聚羧酸系减水剂在南水北调中线PCCP工程中的应用*

纪国晋，计涛，孔祥芝

（中国水利水电科学研究院结构材料研究所，北京 100038）

1 前言

南水北调中线工程是我国进行水资源优化配置、解决北方地区缺水的一项重要基础设施工程，对实现北方地区的可持续发展起到战略保障作用。工程全长1273.4km，是我国继长江三峡工程后的又一超大型水利工程，工程规模巨大、地质条件复杂、建筑物结构形式复杂，需新建泵站、渠道、大型渡槽、倒虹吸等1000多个混凝土建筑物工程。混凝土总量巨大，各建筑物对混凝土的技术要求不同，混凝土种类繁多，强度等级从最低的C10垫层混凝土，到PCCP管道工程的C60预应力混凝土，从常态混凝土到泵送、自密实混凝土等，这些技术要求需要不同类型和品种的外加剂以适应施工和设计需要。因此，如何合理选择和应用外加剂，提高混凝土的耐久性、保证工程的施工质量，将直接关系到中线工程的安全运行和使用寿命。本文简要介绍了聚羧酸系高性能减水剂在南水北调中线PCCP工程中的应用情况，为类似工程应用提供参考和借鉴。

2 PCCP管道工程

2.1 工程简介

南水北调中线干线工程北京段全长80.4km，其中PCCP工程全长56.359km，采用双排DN4000预应力钢筒混凝土管材（PCCP）输水。管道设计最大工作压力为0.8MPa，最大设计覆土深度为10m，管芯混凝土强度设计等级为C50～C60，属高强高性能混凝土，混凝土总量约42万m3。

PCCP（Prestressed Concrete Cylinder Pipe）是预应力钢筒混凝土管的英文缩写，是在带钢筒的混凝土管芯上缠绕预应力钢丝，并喷射水泥砂浆保护层而制成的输水管材。它集合了钢管和预应力钢筋混凝土管的优点，又具有其独有的特性，具有适用范围广、抗震性能好、运行费用低、安装方便、基本不漏水、使用寿命长等优点，可广泛用于长距离调水和输水工程、城市给水工程等。在南水北调工程之前，我国应用的PCCP最大管径为3.6m，工程规模最大的是山西省万家寨引黄工程（管径3m，长5m、铺设距离43.25km），其工程难度也是当时的亚洲之最。南水北调中线干线北京段工程选择内径4m，长5m的PCCP作为输水管材是目前我国乃至亚洲最大的PCCP工程。

2.2 需解决的技术问题

（1）混凝土总碱量控制

根据“南水北调中线干线工程建设管理局”制定的《预防混凝土工程碱骨料反应技术条例》，PCCP工程属Ⅲ类潮湿环境工程，混凝土中总碱含量不得大于2.5kg/m3，且不宜使用碱活性骨料。这一要求对于最高强度等级为C60的高强混凝土有一定的技术难度。

（2）早期强度要求

具有一定的早期强度既是规范要求，也是工程的实际需要。根据我国和美国AWWA C301的规定，PCCP的缠丝强度为混凝土设计强度的70%，如达不到需临时存放到规定的缠丝强度。内径为4m的PCCP属于超大口径管材，其存放需要大量的场地，因此制约生产周期的关键因素之一是早期的缠丝强度和场地因素。根据规范，PCCP可以采用蒸气养护，但蒸养温度不得超过52℃。因此受两方面的限制，南水北调工程PCCP要求蒸养后混凝土即满足缠丝强度要求，以满足场地周转和按时完成工程建设的需要。

（3）工作性要求

对大口径PCCP管材一般采用立式浇筑，南水北调PCCP的管芯最厚达380mm，高5m，单根管材的混凝土约24m3，要求一次浇筑成型，因此要求混凝土具有良好的工作性，即要保证振动密实，混凝土表面没有麻面，同时不能离析、泌水和产生浮浆从而影响混凝土的外观和承插口的性能，因此要求混凝土的坍落度控制在5～7cm之间，且坍落度损失小。

（4）抗裂性要求

PCCP属预应力混凝土复合结构，对混凝土裂缝的控制要求很严，如何提高混凝土的抗裂性和体积稳定性，降低温度收缩应力，提高管材的成品率是制造过程中必须解决的关键技术问题之一。

3 试验研究

3.1 混凝土原材料

水泥：为满足混凝土总碱量的规定，要求水泥的碱含量不超过0.6%。试验选择工程采用的北京太行前景和天津振兴两个水泥厂生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥。检测结果表明，太行前景水泥的碱含量为0.58%，天津振兴为0.44%，都满足低碱水泥碱含量0.6%的技术要求。

粉煤灰：两种Ⅰ级灰，实测碱含量分别为1.34%和1.11%。

砂石骨料：工程实际选用的天然中河沙，最大粒径25mm的灰岩人工碎石。

外加剂：外加剂品种选择了具有低掺量、高减水率、低收缩、高保坍等诸多优点的聚羧酸系高性能减水剂，以降低混凝土中有效碱的引入，同时降低混凝土的单方用水量，进而降低胶凝材料用量，减少由水泥和粉煤灰等胶凝材料引入的有效碱含量。同时还要求适应蒸养混凝土工艺并具有较高的早期强度，因此外加剂的优选是非常重要的。试验共对不同供应商的8个批次的聚羧酸外加剂进行了优选试验。结果表明，几个具有早强特性和免蒸养特性的聚羧酸减水剂在推荐掺量下均表现出强的触变性和粘聚性，搅拌时间延长、人工翻拌和成型困难，另外几个外加剂均存在和易性不良的问题。因此经过对聚羧酸减水剂的调整优化，试验最终选择了1个厂商的减水剂进行配合比的优选和试验。

