CN112593529A - 一种薄壁预应力混凝土渡槽施工方法 - Google Patents

一种薄壁预应力混凝土渡槽施工方法 Download PDF

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郭师领
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Abstract

本发明提供一种薄壁预应力混凝土渡槽施工方法，混凝土渡槽的制作原料为混凝土中加入膨胀剂，所述混凝土和膨胀剂的质量比为79:1。所述添加膨胀剂的混凝土作为大体积混凝土结构的堵头、后浇带和二期混凝土使用，水工建筑物全断面采用补偿收缩混凝土结构，所述添加膨胀剂的混凝土用于大跨度薄壁预应力渡槽结构。本发明大体积混凝土结构的大跨度薄壁预应力渡槽结构强度高，费用低且节约工期。本发明所用的原料易得，成本低，薄壁、高强、大跨度，具有较好的实际应用价值。

Description

一种薄壁预应力混凝土渡槽施工方法
技术领域
本发明涉及桥梁施工技术领域，具体涉及一种薄壁预应力混凝土渡槽施工方法。
背景技术
混凝土作为最大宗的人造工程材料，原料丰富、价格低廉、可就地取材且易成型、耐久性好，可制成不同强度等级的混凝土，成为现代工程结构的首选材料并得到了广泛应用。然而混凝土是一种非均质脆性材料，混凝土在水化、硬化过程中均会发生体积收缩，混凝土中水泥的水化会释放大量的水化热，当混凝土的收缩应力大于本身的极限拉应力时，混凝土将产生开裂。在混凝土开裂问题中，百分之八十是混凝土材料受到非荷载应力引起的，其中，混凝土的收缩是引发结构早期开裂最为重要的原因。
试验研究及工程应用表明：在混凝土中加入适量的膨胀剂，产生适度体积膨胀，可以有效地减小混凝土的收缩。近几十年来国内外的工程应用表明，补偿收缩混凝土能够避免或减少开裂风险。《补偿收缩混凝土应用技术规程》(JGJ/T178-2009) 实施以来，在建筑行业得到了一定的推广应用，在水利行业虽然也有应用，但往往作为大体积混凝土结构的局部堵头、后浇带、二期混凝土等使用，水工建筑物全断面采用补偿收缩混凝土结构的鲜有案例，特别是对混凝土性能要求较高的大跨度薄壁预应力渡槽结构，经技术查新，国内外尚无案例。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大体积混凝土结构的大跨度薄壁预应力渡槽结构的薄壁预应力混凝土渡槽施工方法。
本发明的技术方案：
一种薄壁预应力混凝土渡槽施工方法，混凝土渡槽的制作原料为混凝土中加入膨胀剂，所述混凝土和膨胀剂的质量比为79:1。所述添加膨胀剂的混凝土作为大体积混凝土结构的堵头、后浇带和二期混凝土使用，水工建筑物全断面采用补偿收缩混凝土结构；所述大体积指混凝土指结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土,或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有还裂缝产生的混凝土。
优选的，所述添加膨胀剂的混凝土用于大跨度薄壁预应力渡槽结构。
优选的，所述渡槽梁底高程高于164.16m，槽身水底以下部分纵梁高度不大于1.2m；渡槽单跨跨度为30m，渡槽采用纵向预应力结构；槽身段全长540m，共计18跨，单槽孔输水，净断面4.0×2.2m。
优选的，所述渡槽槽身混凝土技术指标：C50W6F200，水泥用量不少于300kg/m3、不大于400kg/m3，胶凝材料总量不小于350kg/m3、不大于480kg/m3；不采用碱活性骨料；最大水胶比0.4，最大碱含量3.0kg/m3；氯离子含量不超过胶凝材料总量的0.06％。
优选的，所述渡槽槽身混凝土轴心抗压强度标准值取fck＝32.4N/mm2，抗压强度设计值fc＝23.1N/mm2；轴心抗拉强度标准值取ftk＝2.64N/mm2，抗拉强度设计值 ft＝1.89N/mm2；
钢筋采用HRB400，抗拉强度标准值fyk＝400N/mm2，抗拉强度设计值f y＝360N/mm2；槽身预应力采用后张法施工，预应力钢材选择常用的1×7、
Figure BDA0002822458540000021
钢绞线，公称面积Aps＝140.0mm2，抗拉强度标准值fptk＝1860N/mm2，抗拉强度设计值f py＝1320 N/mm2，抗压强度设计值f′ py＝390N/mm2，张拉控制应力σcon＝0.7fptk＝1302N/mm2，施工时超张拉5％、不放张。
