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

第13卷01期2015年2月
南水北调与水利科技
South-to-North Water Transfers and Water Science&Technology
Vol13No01
Feb2015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
张文戟1,张成军2
(•山西省水利水电科学研究院，太原030002； 2.山西省禹门口水利工程管理局，太原030002)
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 InsLiiuLe of Water Science Research,Taiyuan O3OOO2,Cha；
2.Shanxi Yumenkou Hydraulcc Engineering Management Burea,Taiyuanu O3OOO2,Cha)
Abstract：BecauseofthefirstmanufacturingandapplicationofoutsizePrestressedConcreteCylinderPipewithdiameterof4metersinthesouth-to-northdiversionproject，therequirementtomanufacturingandqualitycontrolinglevelofconcreteisveryhign，andsomeclearrequirementto thematerials，mixdesign，producing，alkalicontent，ASR-protection，etc，havebeenputforwardIntegratingthepracticeofthesouth-to-northdi-versionproject，thecharacteristicsofconcreteperformanceandoptimizingdesignofconcretemixofPrestressedConcreteCylinderPipewith LargeDiameterhavebeenstudiedinthispaper
Keywords：pccp；characteristicsofconcreteperformance；mixdesign；optimizingdesign
南水北调中线北京段干线部分采用了PCCP管线，长度56.359km,设计为双排直径4m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30mm,受骨料厂供应限制，一般选用5〜25mm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8〜11cm,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,〜3d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 C;要求静停4h、升温4h、恒温8h、降温2h,受模具周转限制，承揽人恒温时间一般不会超过8h,无法通过蒸养获得更高早期强度，尤其是粉煤灰混凝土。

收稿日期：2014-10-17
作者简介:张文戟(1976-),男，山西太原人，工程师，主要从事水工材料研究。

E-mail:zhungwj@
第13卷01期•南水北调与水利科技・2015年2月
(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□级，碱含量应不大于1.5%。

(4)南水北调中线PCCP工程属川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2.5 k g/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0.6%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P.O42.5水泥，其碱含量＜0.55%，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2.6,含泥量小于1.0%。

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5〜25mm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.O42.5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0.55%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0.41%,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
项目
水泥强度/MPa凝结时间
安定性碱含量C3A含量抗折抗压初凝终凝
检验结果985492h47min3h10mm053%079%国标要求上65上42.5上45min W10h W5.0mm无规定无规定合同规定执行标准:GB175<06%<8%
表2外加剂试验结果
项目减水率
(%)
凝结时间差/min
初凝终凝
混凝土抗压强度比(%)
1d2d3d4d
-钢筋锈蚀
收缩率比
(%)
碱含量
(%)
氯离子含量
(%)
检验结果2398084141133127122无锈蚀10004100054国标要求上12—90〜+120上140上130上125上120无锈蚀<135//
合同规定执行国标执行国标执行国标执行国标执行国标低碱或无碱/
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130〜150mm、70〜90mm。

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2456kg/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
编号水灰比砂率
(%)
原材料用量/(kg*m3)坍落度
/mm
蒸养强度
/MPa
7d强度
/MPa
28d强度
/MPa 水泥砂子石子水外加剂
10294053470810631551068140492556712 20314050072210831551000150460575693 3033404707341101155940150384443665
注:混凝土蒸养制度为升温2h,恒温8h,降温2h,升温速度每小时不超过22'C,恒温温度为32'C〜52'C。

