性能硅粉混凝土在水電工程中的應用

　　摘要：結合使用高效減水劑和粉煤灰，不僅克服了單摻粉煤灰混凝土早期強度低和單摻硅粉混凝土早強但后期強度增長緩慢的缺點，可賦予混凝土高強、抗沖磨、抗空蝕等一系列高性能，使混凝土具備良好的和易性和流動性，還能減少單位水泥用量，減輕溫控負擔。介紹了C70高性能硅粉混凝土在某水電工程中的配制技術及混凝土溫控措施。

　　關鍵詞：硅粉；高性能混凝土；配制技術；溫控措施

　　1、工程概況

　　某水利工程泄洪項目主要由進水口引渠、進水塔、孔板(導流)洞、明流洞、排沙洞、溢洪道、出口消力塘和泄水渠、尾水明渠等建筑物組成。水庫建成后泄洪建筑物工作水頭為100～143 m，所在河道汛期水流平均含沙量49 kg／m。，瞬間最大含沙量達941 kg／m。。水庫高水位時，泄洪建筑物下泄洪水流速高達3O m／s以上。《水工混凝土抗沖磨防空觸技術規(guī)范》中提出：對于過流介質以懸移質為主的工程．當過水最大流速為25～ 35 m／s，且過流中同時含有的推移質含量大于2 kg／ma時，應選用強度等級不小于C6O、摻用硅粉的抗磨蝕混凝土。因此，為提高高水頭、高含沙、高流速條件下泄洪建筑物的抗沖磨和抗空蝕能力，設計采用齡期28 d、強度等級為C70的高性能混凝土澆筑襯砌，實際澆筑量近5O萬m。

　　2、 C70高性能混凝土的技術要求

　　配制高性能混凝土必須從原材料品質、配合比優(yōu)化、施工工藝與質量控制等方面進行綜合考慮，與普通混凝土相比，硅粉混凝土雖具有較高的強度和耐久性，但由于其水膠比小、水泥用量大且不易泌水，因而比普通混凝土更容易發(fā)生塑性收縮，其早期干縮率和自身體積變形也比普通混凝土更大，這些因素交織在一起，導致硅粉混凝土在施工中往往出現(xiàn)早期開裂的技術難題。為此，在進行配和比設計時，考慮通過以粉煤灰等活性礦物料取代部分水泥及摻加高效減水劑等手段，在滿足各項技術要求的前提下，盡可能減少水泥用量，降低混凝土絕熱溫升，從而減輕溫控負擔，降低混凝土出現(xiàn)裂縫的風險。通過摻加高效減水劑和粉煤灰，還可使硅粉混凝土具有良好的和易性及流動性，以滿足該工程現(xiàn)場泵送施工的要求。表1給出了該工程合同技術規(guī)范中C70高性能混凝土的主要技術指標。

　　3、 混凝土配制

　　3．1 原材料

　　選用優(yōu)質的原材料是配制高性能混凝土的前提。根據該工程合同技術規(guī)范的要求，結合材料產地和經濟性選用滿足國標標準、部頒標準及美國ASTM標準的原材料。

　　(1)水泥采用洛陽水泥廠生產的525R早強型普通硅酸鹽水泥和525MH 中熱水泥。

　　(2)粉煤灰。采用焦作熱電廠生產的Ⅱ級粉煤灰。

　　(3)硅粉。采用青海民和鎂廠生產的加密硅粉。

　　(4)外加劑。采用瑞士Sika香港公司生產的增塑劑(NN)、減水劑(VZ)和緩凝劑(Ret)，其中NN減水率為15％ ，VZ減水率為9％ 。

　　(5)細骨料。采自黃河連地灘料廠，由天然細砂摻2O ～3O 人工粗砂混合而成，混合后細度模數(shù)為2．6～2．8，屬中砂，其中人工粗砂由天然粗骨料破碎加工而得。

　　(6)粗骨料。采自黃河連地灘料廠，由天然河卵石破碎并分組篩分而得,其主要成分是為硅質石英砂巖和玄武巖屬堅硬巖石類，巖石抗壓強度高達170~250 MPa，因而有利于配制抗沖磨、抗空蝕能力較高的高性能混凝土。

　　(7)拌和用水。采用地方飲用水，水質滿足要求。

　　3．2 配合比設計

　　配合比按照美國混凝土協(xié)會ACI 211．1-92設計。其要點是：① 選擇滿足合同技術要求的水膠比；② 混凝土各組分級配按ACI及ASTM 相關標準最佳級配線計算選配；③ 依據混凝土強度等級和泵送施工要求確定用水量；④ 通過計算和試配確定硅粉、粉煤灰和外加劑的最佳摻量。表2列舉了該工程施工過程中采用的部分C70高性能混凝土配合比。

　　3．3 混凝土試驗及統(tǒng)計結果分析 又能夠節(jié)省材料。

　　從表3及表4可以得出：對于摻加粉煤灰的混凝土，應當充分利用其后期強度增長較快的特點，在不影響工程運行期限的前提下，可適當延長混凝土設計齡期，這樣既滿足了設計要求這一點與我國DL／T5055-1996~]t：I~ ：：k《水工混凝土摻用粉煤灰技術規(guī)范》中關于粉煤灰混凝土設計齡期應采90d或更長齡期的觀點是一致的.該工程在進行最后評定驗收時用， 即將混凝土設計齡期由原來的28 d改為9O d。

