聚羧酸減水劑在南水北調(diào)工程中的應(yīng)用

　　南水北調(diào)中線北京段全長(zhǎng)約80km，其中惠南莊-大寧段采用PCCP管道輸水，線路總長(zhǎng)56.359km，占北京段總干渠全長(zhǎng)的70%.PCCP輸水管道工程設(shè)計(jì)自流流量20m3/s，加壓流量60m3/s.管道由2排并行DN4000PCCP管道構(gòu)成，管道中心線距離為6.1m. PCCP是預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PrestressedConcreteCylinderPipe）的英文縮寫(xiě)。PCCP由鋼筒、混凝土、高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲、砂漿保護(hù)層構(gòu)成。

　　由于南水北調(diào)是國(guó)家重點(diǎn)工程，對(duì)原材料的要求非常嚴(yán)格。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》規(guī)定，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.砂、石骨料必須采用非堿活性骨料。PCCP的最高工作壓力為0.8MPa，水錘壓力為0.32MPa，檢驗(yàn)壓力為1.12MPa.覆土深度深達(dá)10m，管溝鋪設(shè)包角90°，附加荷載20kPa.根據(jù)對(duì)PCCP結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果，生產(chǎn)能夠滿足以上要求的PCCP需采用C60混凝土，管芯壁厚380mm，同時(shí)需要纏繞雙層高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲，整管重量達(dá)77t.生產(chǎn)大口徑PCCP場(chǎng)地是制約生產(chǎn)效率的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。AWWAC301中規(guī)定，PCCP的纏絲強(qiáng)度為混凝土強(qiáng)度的70%，如果成型的管芯不能達(dá)到纏絲強(qiáng)度（420kg/cm2）就需要在場(chǎng)地進(jìn)行臨時(shí)周轉(zhuǎn)堆放，等待強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。由于管體巨大，按3天的臨時(shí)堆放時(shí)間考慮就需5000m2的周轉(zhuǎn)場(chǎng)地。因此，要求管芯脫模后就必須達(dá)到纏絲強(qiáng)度。

　　通?；炷林破返恼麴B(yǎng)溫度在80℃～85℃之間。AWWAC301中雖然允許對(duì)管芯進(jìn)行蒸養(yǎng)，但要求蒸養(yǎng)溫度不得超過(guò)52℃。這一規(guī)定也為盡量提高混凝土的早期強(qiáng)度增加了難度。

　　管芯壁厚達(dá)380mm，管長(zhǎng)5m，工藝要求混凝土的坍落度必須保證在5cm～8cm之間。坍落度過(guò)小，不易振到密實(shí)，產(chǎn)生麻面；坍落度過(guò)大，上層混凝土易產(chǎn)生離析，水泥漿上浮。

　　混凝土澆筑為露天作業(yè)，攪拌樓距最遠(yuǎn)一個(gè)工位約150m，因此要求在夏季最熱的天氣（室外溫度高于45℃）時(shí)，30分鐘坍落度損失不能超過(guò)2cm.由于工程的特殊性，所有管芯混凝土強(qiáng)度的保證率必須達(dá)到100%.考慮到原材料的正常波動(dòng)和人為因素，混凝土配合比設(shè)計(jì)按C65進(jìn)行。

　　1.養(yǎng)護(hù)制度。根據(jù)AWWAC301的要求，設(shè)計(jì)養(yǎng)護(hù)制度如下：升溫1.5h，恒溫8h，降溫2h，升溫速度每小時(shí)不超過(guò)22℃，恒溫溫度為50℃～52℃之間。

　　2.試配?；炷猎趶?qiáng)制式攪拌機(jī)中攪拌3min后，出機(jī)檢驗(yàn)混凝土的坍落度及和易性，用來(lái)評(píng)定混凝土的工作性。將拌勻后的混凝土裝入150mm×150mm×150mm試模中，后移入標(biāo)養(yǎng)室靜停1h后，按蒸養(yǎng)制度進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。試件共3組，一組測(cè)試蒸養(yǎng)強(qiáng)度；另兩組轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中分別養(yǎng)護(hù)7天和28天，測(cè)試其強(qiáng)度。

