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标题 预应力钢筒混凝土管道混凝土性能特点分析与配合比优化设计
范文 张文戟+张成军


摘要：南水北调中线干线工程北京段在国内首次研制、生产和使用DN4000特大型PCCP，对混凝土技术、质量控制要求很高，并对混凝土碱含量、碱骨料反应及抑制措施提出了明确的要求。管道混凝土设计强度为C50～C60，属于高强、高性能混凝土，对混凝土的原材料、配比、制作等提出了很高的要求。现结合南水北调工程实际，对大直径PCCP混凝土性能特点与配合比优化设计进行研究分析。
关键词：大直径PCCP；混凝土性能；配合比设计；优化
中图分类号：TV521文献标志码：A文章编号：
1672-1683（2015）001-0117-03
Studying on characteristics of concrete performance and optimizing design of concrete mix of prestressed concrete cylinder pipe with large diameter
ZHANG Wen-Ji1，ZHANG Cheng-Jun2
（1.Shanxi Institute of Water Science Research，Taiyuan 030002，China；2.Shanxi Yumenkou Hydraulic Engineering Management Burea，Taiyuanu 030002，China）
Abstract：Because of the first manufacturing and application of outsize Prestressed Concrete Cylinder Pipe with diameter of 4 meters in the south-to-north diversion project，the requirement to manufacturing and quality controling level of concrete is very hign.，and some clear requirement to the materials，mix design，producing，alkali content，ASR-protection，etc，have been put forward.Integrating the practice of the south-to-north diversion project，the characteristics of concrete performance and optimizing design of concrete mix of Prestressed Concrete Cylinder Pipe with Large Diameter have been studied in this paper.
Key words：pccp；characteristics of concrete performance；mix design；optimizing design
南水北调中线北京段干线部分采用了PCCP管线，长度56359 km，设计为双排直径4 m的PCCP。DN4000特大型PCCP在国内是首次研制、生产和使用，对其技术要求、质量控制的要求很高，对混凝土碱含量、碱骨料反应及抑制措施提出了明确的要求。PCCP管道混凝土设计强度为C50～C60，属于高强、高性能混凝土，对混凝土的原材料、配比、制作等提出了很高的要求。本项目结合南水北调工程监理实践，通过对PCCP管芯混凝土配合比的设计与优化研究以及工厂化的生产应用，既显著提高了C60混凝土强度，又大大改善了混凝土性能，同时还大幅降低了水泥用量，最终实现了节约投资、确保质量的目的，其经济技术效果显著。
1PCCP对混凝土的特殊要求
1.1特点与基本要求
对PCCP混凝土进行分析，可以得出以下特点和基本要求。
（1） 设计为高强混凝土。强度C50～C60，大多为C60，水泥用量较大。
（2） 骨料粒径小。合同规定不大于30 mm，受骨料厂供应限制，一般选用 5～25 mm骨料。水泥用量较一般水工混凝土加大。
（3） 混凝土坍落度较大。受工艺及振捣条件限制，混凝土坍落度较大。各管厂根据自身工艺及设备条件对坍落度取值又有明显不同。管厂一般取坍落度8～11 cm，个别取7～9 cm，采用泵送时更大。