优选的，所述渡槽槽身底板厚0.3m，其底部横向设底肋，间距2.0m，其中跨中底肋宽0.4m、高0.45m，两端肋宽0.6m、高0.45m；侧墙厚0.5m，端部设0.6m宽、 0.15m高侧肋，与端底肋对应；纵梁总高3.2m，顶部设1.2m宽人行道板，纵梁底板以下部分扩大成马蹄状，马蹄宽0.8m、高1.0m，马蹄与侧墙及底板连接处设抹角，抹角宽0.15m、高0.3m。
优选的，所述渡槽单跨槽身纵向需布置钢绞线和钢束孔道；每根底肋下部布设钢筋，竖向、横向迎水侧布设钢筋间距125mm，其余部位均按最小配筋率或构造配筋，最大钢筋间距150mm。
优选的，所述混凝土包括水泥、粉煤灰、细骨料、粗骨料和外加剂；所述混凝土中水泥、粉煤灰、细骨料、粗骨料和外加剂的质量比为1：0.118：1.588:2.825:0.030。优选的，所述外加剂为聚羧酸高性能减水剂；所述粗骨料的粒径为5mm～20mm，所述细骨料的粒径为0.16-5mm。
优选的，所述膨胀剂为硫铝酸钙-氧化钙类Ⅱ型膨胀剂。
本发明的有益效果：
本发明大体积混凝土结构的大跨度薄壁预应力渡槽结构强度高，费用低且节约工期。本发明所用的原料易得，成本低，薄壁、高强、大跨度，具有较好的实际应用价值。
附图说明
图1为本发明砂料筛分曲线图；
图2为本发明参数与混凝土抗压强度关系图；
图3为本发明膨胀剂不同掺量与各龄期混凝土强度关系图；
图4为本发明膨胀剂不同掺量条件下的限制膨胀率图；
图5为本发明拆模时间对抗压强度的影响关系图。
具体实施方式
由于混凝土产生裂缝的因素如此之多，因此普通混凝土产生裂缝几乎是不可避免的。当混凝土的收缩值大于极限变形值，收缩变形引起的拉应力大于混凝土的极限抗拉强度时，混凝土将产生裂缝，导致混凝土的整体性、耐久性下降。由于不同原因致使开裂和收缩.使得人们需要一种能够减少开裂和收缩的新型混凝土，所以，膨胀混凝土应运而生。膨胀混凝土的一种就是在混凝土配制过程中掺加膨胀剂，制作补偿收缩混凝土。我国目前补偿收缩混凝土应用的理论基础是吴中伟院士提出的补偿收缩理论。他指出：混凝土最后达到的变形值D(限制膨胀变形或限制收缩变形)等于最大限制膨胀变形ε2减去限制收缩S2，加上弹性伸长εr，加上塑性伸长，加上或减去混凝土徐变。当D≤混凝土的极限拉伸值εk＝2×10-4时，混凝土不会开裂。所以，限制膨胀率直接反映了补偿收缩混凝土的膨胀量大小，是衡量膨胀剂补偿收缩作用、抗裂防渗作用大小的关键指标。其大小直接决定了混凝土的自应力的大小能否达到补偿收缩和防止开裂的作用。
为探索薄壁预应力混凝土在长期输水情况下如何减少干缩裂缝，计划采用全断面补偿收缩预应力混凝土方式，利用膨胀剂可提高混凝土密实性及补偿收缩、抗裂防渗的作用，从而达到提高混凝土建筑物寿命的目的。
本申请以石家庄市冶河灌区引冶总干渠小作河渡槽工程为依托，拟采用全断面浇筑掺加膨胀剂混凝土、薄壁预应力混凝土结构温控养护、施工质量保障体系等多项技术措施的方式，观察混凝土在不同龄期及不同温、湿度环境下的裂缝变化情况，并与已建成的未掺加膨胀剂的类似工程进行比较，以期得到一种可改善水工预应力混凝建筑物结构耐久性的设计和施工综合措施方案，为推动水工混凝土结构向节约、薄壁、高强、大跨度等方向发展提供参考基础。
渡槽槽身全断面补偿收缩预应力结构设计路线
原小作河渡槽工程概况
冶河灌区位于河北省中南部，地处石家庄市西部山区丘陵和平原衔接地带，西依太行山脉，南接井陉、元氏两县，北靠岗南、黄壁庄两座大型水库。灌区是由岗南水库和冶河双重水源统一调配的，具有灌溉、输水双项功能的灌溉工程。灌区骨干工程包括引岗总干渠、引冶总干渠和五条干渠，灌区设计灌溉面积40万亩，工程等别为Ⅲ等。
引冶总干渠设计流量10m3/s，总长9.9km。小作河渡槽跨小作河全长675m，是引冶总干渠上的重要建筑物，工程等级为3级，设计防洪标准重现期30年，校核防洪标准重现期50年。工程位于冶河与小作河交汇处，井陉县小作镇北防口村南，紧邻京昆高速南防口收费站。
小作河渡槽建成于1976年5月，原设计为浆砌石结构，槽身净高2.2m，净宽 4.6m，下部为浆砌石拱结构，拱圈厚度0.5m，矢跨比1:4，每跨长11m。在冶河灌渠2011年度高效节水和水源基础建设工程实施阶段，对渡槽内表面进行了0.1m厚混凝土内衬加固。2016年7月19日，小作河发生山洪灾害，洪水标准在100～150 年一遇，洪峰流量达3000m3/s，行洪期间渡槽阻水情况明显，闷孔后水流从槽顶漫流而过，渡槽部分槽墩及砌石拱被洪水冲毁，槽身断裂坍塌，无法继续运行。
