三峽工程混凝土外加劑技術(shù)性能及應(yīng)用
2005-04-26 00:00
摘要：三峽工程從優(yōu)選原材料入手，通過(guò)大量的試驗(yàn)研究及優(yōu)化混凝土配合比，最終推薦用于工程建設(shè)的外加劑為：緩凝高效減水劑ZB-1A、R561C、FDN9001、X404，泵送劑JM-Ⅱ及引氣劑DH9和PC-2。實(shí)踐證明，三峽工程采用的外加劑所生產(chǎn)的混凝土技術(shù)性能優(yōu)良，經(jīng)濟(jì)效果顯著。
關(guān)鍵詞：三峽工程；混凝土；外加劑；質(zhì)量控制
關(guān)鍵詞：三峽工程；混凝土；外加劑；質(zhì)量控制
三峽大壩系混凝土重力壩，混凝土質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響工程質(zhì)量，為此，三峽總公司對(duì)外加劑進(jìn)行了深入細(xì)致的試驗(yàn)研究及論證，從1995年底開(kāi)始，進(jìn)行了幾個(gè)階段的外加劑優(yōu)選試驗(yàn)，篩選出的幾種主要外加劑在中國(guó)水利水電科學(xué)研究院、長(zhǎng)江科學(xué)院和三峽總公司試驗(yàn)中心進(jìn)行平行試驗(yàn)，最后，對(duì)三種減水劑，兩種引氣劑進(jìn)行綜合性能和微觀結(jié)構(gòu)研究及復(fù)核試驗(yàn)，確保了外加劑優(yōu)選的科學(xué)性及權(quán)威性。
經(jīng)綜合比較優(yōu)選出：ZB-1A、FDN9001及R561C三種緩凝高效減水劑及PC-2、DH9引氣劑供施工單位選用，后經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，陸續(xù)有JG3、X404緩凝高效減水劑及JM-Ⅱ泵送劑用于三峽工程建設(shè)中，幾種外加劑的基本情況見(jiàn)表1。
表1 三峽工程推薦及使用的外加劑
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外加劑名稱 |
牌號(hào) |
狀態(tài) |
生產(chǎn)廠家 |
備注 |
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減水劑 |
ZB-1A |
粉狀 |
浙江省龍游 |
正在使用 |
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減水劑 |
JG3 |
粉狀 |
北京冶建 |
正在使用 |
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減水劑 |
X404 |
液體(活性物30%) |
意大利馬貝 |
正在使用 |
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減水劑 |
FDN9001 |
粉狀 |
湖北省武鋼浩源 |
推薦使用 |
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減水劑 |
R561C |
液體(活性物56%) |
上海麥思特 |
推薦使用 |
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泵送劑 |
JM-Ⅱ |
粉狀 |
江蘇省建科院 |
正在使用 |
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引氣劑 |
DH9 |
膠體 |
河北省 |
正在使用 |
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引氣劑 |
PC-2 |
膠體 |
青島科力 |
推薦使用 |
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注：減水劑為緩凝高效減水刑。 | ||||
1 二階段混凝土外加劑技術(shù)性能
1.1 外加劑各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求
目前，三峽工程正在使用的緩凝高效減水劑：ZB-1A、JC3、X404，泵送劑：JM-Ⅱ及引氣劑：DH9。
