聚羧酸系減水劑在南水北調(diào)中線PCCP工程中的應(yīng)用*

紀(jì)國(guó)晉，計(jì)濤，孔祥芝

（中國(guó)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(guó)進(jìn)行水資源優(yōu)化配置、解決北方地區(qū)缺水的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)設(shè)施工程，對(duì)實(shí)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(zhǎng)1273.4km，是我國(guó)繼長(zhǎng)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(gè)混凝土建筑物工程?；炷量偭烤薮?，各建筑物對(duì)混凝土的技術(shù)要求不同，混凝土種類(lèi)繁多，強(qiáng)度等級(jí)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(shí)混凝土等，這些技術(shù)要求需要不同類(lèi)型和品種的外加劑以適應(yīng)施工和設(shè)計(jì)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(yùn)行和使用壽命。本文簡(jiǎn)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(lèi)似工程應(yīng)用提供參考和借鑒。

2 PCCP管道工程

2.1 工程簡(jiǎn)介

南水北調(diào)中線干線工程北京段全長(zhǎng)80.4km，其中PCCP工程全長(zhǎng)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(jì)最大工作壓力為0.8MPa，最大設(shè)計(jì)覆土深度為10m，管芯混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為C50～C60，屬高強(qiáng)高性能混凝土，混凝土總量約42萬(wàn)m3。

PCCP（Prestressed Concrete Cylinder Pipe）是預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管的英文縮寫(xiě)，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(hù)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(diǎn)，又具有其獨(dú)有的特性，具有適用范圍廣、抗震性能好、運(yùn)行費(fèi)用低、安裝方便、基本不漏水、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于長(zhǎng)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(guó)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(wàn)家寨引黃工程（管徑3m，長(zhǎng)5m、鋪設(shè)距離43.25km），其工程難度也是當(dāng)時(shí)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(zhǎng)5m的PCCP作為輸水管材是目前我國(guó)乃至亞洲最大的PCCP工程。

2.2 需解決的技術(shù)問(wèn)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(lèi)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(duì)于最高強(qiáng)度等級(jí)為C60的高強(qiáng)混凝土有一定的技術(shù)難度。

（2）早期強(qiáng)度要求

具有一定的早期強(qiáng)度既是規(guī)范要求，也是工程的實(shí)際需要。根據(jù)我國(guó)和美國(guó)AWWA C301的規(guī)定，PCCP的纏絲強(qiáng)度為混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%，如達(dá)不到需臨時(shí)存放到規(guī)定的纏絲強(qiáng)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(chǎng)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(qiáng)度和場(chǎng)地因素。根據(jù)規(guī)范，PCCP可以采用蒸氣養(yǎng)護(hù)，但蒸養(yǎng)溫度不得超過(guò)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(qiáng)度要求，以滿足場(chǎng)地周轉(zhuǎn)和按時(shí)完成工程建設(shè)的需要。

（3）工作性要求

對(duì)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(dá)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(dòng)密實(shí)，混凝土表面沒(méi)有麻面，同時(shí)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(duì)混凝土裂縫的控制要求很?chē)?yán)，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(guò)程中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。

3 試驗(yàn)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(guò)0.6%。試驗(yàn)選擇工程采用的北京太行前景和天津振興兩個(gè)水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。檢測(cè)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(jí)灰，實(shí)測(cè)堿含量分別為1.34%和1.11%。

砂石骨料：工程實(shí)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(diǎn)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(shí)降低混凝土的單方用水量，進(jìn)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(shí)還要求適應(yīng)蒸養(yǎng)混凝土工藝并具有較高的早期強(qiáng)度，因此外加劑的優(yōu)選是非常重要的。試驗(yàn)共對(duì)不同供應(yīng)商的8個(gè)批次的聚羧酸外加劑進(jìn)行了優(yōu)選試驗(yàn)。結(jié)果表明，幾個(gè)具有早強(qiáng)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(qiáng)的觸變性和粘聚性，攪拌時(shí)間延長(zhǎng)、人工翻拌和成型困難，另外幾個(gè)外加劑均存在和易性不良的問(wèn)題。因此經(jīng)過(guò)對(duì)聚羧酸減水劑的調(diào)整優(yōu)化，試驗(yàn)最終選擇了1個(gè)廠商的減水劑進(jìn)行配合比的優(yōu)選和試驗(yàn)。