槽身结构设计及主要技术指标
为改善渡槽断面处河道行洪能力，结合小作河两岸村民对“7.19”洪水的情况描述和对渡槽重建工作采用较大跨径设计方案，渡槽校核防洪重现期为50年，现状地形条件下对应洪水位为163.1m，渡槽过水断面底高程为165.63～165.36m。根据《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》(SL 482-2011)规定，非通航河流的校核洪水位至梁式渡槽槽身底部的安全净高应不小于1.0m，根据水文计算成果交叉断面处50年一遇校核洪水位为163.16m，因此渡槽梁底高程应高于164.16m，即槽身水底以下部分纵梁高度应不大于1.2m。根据渡槽上下游情况及现状水文条件，经计算确定渡槽单跨跨度为30m。渡槽地处北方寒冷地区，跨度较大，输水规模较小，为减小自重设计采用纵向预应力结构。槽身段全长540m，共计18跨，单槽孔输水，净断面4.0×2.2m。
补偿收缩混凝土主要用于避免或减少混凝土的干燥收缩和温度收缩裂缝，并不承担提高承载能力的任务，所以结构尺寸设计及配筋计算主要参照水利行业现行标准执行。
槽身混凝土技术指标：C50W6F200，水泥用量不宜少于300kg/m3、不宜大于 400kg/m3，胶凝材料总量不小于350kg/m3、不宜大于480kg/m3；不得采用碱活性骨料；最大水胶比0.4，最大碱含量3.0kg/m3；氯离子含量不超过胶凝材料总量的0.06％。矿物掺合料最大掺量应符合《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55-2011) 中表3.0.5-2的规定。
槽身混凝土轴心抗压强度标准值取fck＝32.4N/mm2，抗压强度设计值 fc＝23.1N/mm2；轴心抗拉强度标准值取ftk＝2.64N/mm2，抗拉强度设计值ft＝1.89N/mm2。钢筋采用HRB400，抗拉强度标准值fyk＝400N/mm2，抗拉强度设计值f y＝360N/mm2。槽身预应力采用后张法施工，预应力钢材选择常用的1×7、
Figure BDA0002822458540000051
钢绞线，公称面积Aps＝140.0mm2，抗拉强度标准值fptk＝1860N/mm2，抗拉强度设计值f py＝1320 N/mm2，抗压强度设计值f′py＝390N/mm2，张拉控制应力σcon＝0.7fptk＝1302N/mm2，施工时超张拉5％、不放张。
结构布置
渡槽槽身底板厚0.3m，其底部横向设底肋，间距2.0m，其中跨中底肋宽0.4m、高0.45m，两端肋宽0.6m、高0.45m；侧墙厚0.5m，端部设0.6m宽、0.15m高侧肋，与端底肋对应；纵梁总高3.2m，顶部设1.2m宽人行道板，为利于结构承载及便于预应力筋布置，将纵梁底板以下部分扩大成马蹄状，马蹄宽0.8m、高1.0m，马蹄与侧墙及底板连接处设抹角，抹角宽0.15m、高0.3m。
槽身结构计算主要按照《水工混凝土结构设计规范》(SL/T191-2008)和《水工建筑物荷载设计规范》(SL 744－2016)等规范进行，槽身内力计算采用杆件结构力学方法，按平面问题进行计算。根据结构布置划分为横向和纵向计算，横向以 2.0m为一个单元计算横向矩形槽结构内力；纵向以轴线为界两侧划分为边纵梁计算。该渡槽为单槽布置，通过渡槽跨端支座的合理布置，可满足渡槽横向和纵向的伸缩变形，因此纵、横向均可视为静定结构，运行期间可避免温度荷载产生的结构内力，为便于两侧人行道板连通和渡槽运行时的维护查勘等，在部分槽跨两端设置连接两侧纵梁的人行桥，人行桥连接位置按超静定单元考虑。
槽身横向内力计算时，取一个肋间距的区段进行，侧墙底部为固端，顶部自由，底肋铰支在纵梁上，杆件长度按对应形心轴计算，底宽4.5m，高2.44m。计算荷载主要包括结构自重、水压力、风压力、冰压力、人群荷载、地震力等。
结构配筋
结构配筋按现行水利行业规范进行，在混凝土控裂方面分散配筋可以充分发挥混凝土的膨胀性能，提高混凝土的抗裂能力，在一些薄弱部位增设附加钢筋，能够发挥混凝土的补偿收缩效果，抵御有害裂缝的产生；从常规混凝土表面控裂角度看，表层构造钢筋宜细、密布置。
经计算小作河渡槽单跨槽身纵向需布置1×7(股)、
Figure BDA0002822458540000061