依據(jù)GB8076-97對(duì)緩凝高效減水劑ZB-1A、JC3、X404，引氣劑DH9進(jìn)行檢驗(yàn)，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足GB8076-97及三峽工程標(biāo)準(zhǔn)TGPS05-1998要求，且均為一等品，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，表3，依據(jù)DLT5100-1999對(duì)泵送劑JM-Ⅱ進(jìn)行檢驗(yàn)，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足DLT5100-1999要求，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4：
1.2 外加劑間有著良好的適應(yīng)性
適應(yīng)性試驗(yàn)采用固定膠凝材料用量(250kg/m3)，其中粉
表2 緩凝高效減水劑ZB-1A、JG3、X404檢驗(yàn)結(jié)果
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凝結(jié)時(shí)間差(min) |
抗壓強(qiáng)度比(%) | |||
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減水劑名稱 |
摻量 |
減水劑 |
含氣量 |
泌水率比 |
| ||||
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(%) |
(%) |
(%) |
(%) |
初凝 |
終凝 |
3d |
7d |
28d |
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ZB-1A |
0.7 |
23 |
1.7 |
76 |
+450 |
- |
183 |
204 |
164 |
|
JG3 |
0.7 |
22 |
1.5 |
73 |
+420 |
- |
171 |
185 |
158 |
|
X404 |
1.0 |
20 |
0.7 |
88 |
+380 |
- |
179 |
171 |
127 |
|
|
一等品 |
≥12 |
≤3.0 |
≤100 |
≥+90 |
- |
≥125 |
125 |
≥120 |
|
|
合格品 |
≥10 |
≤4.0 |
≤100 |
≥120 |
≥115 |
≥110 | ||
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注：緩凝高效減水劑X404在混凝土實(shí)用配合比中檢驗(yàn)的減水率為35% | |||||||||
表3 引氣劑DH9檢驗(yàn)結(jié)果
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凍融耐久性 |
凝結(jié)時(shí)間差(min) |
抗壓強(qiáng)度比(%) | ||
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引氣劑 |
摻量 |
減水劑 |
含氣量 |
泌水率比 |
| ||||
|
名稱 |
(%) |
(%) |
(%) |
(%) |
凍融次數(shù) (動(dòng)彈模量%) |
初凝 |
終凝 |
7d |
28d |
|
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DH9 |
1.0 |
9.6 |
5.0 |
53 |
≥300(94.36%) |
-5 |
-15 |
98 |
96 |
|
GB80 |
一等品 |
≥6 |
>3.0 |
≤70 |
200(≥80) |
-90～ |
-90～ |
≥95 |
≥90 |
|
76-97 |
合格品 |
≥6 |
>3.0 |
≤80 |
200(≥80) |
+120 |
+120 |
≥80 |
≥80 |
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表4 泵送劑JM-Ⅱ檢驗(yàn)結(jié)果
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泌水率比(%) |
抗壓強(qiáng)度比(%) | |||
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泵送劑 |
摻量 |
減水劑 |
含氣量 |
| ||||
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名稱 |
(%) |
(%) |
(%) |
常壓 |
壓力 |
3d |
7d |
28d |
|