（4） 要求早期强度高。受堆放场地制约及工艺的综合考虑，一般必须通过蒸养获得较高的早期强度，1～3 d达到设计强度的70%以上，外加剂及掺合料选用受到限制，尤其是粉煤灰。
（5） 蒸养温度低而时间有限。蒸养温度规定为32～52 ℃；要求静停4 h、升温4 h、恒温8 h、降温2 h，受模具周转限制，承揽人恒温时间一般不会超过8 h，无法通过蒸养获得更高早期强度，尤其是粉煤灰混凝土。
（6） 混凝土中水溶性氯离子含量不得超过水泥重量的006 %。
（7） 混凝土中掺合料不得超过混凝土重量的20%。
1.2南水北调中线工程对混凝土碱集料反应要求与预防措施
为保证工程质量，南水北调工程制定了专门的混凝土碱集料反应预防和控制措施。
（1）工程应尽可能使用非碱活性骨料配制混凝土。
（2） 采用低碱含量的外加剂，外加剂的碱含量不宜大于外加剂重量的10 %。
（3） 单掺低钙粉煤灰进行骨料碱活性抑制时，粉煤灰掺量一般不少于20%，粉煤灰等级不得低于Ⅱ级，碱含量应不大于15%。
（4） 南水北调中线PCCP工程属Ⅲ类工程且处于潮湿环境，采用疑似活性骨料时须控制混凝土总碱含量不大于25 kg/m3。
2混凝土原材料选用
根据本项目高强混凝土要求，就原材料选用开展了大量的试验工作。由于当地水泥厂水泥碱含量难以保证在06%以内，而当地天然砂多为分散的小型料场且多为疑似活性骨料，因此对水泥和细骨料的选用范围加大到周边地区，通过对比分析，选定了满足本项目合同技术规范要求的原材料。
水泥：采用天津振兴水泥厂生产的低碱型PO 425水泥，其碱含量<055 %，试验结果见表1。
细骨料：天然砂，产地河北曲阳大沙河，非活性骨料，细度模数26，含泥量小于10%。
粗骨料：石灰岩人工碎石，产地北京门头沟，非活性骨料，粒径为5～25 mm连续级配。
外加剂：天津雍阳外加剂厂生产的聚羧酸高效减水剂，属于低碱外加剂，试验结果见表2。
水：采用地下水。
根据以上结果，天津振兴水泥厂生产的P.O 425水泥符合本项目合同规定，属于低碱水泥，经考察确认其碱含量可保证在055%以内，有利于混凝土的碱含量控制。
根据本项目特点，从减少用水量和混凝土碱含量考虑，选用了国内性能较优的聚羧酸盐类高效减水剂，其碱含量仅为041%，远低于奈系减水剂的碱含量（7%～10%），适应了本项目的要求，且减水率较高。
根据检测结果（表1，表2）来看，以上材料均符合工程及试验要求，且均为优质材料，为保证工程质量起到决定性作用，为混凝土优化设计奠定了基础。
表1水泥试验结果
3混凝土配合比设计与优化
3.1配合比设计方案
本项目PCCP管线较长，因此混凝土用量较大，约在45万m3左右，且每天混凝土用量较大，从便于运输并提高浇筑效率考虑，南水北调工程在国内首次提出，采用泵送混凝土方案，为探索试验，本项目混凝土配合比设计也分成了两种方案，即泵送混凝土方案和立罐浇筑方案。设计混凝土强度均为C60，但坍落度要求分别为130～150 mm、70～90 mm。 以下分别对泵送混凝土和立罐浇筑混凝土进行配合比设计。
3.2泵送混凝土配合比设计
3.2.1泵送混凝土试验
混凝土实测表观密度为2 456 kg/m3，各配合比的性能试验结果见表3。
表3泵送混凝土配合比及试验结果
注：混凝土蒸养制度为升温2 h，恒温8 h，降温2 h，升温速度每小时不超过22 ℃，恒温温度为32 ℃～52 ℃。
3.2.2配合比的调整与确定
根据表3，2号配合比完全满足本项目混凝土强度要求和泵送坍落度要求，因此确定2号配合比为推荐泵送混凝土配合比。对选定的泵送混凝土配合比，进行生产性试验，经过现场实际泵送混凝土试验，泵送入口坍落度为140 mm，出口坍落度为130 mm；泵送入口含气量为2%，出口含气量为2%。经计算单方混凝土碱含量为28 kg/m3。
南水北调工程在国内首次进行了6节PCCP管芯浇筑的泵送混凝土尝试，通过试验混凝土浇筑效率很高，混凝土外观也较好，但受振捣工艺制约，混凝土骨料分离严重，且泌水较多。蒸养拆模后发现，管芯外壁混凝土开裂严重，6节管芯均出现了不同程度的裂缝。而根据合同规定，管芯外壁不得出现裂缝。同时，由于泵送混凝土水泥用量较大，混凝土的单方碱含量超过了25 kg/m3，对预防碱集料反应不利。因此泵送混凝土试验以失败告终，但在国内进行了一次尝试，为后续配合比设计和优化奠定了基础。
3.3混凝土配合比的设计优化
鉴于管芯浇筑采用泵送混凝土方案不可行，在所选定原材料基础上进行立罐浇筑混凝土配合比设计和优化。鉴于粗5～25 mm骨料级配不好，采取增加5～10 mm级小碎石措施；同时通过掺入一定量粉煤灰以改善混凝土性能，这也是国内首次在PCCP制造领域大规模应用掺加粉煤灰混凝土。