钢绞线142 根，钢束孔道18束，其中纵梁两侧各布设3束，每束11根，其余钢束为均为直线布置。每根底肋下部布设HRB400-25钢筋4根，竖向、横向迎水侧布设HRB400-16 钢筋间距125mm，其余部位均按最小配筋率或构造配筋，最大钢筋间距150mm。纵梁极限承载能力33833kN·m、底肋底459kN·m、底肋顶(迎水面)753kN·m、侧墙486kN·m。
补偿收缩混凝土性能与材料掺量关系研究
主要研究内容及方法依据
主要研究内容
本申请结合石家庄市冶河灌区“7.19”水毁重建工程引冶总干渠小作河渡槽项目工程，采用商混站现有原材料及外加剂，探讨在混凝土中掺加适量膨胀剂，影响混凝土限制膨胀率的因素很多，通过实验分析了拆模时间、膨胀剂掺量、粉煤灰掺量、水胶比变化对混凝土限制膨胀率的影响规律。的影响混凝土收缩的因素膨胀剂适宜掺量可提高混凝土的密实性，从而提高混凝土的由于普通预应力薄壁混凝土渡槽容易出现混凝土干缩裂缝，通水后经常出现渗水甚至漏水现象，造成水资源浪费并严重影响混凝土建筑物的使用寿命。
技术要求
用于研究的工程部位为石家庄市冶河灌区“7.19”水毁重建工程引冶总干渠小作河渡槽项目工程槽身混凝土设计技术要求C50W6F200，级配：5mm～10mm、10mm～ 20mm二级配，坍落度要求：50mm～90mm
试验研究的依据
《通用硅酸盐水泥》GB175-2007
《水泥化学分析方法》GB/T176-2008
《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T1596-2017
《粉煤灰混凝土应用技术规范》GB/T50146-2014
《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》DL/T5055-2007
《混凝土外加剂应用技术规范》GB50119-2013
《混凝土外加剂》GB8076-2008
《混凝土膨胀剂》GB/T 23439—2017
《水工混凝土配合比设计规程》DL/T5330-2015
《水工混凝土试验规程》SL352-2006
《水工混凝土施工规范》SL677-2014
原材料品质检验
(1)水泥
河北曲寨矿峰水泥有限公司P·O42.5强度等级水泥，相关检验结果列于表 5.2-1，由检验结果可知：水泥品质符合《通用硅酸盐水泥》GB/T175-2007标准要求
表5.2-1水泥物理性能及化学指标检验结果
Figure BDA0002822458540000071
(2)粉煤灰
使用石家庄华石天泉工贸有限公司Ⅱ级粉煤灰，相关检验结果列于表5.2-2，由检验结果可知，该粉煤灰碱含量为1.05％，活性指数符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T1596-2017要求，其他指标符合《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》 DL/T5055-2007标准要求。
表5.2-2粉煤灰检验结果表
Figure BDA0002822458540000081
(3)细骨料
使用灵寿砂场中砂，相关检验结果列于表5.2-3、表5.2-4，砂筛分曲线见图 1，碱骨料试验结果列于表5.2-7，由检验结果可知，所采用的中砂为非碱活性骨料，各项指标均符合要求。
表5.2-3细骨料检验结果表
Figure BDA0002822458540000082
注：﹡为设计要求
表5.2-4细骨料筛分结果表
Figure BDA0002822458540000083
Figure BDA0002822458540000091
(4)粗骨料
使用井陉县增峰建材有限公司5mm～10mm、10mm～20mm碎石，相关检验结果列于表5.2-5、表5.2-6，表5.2-5粗骨料检验结果
Figure BDA0002822458540000092
注：﹡为设计要求
表5.2-6粗骨料筛分结果表
Figure BDA0002822458540000093
(5)骨料碱活性检验
为了解混凝土骨料的碱活性情况，对用于混凝土配合比试验的骨料进行了碱- 硅酸反应活性检验，检验结果列于表5.2-7：
表5.2-7碱-硅酸反应检验结果
Figure BDA0002822458540000094
Figure BDA0002822458540000101