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|
JM-Ⅱ |
0.8 |
12 |
0.8 |
60.9 |
73.3 |
107 |
120 |
118 |
|
DLT5100 |
- |
- |
≥4.5 |
≤100 |
≤95 |
≥85 |
≥85 |
≥85 |
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-1999 | ||||||||
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煤灰等量替代水泥30%，骨料為二級(jí)配(5～40mm)，混凝土坍落度控制3～5cm，(泵送混凝土坍落度控制：15～17cm)，有引氣劑摻入時(shí)混凝土含氣量控制在4.0±0.5%。試驗(yàn)依據(jù)SD105-82，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。
試驗(yàn)結(jié)果表明，緩凝高效減水劑ZB-1A、JG3、X404與引氣劑DH9有良好的適應(yīng)性，混凝土強(qiáng)度較高，三種緩凝高效減水劑與引氣劑(國(guó)標(biāo)Ⅰ級(jí)粉煤灰摻量30%)聯(lián)摻減水率高達(dá)28.7%～35.3%，可滿足工程建設(shè)對(duì)混凝土較低用水量的設(shè)計(jì)要求；泵送劑JM-Ⅱ與引氣劑DH9亦能在較低用水量的前提下，滿足混凝土可泵性要求，因此緩凝高效減水劑、泵送劑與引氣劑之間有著良好的適應(yīng)性。
表5 外加劑的適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果
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抗壓強(qiáng)度(MPa)/抗壓強(qiáng)度比(%) | |
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外加劑 |
用水量 |
坍落度 |
含氣量 |
減水率 |
| |
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|
(kg/m3) |
(cm) |
(%) |
(%) |
7d |
28d |
|
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基準(zhǔn)混凝土 |
150 |
4.6 |
0.7 |
- |
16.7/100 |
29.6/100 |
|
DH9(1.9/萬(wàn)) |
141 |
5.4 |
3.7 |
9.4 |
12.0/72 |
20.3/69 |
|
ZB-1A(0.7%) |
116 |
3.7 |
1.4 |
22.7 |
23.0/138 |
36.8/124 |
|
JG3(0.7%) |
118 |
4.4 |
1.2 |
21.3 |
21.6/129 |
35.7/121 |
|
X404(1.0%) |
108 |
5.2 |
1.0 |
28.0 |
28.6/171 |
43.9/148 |
|
JM-Ⅱ(0.8%) |
136 |
16.2 |
0.9 |
- |
19.4/116 |
33.7/114 |
|
ZB-1A(0.7%)+DH9 |
105 |
4.1 |
3.7 |
30.0 |
21.4/128 |
36.5/123 |
|
JG3(0.7%)+DH9 |
107 |
4.4 |
4.6 |
28.7 |
20.7/124 |
35.5/120 |
|
X404(1.0%)+DH9 |
97 |
4.3 |
3.9 |
35.3 |
27.7/166 |
44.8/151 |
|
JM-Ⅱ(0.8%)+DH9 |
122 |
15.8 |
4.3 |
- |
18.7/112 |
33.0/111 |
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注：試驗(yàn)原材料：葛州壩中熱525#硅酸鹽水泥(用量175kg/m3)；平圩Ⅰ級(jí)粉煤(用量75kg/m3)，其需水量比92%；花崗巖人工砂(細(xì)度模數(shù)2.57，石粉含量13.7%)，花崗巖人工碎石。 | ||||||
2 合理使用外加劑提高混凝土的性能