3.2 混凝土配合比優(yōu)選試驗(yàn)

PCCP管芯混凝土的強(qiáng)度等級(jí)根據(jù)不同工作壓力和環(huán)境分為C50、C55和C60共三個(gè)等級(jí)，強(qiáng)度保證率95%，標(biāo)準(zhǔn)差取5.0MPa，配制強(qiáng)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(jí)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)是新拌混凝土的工作性，通過(guò)試驗(yàn)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(jí)配是通過(guò)試驗(yàn)確定的。通過(guò)拌制不同砂率的混凝土，根據(jù)其和易性、振動(dòng)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(jí)配根據(jù)振實(shí)試驗(yàn)和新拌混凝土工作性，將5～25mm碎石按兩個(gè)級(jí)配處理，針對(duì)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(guò)試驗(yàn)擬合確定不同水泥和粉煤灰組合下混凝土的抗壓強(qiáng)度與水膠比的關(guān)系，優(yōu)選出滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求的水膠比和混凝土配合比。混凝土抗壓強(qiáng)度與不同水膠比的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，抗壓強(qiáng)度與膠水比的擬合方程見(jiàn)表2。

表1 不同水膠比與混凝土抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果

表2 PCCP管芯混凝土抗壓強(qiáng)度與水膠比的關(guān)系

通過(guò)回歸分析表明，PCCP蒸養(yǎng)混凝土的抗壓強(qiáng)度與膠水比符合線性關(guān)系且相關(guān)性較好。通過(guò)計(jì)算，對(duì)強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為C60的混凝土，不同水泥與粉煤灰的組合，當(dāng)水膠比達(dá)到0.32時(shí)即可滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。堿含量的計(jì)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(guò)2.5kg/m3的要求。

通過(guò)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(shí)，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(wèn)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(qiáng)混凝土實(shí)現(xiàn)高性能化的必然選擇。南水北調(diào)工程最高強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)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(gè)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(gè)重要的原因是對(duì)水工高強(qiáng)混凝土抗裂性的重視。通過(guò)工程應(yīng)用，在解決設(shè)計(jì)和施工需求的同時(shí)，也應(yīng)該看到應(yīng)用中存在的問(wèn)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(wèn)題

一般都認(rèn)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(shí)際上，任何一種減水劑在使用過(guò)程中必須考慮與膠凝材料的相容性問(wèn)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(gè)施工單位卻出現(xiàn)截然不同的情況，一個(gè)工作性良好，泵送容易，而另一家施工單位卻出現(xiàn)無(wú)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(gè)廠家管材外觀均勻，質(zhì)量良好，而另一個(gè)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(wèn)題

坍落度控制包括兩個(gè)方面。一方面是坍落度損失的控制，這一點(diǎn)在高流動(dòng)度的泵送混凝土和自密實(shí)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(méi)有很好解決，混凝土出機(jī)口工作性良好，隨時(shí)間延長(zhǎng)很快出現(xiàn)板結(jié)和強(qiáng)的觸變性。另一方面是聚羧酸減水劑摻量對(duì)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(duì)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(wèn)題

試驗(yàn)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(gè)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(duì)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(jìn)行修補(bǔ)，因此要求外加劑不能引氣。而對(duì)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(jì)等級(jí)，要求減水劑的引氣量要小，不能含有對(duì)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(diǎn)，但不能否認(rèn)在應(yīng)用過(guò)程中還諸多問(wèn)題有待進(jìn)一步深入研究。

[1]紀(jì)國(guó)晉,蔣家林，郭永暉.PCCP高強(qiáng)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(jì)國(guó)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(guó)水利水電科學(xué)研究院科研報(bào)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(guó)高強(qiáng)與高性能混凝土?xí)h論文集[A]，烏魯木齊，2007