依据SL352-2006《水工混凝土试验规程》中2.37骨料碱活性检验“砂浆棒快速法”评定标准:
1)砂浆试件14d的膨胀率小于0.1％，则骨料为非活性骨料。
2)砂浆试件14d的膨胀率大于0.2％，则骨料为具有潜在危害性反应的活性骨料。
3)砂浆试件14d的膨胀率在0.1％～0.2％之间，对这种骨料应结合现场记录，岩相分析或开展其它的辅助试验、试件观测延至28d后的测试结果等进行综合评定。
根据上述试验结果，该工程所用骨料为非碱—硅酸反应活性骨料，其它各项指标均符合标准要求。
(5)外加剂
使用河北深发科技股份有限公司JD-9标准型聚羧酸高性能减水剂(浅黄色液体)，相关检验结果列于表5.2-8，各项性能指标符合GB8076-2008标准要求。
表5.2-8JD-9减水剂性能检验结果
Figure BDA0002822458540000102
膨胀剂选型及限制膨胀率
膨胀剂选型
现行国家标准《混凝土膨胀剂》GB/T 23439—2017将混凝土膨胀剂按水化产物分为：硫铝酸钙类混凝土膨胀剂(代号A)、氧化钙类混凝土膨胀剂(代号C)和硫铝酸钙一氧化钙类混凝土膨胀剂(代号AC)三类；按限制膨胀率分为Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅰ型水中7d的限制膨胀率≥0.025％，Ⅱ型水中7d的限制膨胀率≥0.050％。
硫铝酸钙类混凝土膨胀剂是指与水泥、水拌合后经水化反应生成钙矾石的混凝土膨胀剂，如CSA、UEA、FEA、PNG等。氧化钙类混凝土膨胀剂是指与水泥、水拌合后经水化反应生成氢氧化钙的混凝土膨胀剂，如CA、CEA等。硫铝酸钙一氧化钙类混凝土膨胀剂是指与水泥、水拌合后经水化反应生成钙矾石和氢氧化钙的混凝土膨胀剂。I型产品基本上都是无熟料膨胀剂，Ⅱ型产品必须是含有一定比例熟料的膨胀剂，否则达不到标准要求的技术指标。硫铝酸钙一氧化钙类混凝土膨胀剂兼具氧化钙类和硫铝酸钙类膨胀剂的特点，通过技术措施较易控制膨胀速率，是可调控膨胀速率的高性能膨胀剂发展方向。本工程选用硫铝酸钙一氧化钙类Ⅱ型膨胀剂，实际工程采购产品为HCSA高性能混凝土膨胀剂(HighPerformance Calcium Sulpho Aluminate简称HCSA)是天津豹鸣股份有限公司与中国建筑材料科学研究总院共同研究开发的新一代硫铝酸钙类混凝土膨胀剂，荣获国家重点新产品荣誉证书。具有与强度发展相协调的膨胀速率，膨胀能高、稳定性好、安全可靠、对后期水分补充的依赖程度低等特点。性能符合GB/T23439-2017《混凝土膨胀剂》Ⅱ型产品规定。
5.3-1混凝土膨胀剂性能能指标
Figure BDA0002822458540000111
限制膨胀率
限制膨胀率是指混凝土的膨胀被钢筋等约束体限制时导入钢筋的应变值，用钢筋的单位长度伸长值表示。限制膨胀率是补偿收缩混凝土的主要控制指标。限制膨胀率的大小与单位膨胀剂用量关系密切，大致成正比。以往单纯使用百分比掺量确定膨胀剂用量，在混凝土强度等级较低或水泥用量较少时，直接采用厂家推荐的掺量，会出现膨胀剂使用量不足，而导致膨胀率偏低，达不到补偿收缩的目的，科学的方法是根据设计要求的限制膨胀率，采用工程实际原材料，通过配合比试验结果选取。《补偿收缩混凝土应用技术规程》(JGJ/T 178－2009)中给定了膨胀剂的掺量范围，工民建结构实践表明，大部分补偿收缩混凝土膨胀剂掺量技术规程推荐范围内，即用于补偿混凝土收缩的膨胀剂掺量为30～50kg/m3，用于后浇带、膨胀加强带和工程接缝填充的膨胀剂掺量为40～60kg/m3。根据技术规程，用于补偿混凝土收缩的水中14d和水中14d转空气中28d，限制膨胀率分别为≥0.015％和≥-0.030％；用于后浇带、膨胀加强带和工程接缝填充的水中14d和水中14d转空气中28d，限制膨胀率分别为≥0.025％和≥-0.020％。
一般而言，混凝土膨胀率越大，补偿收缩和导入自应力的效果越好，然而膨胀率过大，会使自由状态的混凝土试件抗压强度比不掺膨胀剂时有所降低。所以，应在保证达到最低强度要求的前提下确定较高的膨胀率。小作河渡槽工程采用纵向预应力混凝土结构，混凝土等级C50W6F200，槽身整体采用补偿收缩混凝土浇筑，在渡槽工程中属于首次尝试，技术规程中推荐掺量未区分Ⅰ、Ⅱ型膨胀剂，本着安全保守的原则，膨胀剂的选材按膨胀性能较好的硫铝酸钙-氧化钙类Ⅱ型(HCSA) 膨胀剂，掺量以对强度影响较小为原则按工民建行业的相对低值选用，槽身主体 30kg/m3、后浇带45kg/m3，同时要求氧化镁含量≤5％、碱含量≤0.75％。