　　3.初步篩選結(jié)果。雖然水泥用量在500kg/m3以上時(shí)配制出的混凝土大都能夠滿足強(qiáng)度要求，但在進(jìn)行堿含量計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)均超過(guò)了2.5kg/m3的工程規(guī)定。假設(shè)所有水泥的堿含量均≤0.6%，每立方米混凝土中的水泥用量不能超過(guò)416kg.此計(jì)算尚未包括粉煤灰和外加劑中的堿含量。在我們選定的4種水泥中，北京地區(qū)產(chǎn)的水泥由于礦山地質(zhì)條件等原因，堿含量偏高，實(shí)測(cè)結(jié)果甚至超過(guò)0.6%的規(guī)定值。振興水泥和冀東水泥堿含量較低，實(shí)測(cè)結(jié)果分別為0.48%和0.49%.考慮到水泥生產(chǎn)的波動(dòng)性及工程要求的99%以上的保證率，在進(jìn)行生產(chǎn)廠考察時(shí)查閱了有關(guān)生產(chǎn)檢驗(yàn)臺(tái)賬，發(fā)現(xiàn)天津振興水泥3年內(nèi)堿含量檢測(cè)結(jié)果無(wú)一超過(guò)0.54%.從而確定了水泥的供應(yīng)商，并確定以0.55%作為水泥中堿含量的計(jì)算值。

　　PCCP管壁厚達(dá)380mm，混凝土中需摻入適量的粉煤灰以改善其水化熱與合易性性能。《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》DL/T5055-1996定義Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)粉煤灰的堿含量必須≤1.5%.由此估算，粉煤灰?guī)氲膲A約0.3kg/m3.要達(dá)到2.5kg/m3總堿含量控制指標(biāo)，減水劑中的堿含量必須嚴(yán)格限制。聚羧酸減水劑含堿量很低，天津雍陽(yáng)外加劑廠生產(chǎn)聚羧酸類(lèi)AST系列減水劑經(jīng)實(shí)測(cè)只有0.41%.與其他減水劑類(lèi)似，聚羧酸減水劑也有與水泥適應(yīng)性的問(wèn)題。主要表現(xiàn)為坍落度損失過(guò)快，攪拌后很短時(shí)間出現(xiàn)泌水現(xiàn)象。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有的水泥品種攪拌后靜停15min后便失去流動(dòng)性，再次攪拌后流動(dòng)性恢復(fù)。通過(guò)初步試驗(yàn)選定了用于PCCP管芯混凝土的主要原材料。

　　4.優(yōu)化配合比。根據(jù)以上分析，粉煤灰和減水劑中的堿含量已經(jīng)無(wú)法再進(jìn)一步減少，降低混凝土中的堿含量只能靠盡量減少水泥用量、優(yōu)化配合比、提高混凝土強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。為此在以下幾方面對(duì)配合比進(jìn)行了優(yōu)化。（1）改善碎石級(jí)配。根據(jù)緊密堆積法試驗(yàn)結(jié)果，將碎石改為人工二級(jí)級(jí)配，在現(xiàn)有石料中加入25%的5mm~10mm小顆粒碎石。（2）調(diào)整砂率。將砂率從40%降低至32%左右。（3）適當(dāng)降低減水劑摻量。聚羧酸減水劑摻量過(guò)高時(shí)會(huì)造成拌合料發(fā)黏，坍落度損失過(guò)快，不利于混凝土澆筑。經(jīng)反復(fù)試配，將其摻量從1.9%降至1.6%.通過(guò)優(yōu)化配合比，混凝土的流動(dòng)性顯著增加，其他工作性也得到明顯改善。在保證5cm～8cm坍落度的條件下，混凝土強(qiáng)度大幅度提高。最終確定了分別用于夏季（編號(hào)2）和春、秋季（編號(hào)1）PCCP管芯混凝土的配合比。

　　通過(guò)對(duì)PCCP管芯混凝土配合比的研究和試驗(yàn)對(duì)聚羧酸減水劑的使用有如下體會(huì)：

　　1.在對(duì)堿骨料反應(yīng)有特殊要求的重要工程中，利用聚羧酸減水劑堿含量低的特性可以有效地解決北方地區(qū)由于水泥含堿量較高造成的混凝土中總堿含量超過(guò)規(guī)定值問(wèn)題。2.實(shí)踐證明，利用聚羧酸類(lèi)高效減水劑，采用合理的混凝土配合比配制高強(qiáng)混凝土，混凝土外觀質(zhì)量光潔平滑，色澤一致，完全可以滿足高強(qiáng)混凝土施工要求。3.在保證混凝土強(qiáng)度的前提下，盡量減少減水劑的摻量，既能改善拌合物的性能，又不失為一種經(jīng)濟(jì)的做法。4.冬季施工時(shí)，其水溫不要超過(guò)60°，如水溫過(guò)高也會(huì)影響減水效果。5.外加劑存儲(chǔ)容器最好使用不銹鋼或塑料容器。如使用鐵罐，外加劑會(huì)對(duì)罐體進(jìn)行腐蝕，同時(shí)也影響外加劑本身的性能。