3.2 混凝土配合比优选试验

PCCP管芯混凝土的强度等级根据不同工作压力和环境分为C50、C55和C60共三个等级，强度保证率95%，标准差取5.0MPa，配制强度分别为58.2MPa、63.2MPa和68.2MPa。配合比优化的参数包括骨料级配、最优砂率、外加剂的最优掺量、粉煤灰掺量、水胶比等。

粉煤灰掺量综合考虑了预应力混凝土对粉煤灰最大掺量的限制以及骨料碱活性抑制效果的研究成果，选定粉煤灰最大掺量为20%。

外加剂最优掺量选取的标准是新拌混凝土的工作性，通过试验确定外加剂的最优掺量为1.1%（固含量20%）。

最优砂率和骨料级配是通过试验确定的。通过拌制不同砂率的混凝土，根据其和易性、振动泛浆情况，以及工厂制作高5m的PCCP管芯混凝土采用立式一次连续浇注完成等因素，最终选择的最优砂率为38%。骨料级配根据振实试验和新拌混凝土工作性，将5～25mm碎石按两个级配处理，针对5～10mm颗粒含量较少，适当增加小石含量以提高粗骨料的紧密堆积密度，降低空隙率。

在外加剂最优掺量、砂率和粉煤灰掺量确定后，通过试验拟合确定不同水泥和粉煤灰组合下混凝土的抗压强度与水胶比的关系，优选出满足强度设计要求的水胶比和混凝土配合比。混凝土抗压强度与不同水胶比的试验结果见表1，抗压强度与胶水比的拟合方程见表2。

表1 不同水胶比与混凝土抗压强度的试验结果

表2 PCCP管芯混凝土抗压强度与水胶比的关系

通过回归分析表明，PCCP蒸养混凝土的抗压强度与胶水比符合线性关系且相关性较好。通过计算，对强度设计等级为C60的混凝土，不同水泥与粉煤灰的组合，当水胶比达到0.32时即可满足强度设计要求。碱含量的计算结果表明，所有配合比的混凝土碱含量全部满足不超过2.5kg/m3的要求。

通过掺入一定量的粉煤灰，在满足预应力混凝土限值和骨料碱活性抑制效果的同时，也降低了混凝土的温升，提高了混凝土的抗裂性和产品的成品率。

4 应用中存在的问题

聚羧酸减水剂成功用于南水北调PCCP工程，这是工程的重要性决定的，也是高强混凝土实现高性能化的必然选择。南水北调工程最高强度设计等级为PCCP管芯C60混凝土，其次为漕河渡槽C50三向预应力混凝土和穿黄工程C50预制管片。几个工程采用聚羧酸外加剂除考虑骨料碱活性反应而控制混凝土总碱量外，一个重要的原因是对水工高强混凝土抗裂性的重视。通过工程应用，在解决设计和施工需求的同时，也应该看到应用中存在的问题，以利于更好地选择和应用聚羧酸减水剂。

（1）与胶凝材料的相容性问题

一般都认为聚羧酸减水剂剂与水泥和胶凝材料的相容性要好于萘系减水剂，这容易造成误解。实际上，任何一种减水剂在使用过程中必须考虑与胶凝材料的相容性问题，聚羧酸减水剂也不例外。如漕河渡槽泵送混凝土，相同的配合比在两个施工单位却出现截然不同的情况，一个工作性良好，泵送容易，而另一家施工单位却出现无法泵送的情况，区别只是采用了不同厂家的水泥。在PCCP生产中掺用的粉煤灰，一个厂家管材外观均匀，质量良好，而另一个则出现离析、颜色不均匀，区别是采用的减水剂品种不同。

（2）坍落度控制问题

坍落度控制包括两个方面。一方面是坍落度损失的控制，这一点在高流动度的泵送混凝土和自密实混凝土中已得到很好的解决，但在水工低坍落度混凝土（5～7cm），如溢流面抗冲磨混凝土却没有很好解决，混凝土出机口工作性良好，随时间延长很快出现板结和强的触变性。另一方面是聚羧酸减水剂掺量对混凝土的用水量影响显著，特别在低坍落度情况下，用水量的微小变化对坍落度的影响大，直接影响混凝土的浇筑与施工质量控制。

（3）含气量的问题

试验和施工中都发现，部分厂家的聚羧酸减水剂的引气量较大，且每个批次都有所变化，虽然满足规范要求，但不满足工程需要。如对PCCP管材，脱模后要求混凝土表面光洁，颜色均匀，若出现大于5mm的气孔必须进行修补，因此要求外加剂不能引气。而对于大型渡槽和溢流面抗冲磨混凝土，因有较高的抗冻设计等级，要求减水剂的引气量要小，不能含有对引气剂不利的消泡成分，并与引气剂有很好的相容性。

综上所述，虽然聚羧酸减水剂具有诸多优点，但不能否认在应用过程中还诸多问题有待进一步深入研究。

[1]纪国晋,蒋家林，郭永晖.PCCP高强混凝土的配制及碱含量控制技术研究[J].南水北调与水利科技，2008(1):126-129

[2]纪国晋. 南水北调中线工程PCCP管芯混凝土碱含量控制和骨料碱活性抑制措施，中国水利水电科学研究院科研报告，2007年

[3]王少江.采用聚羧酸减水剂配制的C50高性能混凝土在南水北调中线干线工程漕河渡槽中的应用[C].第六届全国高强与高性能混凝土会议论文集[A]，乌鲁木齐，2007