槽身主体混凝土、后浇带及封锚混凝土由于混凝土强度、抗渗、抗冻等指标均较高，且工程采用商品混凝土浇筑，对混凝土膨胀的影响因素较多，根据配合比试验情况，按规程推荐膨胀剂掺量时达不到规定限制膨胀率。考虑到水利工程与房屋建筑工程混凝土配比及混凝土性能需求存在较大差异，设计采用补偿收缩混凝土主要目的防止或减少槽身收缩裂缝。基于以上原因及设计目的，将槽身主体混凝土、后浇带及封锚混凝土的限制膨胀率确定为：水中14d≥0.000％，水中14d转空气中 28d≥-0.030％和-0.020％。
使用天津豹鸣股份有限公司膨胀剂(灰色粉剂)，相关检验结果列于表5.3-2。由检验结果可知，该膨胀剂为符合GB/T 23439—2017标准要求的Ⅱ型膨胀剂。
表5.3-2膨胀剂性能检验结果
Figure BDA0002822458540000121
Figure BDA0002822458540000131
材料掺量变化对混凝土性能影响研究
混凝土配制强度
依据《水工混凝土配合比设计规程》DL/T5330-2015,C50W6F200混凝土的配制强度按公式(5-1)计算：
fcu.0＝fcu.k+tσ (5-1)
式中：fcu.0—混凝土配制强度，MPa；
fcu.k—混凝土设计龄期立方体抗压强度标准值，MPa；
t—概率度系数，由给定的保证率P选定；
σ—混凝土立方体抗压强度标准差，MPa。
表5.4-1混凝土配制强度表
强度等级 C50
强度保证率(％) 95
标准差 5.5
配制强度MPa 59.05
影响分析
为研究粉煤灰和膨胀剂掺量变化对混凝土性能的影响采用正交设计法进行。结合设计提出的采用C50W6F200补偿收缩混凝土，槽身主体掺加II型膨胀剂 30kg/m3，后浇带掺加膨胀剂45kg/m3。因素水平安排见表5.4-2：
表5.4-2因素水平表
Figure BDA0002822458540000132
Figure BDA0002822458540000141
由于该工程采用的是坍落度为50mm～90mm的常态C50W6F200水工混凝土，众所周知，高抗冻要求是水工混凝土的主要技术特点之一，掺加引气剂增加优质气泡含量是制取高抗冻混凝土的必要前提。但是，增加含气量所带来的不利影响也是不容忽视的，随着含气量的提高混凝土强度显著降低。因此，为了既保证混凝土适宜的含气量从而保证混凝土的抗渗、抗冻耐久性又不至于因混凝土的含气量过高影响混凝土强度，根据因素水平表，正交设计时以达到4.5％～6.5％的含气量为基础并尽量使混凝土含气量控制在较小的范围，根据粉煤灰、膨胀剂的掺量适当调整引气剂掺量。经试拌，混凝土各种材料用量列于表5.4-3，试验成果列于表5.4-4。正交分析结果列于表5.4-5，参数与各龄期混凝土抗压强度关系见图2。
表5.4-3有关因素对混凝土性能影响试验材料表
Figure BDA0002822458540000142
石子最大粒径20mm，石子级配中:小＝65:35。
表5.4-4有关因素对混凝土性能影响试验结果
Figure BDA0002822458540000151
表5.4-5参数对混凝土抗压强度特性影响L9(34)正交分析结果
Figure BDA0002822458540000161
由正交试验结果分析表5.4-5及图2可知：
水胶比是三个因素中最显著的影响因素，随着水胶比增大混凝土强度降低明显，粉煤灰掺量影响次之，膨胀剂掺量变化影响最小，而且随着龄期的延长，掺入粉煤灰和膨胀剂的混凝土由于二次水化引起的强度增长非常明显。
从分析结果看，膨胀剂掺量变化对混凝土7天、14天抗压强度影响最小，粉煤灰掺量变化对7天、14天强度影响大于膨胀剂掺量变化的影响。
根据表5.4-4正交试验成果可知：水胶比为0.32时，单掺30kg/m3的膨胀剂 28天抗压强度为62.0MPa，掺入10％粉煤灰、45kg/m3膨胀剂，28天抗压强度为 58.5MPa，单掺20％粉煤灰，28天抗压强度为56.7MPa，而C50W6F200混凝土28天 95％保证率时的试配强度为59.0MPa，为找到经济合理的混凝土材料用量，选用0.29、 0.32、0.35水胶比，粉煤灰掺量10％，膨胀剂掺量30kg/m3进行现场混凝土施工配合比的试配，试配结果见表5.4-6。
根据试配结果，推荐的现场混凝土施工配合比见表5.4-7：水胶比为0.31，粉煤灰掺量为10％，膨胀剂掺量为30kg/m3。