3.3.1粉煤灰选用
通过比较选用元宝山电厂一级粉煤灰，其物理力学性能试验结果见表4。
表4粉煤灰物理力学性能试验结果
项目细度（%）抗压强度比需水量比烧矢量碱含量
/（kg·m-3）氯离子含量（%）
检验结果8.4/951.641.230.003
国标要求≤12/≤95≤5//
合同规定符合GB/T 1596标准
3.3.2混凝土配合比优化设计
（1）配合比设计与试验。
通过对混凝土配合比及混凝土性能进行不同程度的优化，碱含量数值均小于25 kg/m3，水溶性氯离子含量满足合同要求，28 d抗压强度按标准差45 MPa计算，满足强度保证率95%。根据试验段36批108组试件统计结果，提出三个配合比进行优化试验，粗骨料掺入25%的5～10 mm小碎石以改善级配，并在2个配合比中增加掺入粉煤灰（元宝山电厂，一级）。所确定混凝土试验配合比见表5。混凝土试件均蒸养后再移入标准养护室，蒸养制度为升温2 h，恒温8 h，降温2 h，升温速度每小时不超过22 ℃，恒温温度为32 ℃～52 ℃之间。混凝土物理力学性能试验结果见表6。
表5优化试验混凝土配合比
表6混凝土物理力学性能试验结果
注：混凝土碱含量计算采用材料控制值，即水泥055%、粉煤灰03%、外加剂05%；氯离子含量以水泥重量计。
（2）配合比的选用。
由表5和表6可知， 3号配合比粉煤灰掺量较大，且采用了超量取代法，根据美国PCCP生产标准掺合料不应超过20%规定，建议不采用该配合比，其它2个配合比则均可满足合同要求。从技术和经济角度考虑，2号配合比水泥用量最少，具有减少温度裂缝、减少干缩、改善和易性等技术优点，且可明显降低混凝土成本。因此建议采用2号配合比进行生产，工程实际也采用了该配合比，取得了明显的预期效果。
3.4混凝土配合比实际应用情况分析
通过试生产试验 ，PCCP正式生产采用了所推荐的优化混凝土配合比，即33节中的2号配合比，对混凝土试块28 d强度进行统计见表7。
表7PCCP生产混凝土强度统计结果
浇筑时段设计强度
抗压强度/MPa
取样组数最大值最小值平均值标准差离差系数强度保证率（%）备注
2006.4.14-2007.9.28C60509281.960.468.04.080.0698.0承包人自检
2006.4.14-2007.9.28C6016576.660.066.62.790.04297.7监理抽检
通过应用证明，采用优化配合比的混凝土和易性较好，混凝土外观也较好，而且管道出现裂缝情况较少，裂缝管道基本控制在1%以内。对南水北调中线北京段应急供水工程近45 km 4米直径PCCP管道生产中C60管芯混凝土试块28天强度统计分析结果显示，在掺入25%的5～10 mm小碎石和15%一级粉煤灰进行配合比设计优化后，不仅使P.O 425水泥用量由初期500 kg/m3下降为371 kg/m3，而且保证了C60管芯混凝土强度满足合同及设计要求，同时从自检和抽检结果看，混凝土生产质量水平较高，体现在混凝土抗压强度标准差小、离差系数小、强度保证率高等方面，说明混凝土配合比应用取得了良好效果。
4结语
本文结合南水北调工程大直径PCCP生产实践，针对PCCP混凝土结构性能特点及工程特殊要求，就混凝土原材料选用、配合比设计及优化等进行了试验与探讨，并得出以下结论。
（1） 原材料选用是PCCP混凝土配合比设计优化的基础条件，低碱水泥、低含泥量中砂、高效低碱外加剂、非碱活性骨料等的合理选用，对保证南水北调工程大直径PCCP质量具有决定性作用。
（2） 通过试制试验证明泵送混凝土不适合于PCCP混凝土浇筑工艺，管芯外壁裂缝问题严重。
（3） 南水北调工程PCCP混凝土生产在国内首次大规模采用了掺粉煤灰方案，取得了良好效果，包括成本降低、和易性改善、干缩减少、裂缝减少等，技术经济均较合理，值得推广应用。
（4） 通过混凝土配合比的优化设计，南水北调工程大直径PCCP管道外观质量好、强度稳定、裂缝管道数量大大减少，混凝土生产取得了良好效果。
参考文献：
[1]孙绍平.预应力钢筒混凝土管若干基本问题的分析[J].特种结构，2001（3）：1721.
[2]张成军，陈尧隆，郭永峰.预应力钢筒混凝土管道蒸养制度分析与评价[J].水利水电技术，2004（2）：4143.
[3]张之钰，郭建新，孟晋中，PCCP管道的设计特点[J].水利水电技术，2001（4）：5557.第13卷01期
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更新时间：2025/1/3 17:19:57