3.2.2配合比的调整与确定和泵送坍落度要求，因此确定2号配合比为推荐泵送混凝土
根据表32号配合比完全满足本项目混凝土强度要求配合比。

对选定的泵送混凝土配合比，进行生产性试验，经
张文戟等•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
过现场实际泵送混凝土试验，泵送入口坍落度为140mm,出
口坍落度为130mm;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2.8kg/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 2.5kg/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5〜25mm骨料级配不好，采取增加5~10mm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•m3)
氯离子含量
(%)
检验结果84/951641230003
国标要求＜12/<95<5//
合同规定符合GB/T1596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2.5kg/m3，水溶性氯离子含量满足合同要求,28d抗压强度按标准差4.5MPa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5~10mm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2h,恒温8h,降温2h,升温速度每小时不超过22C，恒温温度为32C〜52C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
编号水灰比砂率原材料用量/(kg*m3)
水泥粉煤灰砂子石子水外加剂(%)
10333339248(10%)6121266144616 20333337172(15%)6091266144620 30333334996(20%)6051266144623
表6混凝土物理力学性能试验结果
配比碱含量氯离子坍落度蒸养强7d强度28d强度编号/(kg-m3)含量(％)/mm度/M Pa/M Pa/M Pa 12303001180444596700 22260001290447589686 32239001370389541656
设计
要求<
25<00670〜90//上68.2
注:混凝土碱含量计算采用材料控制值,即水泥0.55%、粉煤灰0.3%、外加剂0.5%;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3.3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
取样组数
抗压强度/MPa
平均值
标准差离差系数
强度保证率
(%)
备注最大值最小值
2006414—2007928C605092819604680408006980承包人自检2006414—2007928C601657666006662790042977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45km4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5〜10mm小碎石和15%—级粉煤灰进行配合比设计优化后,不仅使P.O 42.5水泥用量由初期500kg/m3下降为371kg/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
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第13卷01期•南水北调与水利科技・2015年2月
DEC 9 2013
13:59:51
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DMX=0.285E-03SMN=0.128E-04SMX=0.285E-03
).430E-O4°'733E_O4 0.104E-030''34E_0q .
164E-03 °' 194E_030 225E _O ^255E_O -3O
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图3额定工况下厂房振动形态
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DEC 9 2013
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图4误同期工况下厂房振动形态
映岀厂房板梁柱结构的抗振刚度相对较弱，尤其是发电机层 和中间层楼板。

因此考虑在风罩与楼板连接处增设牛腿
(1.2mX1.2m),见图5;方案二：由于厂房第一阶振型主要
表现为上部结构振动，在保证上部结构足够刚度的前提下,
适当减小上部结构质量，可有效减小振动响应。

因此在上游
桥机牛腿以上墙柱结构上开孔，与下游顶部墙柱结构相同，
见图6。

模态分析表明。

方案一的厂房第一阶自振频率为
2. 238 5 Hz,与转频1. 785 Hz 错开度为20. 3%。

方案二的
厂房第一阶自振频率为2.322 7 Hz ,与转频1.785 Hz 错开
度为23%。

两个方案均满足要求。

上述两个方案厂房的其
他阶自振频率共振校核规律与表2类似。

综合考虑厂房结构布置要求，考虑到上游副厂房与主厂
房间结构缝布置存在一些不利条件，建议采用在风罩与楼板 连接处增设牛腿的措施,牛腿的具体尺寸可以根据结构布置
需要合理调整。

图5风罩与楼板连接处增加牛腿
图6上游顶部墙柱结构开孔
5结语
(1) 共振校核表明，苗尾水电站地面厂房结构第一阶自
振频率与转频错开度小于20%,具有一定的共振可能性。

而
振动响应分析表明，额定工况和误同期工况下，厂房振型与 厂房结构在第一阶自振频率下的振型相似。

通过在风罩与
楼板连接处增设牛腿的措施，可使得厂房第一阶自振频率与
转频的错开度满足要求。

(2) 利用有限元法以及结构力学法，对机墩进行共振校
核。

计算表明，机墩强迫振动频率与自振频率都满足错开度
20%〜30%的要求，不会发生共振。

机墩的动力系数及振幅
在设计要求范围内。

(3) 苗尾厂房结构布置设计是合理可行的，可以满足结
构的动力抗振要求。

参考文献：
[]SL 2662014,水电站厂房设计规范[S].
[]马震岳，董毓新.水轮发电机组动力学[M].大连:大连理工大
学出版社,2003.
(上接第119页)
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：
[]孙绍平.预应力钢筒混凝土管若干基本问题的分析[].特种结
构，2001(3):17-21
[]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[].水利水电技术,2004(2) ：41-43.
[]张之钰，郭建新,孟晋中,PCCP 管道的设计特点[].水利水电
技术，2001(4):55-57。