三峽工程混凝土的原材料最大不利因素是受條件限制而采用了花崗巖人工骨料，但由于合理選用優(yōu)質(zhì)外加劑，并復(fù)合國(guó)標(biāo)Ⅰ級(jí)粉煤灰等原材料，通過(guò)優(yōu)化混凝土配合比設(shè)汁，克服了花崗巖人工骨料的條件限制，生產(chǎn)出技術(shù)性能優(yōu)異的混凝土，在中國(guó)水利水電科學(xué)研究院“國(guó)內(nèi)外大壩混凝土配合比概況”中，相同骨料條件下，三峽工程二階段混凝土技術(shù)性能達(dá)國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先水平。
研究表明，三峽工程二階段混凝土外加劑的技術(shù)性能都能滿足三峽大壩混凝土的技術(shù)指標(biāo)要求。這里僅以工程用量最多的ZB-1A為代表，簡(jiǎn)要介紹三峽工程所用外加劑對(duì)混凝土技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能的影響。
2.1 減少水泥水化熱降低大壩混凝土的最高溫升
三峽工程所用緩凝高效減水劑，可以降低水泥初期水化熱，并使其熱峰值推遲，最高溫升亦降低，有利于防止和減少大壩混凝土的溫度裂縫，可取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，三峽工程所用ZB-1A的水泥水化熱溫升，見(jiàn)圖1所示。
2.2 改善混凝土拌和物和易性
緩凝高效減水劑ZB-1A對(duì)水泥顆粒有著強(qiáng)烈的分散作用，很大程度上避免了水泥顆粒的凝絮作用，使膠凝材料均勻分布，有利于提高混凝土的勻質(zhì)性，優(yōu)質(zhì)引氣劑DH9大量引入的微氣泡，較高的穩(wěn)定性是減少混凝土坍落度損失的重要原因之一(依據(jù)GB8077-87檢驗(yàn)，引氣劑DH9的消泡時(shí)間大于1h)，同時(shí)由于微氣泡較大的比表面積，其介質(zhì)間的吸附作用提高了混凝土的粘聚性。因此外加劑的共同作用明顯的提高混凝土拌和物和易性。
2.3 減少單位膠材用量進(jìn)而減少混凝土熱裂危險(xiǎn)性
試驗(yàn)證明，緩凝高效減水劑ZB-1A與引氣劑DH9聯(lián)摻減水率高達(dá)30%，見(jiàn)表5，因此混凝土單位用水量的降低，相應(yīng)的混凝土單位膠凝材料用量降低，混凝土水泥水化熱溫升因而下降，若與國(guó)標(biāo)Ⅰ級(jí)粉煤灰聯(lián)摻(摻量30%)，則三者共同作用的結(jié)果減水率高達(dá)34.4%，見(jiàn)表6。因此綜合作用的結(jié)果是大幅度降低了混凝土的單位用水量，如四級(jí)配混凝土用水量可降至85kg/m3左右，大壩混凝土的溫升可控制在避免發(fā)生裂縫的限值以下，降低了混凝土熱裂危險(xiǎn)性。
表6 降低混凝土單位用水量試驗(yàn)結(jié)果
外加劑的合理使用可有效提高混凝土的耐久性，以混凝土抗凍融循環(huán)耐久性為代表的耐久性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。
表7 三峽工程二階段混凝土抗凍性試驗(yàn)結(jié)果
2.5 混凝土抗裂性達(dá)到并超過(guò)工程技術(shù)要求
極限拉伸值和彈性模量是表征混凝土抗裂性能的兩個(gè)重要指標(biāo)，較高的極限拉伸值和較低的混凝土彈性模量是高抗裂性混凝土的技術(shù)要求，為此，三峽工程對(duì)混凝土的極限拉伸值作了明確限制，同時(shí)要求其彈性模量盡可能低，試驗(yàn)結(jié)果表明，三峽工程混凝土抗裂性滿足設(shè)計(jì)要求見(jiàn)表8。
2.6 合理使用外加劑顯著提高混凝土的經(jīng)濟(jì)性能
表8 三峽工程混凝土抗裂性試驗(yàn)結(jié)果
目前在三峽廠壩工程主要使用的緩凝高效減水劑ZB-1A，其次為JG3，引氣劑為DH9；抗沖耐磨部分的混凝土，選用了X404緩凝高效減水劑；永久船閘工程泵送混凝土采用泵送劑JM-Ⅱ三峽工程混凝土生產(chǎn)采用拌和樓試驗(yàn)室、監(jiān)理試驗(yàn)室、總公司試驗(yàn)室共同進(jìn)行質(zhì)量控制。質(zhì)量控制結(jié)果表明，用于大壩生產(chǎn)的混凝土質(zhì)量良好，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足并超過(guò)設(shè)計(jì)要求。
[作者簡(jiǎn)介]
圖1 緩凝高效減水劑ZB-1A對(duì)水泥水化溫升的影響
2.3 減少單位膠材用量進(jìn)而減少混凝土熱裂危險(xiǎn)性
三峽工程二階段混凝土，采用花崗巖人工骨料，單位用水量偏高，較天然骨料混凝土的單位用水量高約40kg/m3左右，膠凝材料用量相應(yīng)增加，混凝土內(nèi)部溫升較高，易導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生溫度裂縫。
