大型渠道混凝土机械化衬砌关键技术研究

论文摘要

作为世界上最大的调水工程,南水北调工程东、中线输水主干线均以长距离输水为主要特点,输水渠道是南水北调工程的骨干,是实现长江水北调的关键。渠道沿线穿越的地形、地质条件复杂,水文、气象以及运行条件差异变化很大,各种渠道建筑物在施工期和运行期面临复杂气候变化的考验。解决混凝土衬砌中存在的渠道混凝土板的抗渗、抗冻融、混凝土自生收缩、干燥收缩和冷缩、面板平整以及大面积连续快速现浇施工导致的开裂等问题,对于南水北调工程的完成具有重要意义。本文结合南水北调穿黄南干渠典型工程,系统研究了水泥、粉煤灰、细骨料、粗骨料、外加剂等对混凝土强度、变形性、耐久性、抗裂性等性能的影响,确定了补偿收缩混凝土和微膨胀混凝土两种混凝土的最佳配方组成。混凝土中粉煤灰的加入一方面可以减少水泥用量,降低成本；另一方面,会增加膨胀混凝土的和易性、耐久性等。研究发现,补偿收缩混凝土和微膨胀混凝土中粉煤灰的最佳加入量为10%-30%。膨胀剂的主要用途是配制补偿收缩混凝土、微膨胀混凝土、自应力混凝土,以减少混凝土的干缩裂缝,提高抗裂性和抗渗性。其中膨胀剂的最佳用量为8%-12%。砂率包含粗骨料和细骨料,其中,细骨料中石粉的含量对混凝土的性能能有较大影响,研究结果表明：在6.0-18.0%的范围内,随着石粉含量的增加,混凝土的抗渗性提高；在6.0-11.0%的范围内,混凝土的耐压强度性能、抗冻性能、变形性无明显变化,但是,提高石粉含量,耐压强度性能、抗冻性能、变形性能均有所下降。另外,细石粉含量的增加会加快水泥水化导致绝热温升偏高,从而对抗裂和抗冻性产生不利影响。因此,细骨料中石粉含量应该控制在一定范围内。研究结果说明,补偿收缩混凝土最佳配比为：水/胶比0.4：1；其中,固体材料的比例为：水泥：粉煤灰：膨胀剂：骨料为：1：0.35：0.16：8.3；另外,加入混凝土重量1.2%的脱水剂和0.015%引气剂。微膨胀混凝土的最佳配比为：水胶比：0.34：1；其中,固体材料的比例为：水泥：粉煤灰：膨胀剂：骨料为：1：0.25：0.13：8.1；另外,加入混凝土重量1.2%的脱水剂和0.015%引气剂。针对斜坡段混凝土衬砌工艺中以出现的混凝土难以摊铺及密实的难题,系统研究了混凝土粘度和坍落度对混凝土强度和密实度的影响。在混凝土衬砌工艺研究中,研究了斜坡混凝土振动密实成型机理,对混凝土粘度、坍落度等系数进行了确定,选取了合理的振动粘度系数及坍落度控制值,并对衬砌混凝土成型速度进行了试验研究；开展了振动源的频率、振幅、角度、振捣棒的间距等对振动能量影响的数值模拟优化。通过试验,分析确定了振捣棒之间合理的位置间距,得出了振捣棒安放角度为与混凝土底面平行放置时振动能量的传递效果最好；振捣棒的频率设置为200Hz时,振捣能量的传递较均匀,对振捣半径内的混凝土振动密实效果最优；振捣棒振幅的变化对混凝土内部能量传递的影响较小等。工程应用研究结果说明,渠道衬砌施工的最佳工艺为：机械、人工削坡→测量→基面联合验收→排水齿槽开挖→透水管预埋→铺砂压砂→保温板铺设→土工膜铺设、焊接→模板安装→浇筑混凝土→收面压光和养护→切割伸缩缝→伸缩缝填塞闭孔板→灌注密封胶。本论文的研究成果已经在南水北调东线穿黄南干渠中应用,混凝土的各项技术指标符合设计要求,为工程节约水泥约7500吨,节约投资约225万元。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 国内外研究水平及存在的问题