为验证推荐配合比与设计C50W6F200的符合性及探讨该配合比是否符合设计提出的水中14天限制膨胀率≥0.000％，水中14天转空气中28天≥-0.030％和 -0.020％，采用施工推荐材料用量进行了掺30kg/m3和45kg/m3膨胀剂混凝土抗压强度、抗渗抗冻、限制膨胀率试验，结果列于表5.4-8和表5.4-9。不同膨胀剂掺量与混凝土各龄期抗压强度及限制膨胀率随龄期变化关系见图3、图4。
表5.4-6槽身C50W6F200混凝土试验配合比及成果表
Figure BDA0002822458540000181
1、石子最大粒径20mm，石子级配中：小＝65：35。
2、混凝土28天抗压强度与胶水比相关关系式为y＝18.881x-2.1161，x为胶水比，y为28d抗压强度，相关系数r＝0.997。
表5.4-7推荐现场混凝土施工配合比
Figure BDA0002822458540000191
表5.4-8有关因素对混凝土性能影响试验结果
Figure BDA0002822458540000201
表5.4-9有关因素对混凝土限制膨胀率试验结果
Figure BDA0002822458540000211
由表5.4-8试验结果可知：水胶比为0.31，粉煤灰掺量10％，膨胀剂掺量 30kg/m3和45kg/m3时28天抗压强度分别为64.3MPa和61.9MPa，均超过配制强度 59.0MPa，抗冻抗渗结果均满足设计要求。
由表5.4-9试验结果及图3可知：水胶比为0.31，粉煤灰掺量10％，膨胀剂掺量30kg/m3时，水中14天限制膨胀率为0.014％转空气中28天、90天限制膨胀率分别为0.002％、-0.015％，28天仍然为微膨胀状态，满足设计技术要求且90天限制膨胀率亦比单掺10％粉煤灰混凝土限制膨胀率提高31.8％，可有效改善混凝土收缩。
为考察拆模时间对掺膨胀剂混凝土抗压强度的影响，用于指导现场施工，采用0.31水胶比，10％粉煤灰掺量，45kg/m3膨胀剂掺量，成型混凝土2组，均带模放于标准养护室，一组成型24小时后拆模，一组7天后拆模，试验结果列于表5.4-10。拆模时间对抗压强度的影响关系见图5。
由试验结果可知，24小时拆模的混凝土试件，由于释放了对混凝土的约束，7 天抗压强度降低了4％，此后各龄期也均有不同程度的降低，但降低幅度不明显，因此为了保证混凝土早期强度不受影响，建议施工过程中加强养护，尽可能延长混凝土的拆模时间。
表5.4-10拆模时间对混凝土抗压强度影响试验结果
Figure BDA0002822458540000231
现场混凝土试件试验结果及工程验收情况
混凝土试块(抗压强度)检测结果统计表
Figure BDA0002822458540000241
C50W6F200混凝土试件共检测80组，试件强度值：50.8～66.1MPa，Rmin＞ 0.90R标，经统计Rn＝60.6MPa，Sn＝2.4MPa,符合Rn≥0.95R标质量标准。
灌浆试件共检测18组，试件强度值：43.5～45.4MPa，全部大于设计强度值，经统计Rn＝44.1MPa，Sn＝0.6MPa,符合Rn-0.7Sn＞R标和Rn-1.60Sn＞0.83R标质量标准。
混凝土试块(抗拉、抗渗)检测结果统计表
检测类别 检测组数 合格组数 合格率％ 检测结果
C50W6F200抗冻试件 3 3 100 ＞F200
C50W6F200抗渗试件 2 2 100 ＞W6
HL抗拉试件 2 2 100 2.99/3.18
(一)分部工程质量评定：该单位工程共划分5个分部工程，依据《水利水电工程施工质量检验与评定规程》(SL176-2007)，监理单位组织完成了全部分部工程的质量评定，评定结果为：5个分部工程全部合格，其中4个达到了优良标准，优良率80％，主要分部工程质量全部优良。单位工程评定等级优良。
(二)工程外观质量评定：2019年9月27日，由建设、设计、监理、施工、运行管理等单位代表组成外观质量评定组，对该工程外观质量进行了评定，应得 82分，实得75.6分，得分率92.2％。外观质量评定等级优良。
补偿收缩混凝土对裂缝的改善作用
本工程槽身混凝土强度、抗渗、抗冻等级均较高，水泥含量大，水胶比低，减水剂等外加剂掺量大且为面积较大的平板结构，因此造成混凝土化学收缩、温差收缩、塑性收缩、自收缩等收缩量均较大，极易使混凝土产生收缩裂缝。本发明从混凝土材料自身进行研究，本次采用补偿收缩混凝土，虽然限制膨胀率较低，但根据实验及现场施工情况可以看出30kg/m3的HCSA膨胀剂掺量对控制槽身混凝土收缩和裂缝的开展起到了重要作用。