試驗(yàn)證明，緩凝高效減水劑ZB-1A與引氣劑DH9聯(lián)摻減水率高達(dá)30%，見(jiàn)表5，因此混凝土單位用水量的降低，相應(yīng)的混凝土單位膠凝材料用量降低，混凝土水泥水化熱溫升因而下降，若與國(guó)標(biāo)Ⅰ級(jí)粉煤灰聯(lián)摻(摻量30%)，則三者共同作用的結(jié)果減水率高達(dá)34.4%，見(jiàn)表6。因此綜合作用的結(jié)果是大幅度降低了混凝土的單位用水量，如四級(jí)配混凝土用水量可降至85kg/m3左右，大壩混凝土的溫升可控制在避免發(fā)生裂縫的限值以下，降低了混凝土熱裂危險(xiǎn)性。
表6 降低混凝土單位用水量試驗(yàn)結(jié)果
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用水量 (kg/m3) |
緩凝高效 減水劑 |
引氣劑 |
粉煤灰 (平圩灰) |
坍落度 (cm) |
含氣量 (%) |
減水率 (%) |
抗壓強(qiáng)度(MPa) | |
|
7d |
28d | |||||||
|
| ||||||||
|
160 |
/ |
/ |
/ |
4.1 |
0.4 |
/ |
18.3 |
32.5 |
|
150 |
/ |
/ |
30% |
4.6 |
0.7 |
6.3 |
16.7 |
29.6 |
|
116 |
ZB-1A0.7% |
/ |
30% |
3.7 |
1.4 |
27.5 |
23.0 |
36.8 |
|
141 |
/ |
DH9 1.9/萬(wàn) |
30% |
5.4 |
3.7 |
11.9 |
12.0 |
20.3 |
|
105 |
ZB-1A0.7% |
DH9 0.7/萬(wàn) |
30% |
4.1 |
3.7 |
34.4 |
21.4 |
36.5 |
|
| ||||||||
2.4 提高混凝土耐久性
被譽(yù)為“千年大計(jì)”的三峽工程，對(duì)混凝土的耐久性提出了很高要求。
外加劑的合理使用可有效提高混凝土的耐久性，以混凝土抗凍融循環(huán)耐久性為代表的耐久性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。
表7 三峽工程二階段混凝土抗凍性試驗(yàn)結(jié)果
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混凝土重量損失(%)/混凝土相對(duì)動(dòng)彈模(%) | ||||||
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工程部件 |
設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào) |
水膠比 |
粉煤灰 |
含氣量 |
| ||||||
|
|
|
|
(%) |
(%) |
0次 |
50次 |
100次 |
150次 |
200次 |
250次 |
抗凍標(biāo)號(hào) |
|
| |||||||||||
|
大壩內(nèi)部 |
D100 |
0.55 |
35 |
4.9 |
0.0/100.0 |
0.6/93.9 |
1.2/89.3 |
1.9/82.0 |
3.0/72.2 |
4.2/60.3 |
D250 |
|
大壩外部 |
D250 |
0.50 |
25 |
5.4 |
0.0/100.0 |
0.2/94.9 |
0.6/93.8 |
0.9/92.7 |
1.3/92.1 |
2.0/89.0 |
>D250 |
|
大壩基礎(chǔ) |
D150 |
0.50 |
30 |
5.6 |
0.0/100.0 |
0.2/96.0 |
0.7/95.1 |
1.5/93.5 |
2.0/91.0 |
2.7/89.0 |
>D250 |
|
水變區(qū) |
D250 |
0.45 |
20 |
5.5 |
0.0/100.0 |
0.5/96.5 |
0.6/94.0 |
1.0/92.6 |
1.7/89.9 |
2.5/88.3 |
>D250 |
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可以看出，二階段混凝土配合比的設(shè)計(jì)完全滿足三峽工程對(duì)耐久性要求。這是由于緩凝高效減水劑對(duì)水泥顆粒強(qiáng)分散作用，在降低混凝土的單位用水量的同時(shí)，由于膠凝材料顆粒的均勻分布，提高了混凝土材料的勻質(zhì)性，減少了材料出現(xiàn)應(yīng)力集中的機(jī)率；引氣劑大量引入均勻分布的微氣泡，截?cái)嗝?xì)孔的同時(shí)，不僅降低其自由水的冰點(diǎn)，而且緩沖較大孔洞結(jié)構(gòu)缺陷的冰凍膨脹壓力，可成倍提高混凝土的抗凍融性能。