• 1.3 课题来源与论文研究的主要内容
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 论文研究的主要内容
• 第二章 衬砌混凝土研究
• 2.1 原材料优选
• 2.1.1 水泥
• 2.1.2 粉煤灰
• 2.1.3 细骨料
• 2.1.4 粗骨料
• 2.1.5 骨料碱活性
• 2.1.6 外加剂
• 2.2 混凝土配合比的主要设计参数
• 2.2.1 混凝土的设计要求
• 2.2.2 混凝土的配制强度
• 2.2.3 掺用粉煤灰
• 2.2.4 水胶比的确定
• 2.2.5 确定胶材用量
• 2.2.6 选择用水量和最优砂率
• 2.2.7 确定含气量
• 2.2.8 确定砂石量
• 2.2.9 确定配合比
• 2.2.10 校核配合比设计
• 2.2.11 混凝土配合比的主要设计参数
• 2.3 高性能混凝土配合比试验
• 2.3.1 高性能粉煤灰混凝土配合比试验
• 2.3.2 补偿收缩高性能混凝土配合比试验
• 2.3.3 微膨胀高性能混凝土配合比试验
• 2.4 温度—应力
• 2.4.1 试验方法和原理
• 2.4.2 试验设备
• 2.4.3 试验结果
• 2.4.4 结果分析
• 2.5 不同石粉含量的混凝土性能对比试验
• 2.5.1 细骨料的石粉含量
• 2.5.2 对比试验配合比
• 2.5.3 拌合物物理性能试验
• 2.5.4 物理力学性能试验
• 2.5.5 耐久性试验
• 2.5.6 变形性能试验
• 2.5.7 结果分析
• 2.6 开裂试验
• 2.6.1 平板开裂试验
• 2.6.2 圆环开裂试验
• 2.6.3 试验小结
• 2.7 高性能混凝土耐久性
• 2.7.1 抗渗性能
• 2.7.2 抗冻性能
• 2.7.3 耐久性小结
• 2.9 本章小结
• 第三章 混凝土衬砌工艺
• 3.1 密实衬砌成型机理
• 3.1.1 混凝土粘度、坍落度等系数的确定
• 3.1.2 斜坡混凝土振动密实成型技术开发试验研究
• 3.1.3 斜坡混凝土最优工作性振动粘度系数试验测定
• 3.1.4 斜坡混凝土坍落度与振动粘度系数相关性试验研究
• 3.1.5 选取合理的振动粘度系数及坍落度控制值试验研究
• 3.1.6 斜坡混凝土测试强度试验
• 3.1.7 振捣棒间距布置方式优化试验研究
• 3.1.8 衬砌混凝土成型速度控制试验研究
• 3.2 斜坡混凝土振动密实成型技术数值模拟研究
• 3.2.1 振动源的频率对振动能量的传递方式优化研究
• 3.2.2 振动源的振幅对振动能量的传递方式优化研究
• 3.2.3 振动源的角度对振动能量的传递方式优化研究
• 3.2.4 振捣棒的间距对振动能量的传递方式优化研究
• 3.3 主要施工工艺及控制要点
• 3.3.1 前言
• 3.3.2 渠道削坡施工
• 3.3.3 砂垫层施工
• 3.3.4 聚苯乙烯保温板施工
• 3.3.5 复合土工膜施工
• 3.3.6 混凝土浇筑施工
• 3.3.7 混凝土伸缩缝切割施工
• 3.3.8 密封胶施工
• 3.3.9 混凝土养护及其它注意事项
• 3.3.10 混凝土质量检测
• 3.4 本章小结
• 第四章 工程应用
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 学位论文评阅及答辩情况表