28d	7d	28d	28d	28d
1	50.6	62.2	65.3	3.05	3.84	4.36	3.72	4.64	44.2	34.4
2	42.1	59.4	61.1	2.97	3.27	4.75	3.34	4.08	42.2	35.5
3	51.7	63.8	67.2	3.40	3.56	3.71	3.54	3.97	34.0	39.5

表2-4 混凝土收縮性能

組別	干縮率（10^-5）
組別	3d	7d	14d	28d
1	0	-78	-164	-241
2	-58	-96	-153	-173
3	-77	-96	-135	-193

從設(shè)計(jì)指標(biāo)上來(lái)看，前兩組配合比的試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。其中，第二種方案與第一種相比，減少了高性能混凝土整體膠凝材料用量，這與第三代聚羧酸系高效減水劑CS-SP1的高減水率、高增強(qiáng)效果及水泥較高的富余強(qiáng)度是分不開的。第三種單摻粉煤灰的高性能混凝土設(shè)計(jì)方案的混凝土圓環(huán)抗裂試驗(yàn)結(jié)果最差，且拌合物工作性能很差。表現(xiàn)為拌合物粘稠、粘地板、泌水泌漿、表面氣泡大量上浮，粉煤灰飄逸，骨料下沉，混凝土分離。因此綜合各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，最終確定采用第二種方案作為施工配合比。

6 工程應(yīng)用

南水北調(diào)中線總干渠漕河渡槽第II標(biāo)段由中國(guó)水利水電第四工程局承擔(dān)，該項(xiàng)目于2006年3月底進(jìn)行了模擬施工試驗(yàn)?；炷涟韬衔锖鸵仔暂^好，滿足施工要求，并于4月份開始施工。在施工過(guò)程中，C50大體積薄壁混凝土和易性好，無(wú)泌水泌漿，漿體狀態(tài)飽滿，便于施工。且澆注后混凝土外觀良好，未出現(xiàn)任何形式的裂縫，獲得施工方的一致好評(píng)。

7 結(jié)論

（1）淘正CS-SP1聚羧酸系減水劑具有高減水率、低水化熱、高增強(qiáng)效果、低收縮且自身氯離子含量和堿含量低等優(yōu)異性能。在漕河渡槽工程中應(yīng)用于大體積薄壁混凝土體現(xiàn)了與水泥及摻合料的適應(yīng)性好，新拌混凝土工作性高，表觀良好，強(qiáng)度高、收縮低等優(yōu)點(diǎn)。適合于配制高性能水工混凝土
。

（2）最終確定的南水北調(diào)中線京石應(yīng)急供水工程漕河渡槽C50高性能混凝土配合比，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。該施工配合比方案具有用水量低、膠材用量少、和易性好、方便施工等特點(diǎn)。

（3）大體積薄壁結(jié)構(gòu)混凝土耐久安全性、特別是抗裂等問(wèn)題仍然是需要深入研究探討的問(wèn)題。在該工程中通過(guò)摻加第三代高效減水劑降低單位用水量減少多余水分、降低水泥用量從而降低水化熱，摻加不同組合高性能活性摻合料（粉煤灰、硅灰）以提高混凝土耐久性，并摻加聚丙烯纖維、減縮劑以達(dá)到防裂效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳中偉、廉慧珍. 高性能混凝土[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，1999.9

[2] 田育功等. 大體積薄壁結(jié)構(gòu)高性能混凝土抗裂研究報(bào)告. 中國(guó)水利水電第四工程局勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2006.2

[3] 《水工混凝土施工規(guī)范》（DL/T5144-2001）

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