2.5 混凝土抗裂性達(dá)到并超過(guò)工程技術(shù)要求
三峽工程所用花崗巖骨料混凝土的抗裂性較差，但由于合理采用優(yōu)質(zhì)外加劑，并復(fù)合國(guó)標(biāo)Ⅰ級(jí)粉煤灰，堅(jiān)持低水膠比設(shè)計(jì)生產(chǎn)混凝土，使混凝土抗裂性達(dá)到且超過(guò)工程技術(shù)要求。
極限拉伸值和彈性模量是表征混凝土抗裂性能的兩個(gè)重要指標(biāo)，較高的極限拉伸值和較低的混凝土彈性模量是高抗裂性混凝土的技術(shù)要求，為此，三峽工程對(duì)混凝土的極限拉伸值作了明確限制，同時(shí)要求其彈性模量盡可能低，試驗(yàn)結(jié)果表明，三峽工程混凝土抗裂性滿足設(shè)計(jì)要求見(jiàn)表8。
2.6 合理使用外加劑顯著提高混凝土的經(jīng)濟(jì)性能
三峽工程耗資巨大，降低工程費(fèi)用對(duì)國(guó)民建設(shè)有積極意義 為此，工程建設(shè)采用優(yōu)質(zhì)外加劑聯(lián)摻國(guó)標(biāo)Ⅰ級(jí)粉煤灰，并堅(jiān)持低水膠比設(shè)計(jì)的綜合技術(shù)措施，優(yōu)化了混凝土設(shè)計(jì)，取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益，降低了混凝土的生產(chǎn)成本。若按基礎(chǔ)與內(nèi)部混凝土平均差價(jià)計(jì)算，三峽工程僅混凝土原材料就可節(jié)約經(jīng)費(fèi)2億元以上。
表8 三峽工程混凝土抗裂性試驗(yàn)結(jié)果
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極限拉伸值(×10-4) |
抗壓彈模(GPa) | ||||
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工程部件 |
水膠比 |
設(shè)計(jì)指標(biāo) |
| |||||
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|
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(×10-4) |
7d |
28d |
90d |
7d |
28d |
90d |
|
| ||||||||
|
內(nèi)部 |
0.50 |
εP28=0.70 |
0.63 |
0.83 |
0.87 |
17.4 |
24.7 |
29.4 |
|
εP90=0.75 | ||||||||
|
水位變化區(qū) |
0.45 |
εP28=0.80 |
0.73 |
0.92 |
1.05 |
23.4 |
31.2 |
33.2 |
|
εP90=0.85 | ||||||||
|
基礎(chǔ) |
|
εP28=0.80 |
0.68 |
0.80 |
0.87 |
19.1 |
25.8 |
28.1 |
|
εP90=0.85 | ||||||||
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3 外加劑在三峽工程二階段混凝土生產(chǎn)中的使用
目前在三峽廠壩工程主要使用的緩凝高效減水劑ZB-1A，其次為JG3，引氣劑為DH9；抗沖耐磨部分的混凝土，選用了X404緩凝高效減水劑；永久船閘工程泵送混凝土采用泵送劑JM-Ⅱ三峽工程混凝土生產(chǎn)采用拌和樓試驗(yàn)室、監(jiān)理試驗(yàn)室、總公司試驗(yàn)室共同進(jìn)行質(zhì)量控制。質(zhì)量控制結(jié)果表明，用于大壩生產(chǎn)的混凝土質(zhì)量良好，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足并超過(guò)設(shè)計(jì)要求。
[作者簡(jiǎn)介]
作者簡(jiǎn)介：伏文勇，中國(guó)水利水電第三工程局施工研究所駐三峽工程開(kāi)發(fā)總公司試驗(yàn)中心助理工程師，學(xué)士。
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