补偿收缩混凝土在限制条件下，在混凝土中产生一定的预应力，改善了混凝土的内部应力状态，从而提高了混凝土的抗裂能力。在水泥硬化过程中，膨胀结晶体(如钙矾石)起到填充、切断毛细孔缝作用，使大孔变小孔，总孔隙率减少，从而改善了混凝土的孔结构，提高了它们的抗渗透性和力学性能。膨胀剂依靠本身的化学反应或与水泥其他成分反应，在混凝土硬化过程中产生一定的限制膨胀补偿混凝土硬化过程中的收缩(以干缩、冷缩为主)。根据现场实际外观质量检验，未发现表层裂缝等不良情况，效果良好。

Claims (10)

1.一种薄壁预应力混凝土渡槽施工方法，其特征在于，混凝土渡槽的制作原料为混凝土中加入膨胀剂，所述混凝土和膨胀剂的质量比为79:1；添加膨胀剂的混凝土作为大体积混凝土结构的堵头、后浇带和二期混凝土使用，水工建筑物全断面采用补偿收缩混凝土结构；所述大体积指混凝土指结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致裂缝产生的混凝土。
2.根据权利要求1所述的一种薄壁预应力混凝土渡槽施工方法，其特征在于，所述添加膨胀剂的混凝土用于大跨度薄壁预应力渡槽结构。
3.根据权利要求2所述的一种薄壁预应力混凝土渡槽施工方法，其特征在于，所述渡槽的梁底高程高于164.16m，所述渡槽的槽身水底以下部分纵梁高度不大于1.2m；渡槽单跨跨度为30m，渡槽采用纵向预应力结构；槽身段全长540m，共计18跨，单槽孔输水，净断面4.0×2.2m。
4.根据权利要求3所述的一种薄壁预应力混凝土渡槽施工方法，其特征在于，所述渡槽槽身混凝土技术指标：C50W6F200，水泥用量不少于300kg／m3、不大于400kg／m3，胶凝材料总量不小于350kg／m3、不大于480kg／m3；不采用碱活性骨料；最大水胶比0.4，最大碱含量3.0kg／m3；氯离子含量不超过胶凝材料总量的0.06%。
5.根据权利要求3所述的一种薄壁预应力混凝土渡槽施工方法，其特征在于，所述渡槽槽身混凝土轴心抗压强度标准值取f ck =32.4N/mm2，抗压强度设计值f c =23.1N/mm2；轴心抗拉强度标准值取f tk =2.64N/mm2，抗拉强度设计值f t =1.89N/mm2；
钢筋采用HRB400，抗拉强度标准值f yk =400N/mm2，抗拉强度设计值f y =360N/mm2；槽身预应力采用后张法施工，预应力钢材选择常用的1×7、φS15.2mm钢绞线，公称面积A ps =140.0mm2，抗拉强度标准值f ptk =1860N/mm2，抗拉强度设计值f py =1320 N/mm2，抗压强度设计值f ′ py =390 N/mm2，张拉控制应力σcon=0.7f ptk =1302 N/mm2，施工时超张拉5%、不放张。
6.根据权利要求3所述的一种薄壁预应力混凝土渡槽施工方法，其特征在于，所述渡槽槽身底板厚0.3m，其底部横向设底肋，间距2.0m，其中跨中底肋宽0.4m、高0.45m，两端肋宽0.6m、高0.45m；侧墙厚0.5m，端部设0.6m宽、0.15m高侧肋，与端底肋对应；纵梁总高3.2m，顶部设1.2m宽人行道板，纵梁底板以下部分扩大成马蹄状，马蹄宽0.8m、高1.0m，马蹄与侧墙及底板连接处设抹角，抹角宽0.15m、高0.3m。
7.根据权利要求3所述的一种薄壁预应力混凝土渡槽施工方法，其特征在于，所述渡槽单跨槽身纵向布置钢绞线和钢束孔道；每根底肋下部布设钢筋，竖向、横向迎水侧布设钢筋间距125mm，其余部位均按最小配筋率或构造配筋，最大钢筋间距150mm。
8.根据权利要求3所述的一种薄壁预应力混凝土渡槽施工方法，其特征在于，所述混凝土包括水泥、粉煤灰、细骨料、粗骨料和外加剂；所述混凝土中水泥、粉煤灰、细骨料、粗骨料和外加剂的质量比为1：0.118：1.588:2.825:0.030。
9.根据权利要求8所述的一种薄壁预应力混凝土渡槽施工方法，其特征在于，所述外加剂为聚羧酸高性能减水剂；所述粗骨料的粒径为5mm～20mm，所述细骨料的粒径为0.16-5mm。
10.根据权利要求8所述的一种薄壁预应力混凝土渡槽施工方法，其特征在于，所述膨胀剂为硫铝酸钙-氧化钙类Ⅱ型膨胀剂。
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