　　該工程高性能混凝土配制中的大量試拌試驗結果表明：

　?、僭谒冶纫欢ǖ那闆r下，采用硅粉、粉煤灰雙摻不僅可以最大限度地代替水泥，降低水化熱，而且能夠克服單摻粉煤灰混凝土早期強度降低和單摻硅粉混凝土早強但后期強度增長緩慢的缺點(表4)；

　?、趽?O 左右粉煤灰后，硅粉混凝土抗沖磨性能得到提高，抗空蝕性能基本沒有減小(表5)；

　　③ 采用較大粒徑的骨料混凝土抗沖磨和抗空蝕性能相對更好(表5)。表4 單摻與雙摻混凝土抗壓強度增長率比較

[Page]　　3．4 硅粉摻量及其解密

　　硅粉摻量因混凝土技術要求不同而不同。研究結果 s~ 表明，硅粉對混凝土用水量較為敏感，隨著硅粉摻量的增大，混凝土用水量顯著增加，水泥用量也相應增加。為滿足低水膠比、泵送、溫控等技術要求，則需摻加高效減水劑來進行補償，當硅粉摻量增加到一定程度時混凝土性能反而降低，因此，摻加的硅粉量為相對最佳摻量時，才能顯著改善混凝土的性能。結合該工程C70高性能混凝土配合比的試拌及應用情況，考慮到高效減水劑用量的限制，并利用粉煤灰可提高混凝土后期強度之優(yōu)點，從經濟技術指標綜合分析，選擇3％ 左右的硅粉摻量來配制工程所需的高性能混凝土是可行的，摻量過大反而不利。硅粉摻量為5％ ～8％時，雖然有利于提高混凝土強度，但由于硅粉用量和高效減水劑用量的增加大大加速了水泥早期的水化，因而也加大了混凝土出現(xiàn)早期裂縫的可能，這一點在該工程混凝土早期裂縫檢測中得到了證實。此外，由于硅粉摻量增加，加大了混凝土的粘聚力，也給泵送施工造成了一定困難。在高性能混凝土中，硅粉起水化產物核心作用，這一性能的發(fā)揮需要硅粉在水泥漿體中的良好分散來得到保證。由于該工程采用的是加密硅粉，為使硅粉摻人混凝土后能夠均勻分散，參考國外的施工經驗，承包商采用了濕摻解密的施工工藝，即將加密硅粉與水1：1(重量比)混合后高速攪拌進行解密，濕摻解密后形成含5O％硅粉的均勻漿液。需要強調的是，濕摻解密工藝要求精度較高的機械設備，其中稱量、攪拌和泵送設備最為關鍵，該工程以上主要設備均為進口，其中攪拌機為德國造SC1000MS型，轉速達380 r／min。此外，為了保證硅粉漿液的均勻性和穩(wěn)定性，應在攪拌過程中添加質量優(yōu)良的漿液穩(wěn)定劑，該工程選用的漿液穩(wěn)定劑為瑞士Sika公司生產，摻量為1％(占硅粉漿的重量百分比)。 ，

　　3．5 外加劑

　　高性能混凝土以低用水量和低水膠比為前提，因此摻加適量的高效減水劑是配制高性能混凝土的通用途徑之一。通過大量試拌試驗，該工程采用了高效減水劑NN(增塑劑)與普通減水劑VZ復合摻人的方式，在不超過減水劑最大限制摻量的情況下，滿足了高強硅粉混凝土低水膠比、低用水量、高早強和泵送施工等技術要求。需要指出的是，高效減水劑的摻人會加速水泥早期水化，這不僅會增大硅粉混凝土早期溫控的難度，在低水膠比、硅粉摻量較大或環(huán)境溫度較高的情況下，還會使混凝土坍落度經時損失加快，對于有一定運輸距離或采用泵送施工的混凝土而言，這也是極為不利的。該工程在混凝土運輸或等待時間較長時，主要采用復配緩凝劑(Ret)的方式來解決上述問題。

　　4、混凝土溫控措施

　　與普通低強度混凝土相比，C7O高強度硅粉混凝土的溫度控制難度更大，其齡期1～3 d溫度升高的幅度遠大于其強度提高的幅度，因此需采取更為嚴格的溫控措施，以預防和緩解裂縫的產生。

　　(1)原材料。盡可能采用水化熱速率小、水化熱低、自身體收縮小的525 MH 中熱水泥，采用P．525R早強水泥不利于混凝土溫控，特別是不利于主要發(fā)熱源-- 水泥含量高的大體積高性能硅粉混凝土的溫度控制，嚴格控制水泥溫度；選擇線膨脹系數(shù)小的骨料，粗骨料人混凝土拌和機前應充分水飽和與冷卻，細骨料含水量和細度模數(shù)應嚴格控制；采用加冰拌和措施以降低新鮮混凝土溫度。

　　(2)優(yōu)化混凝土配合比。在滿足強度等技術指標要求的前提下，利用硅粉的等效水泥系數(shù)約為3，同時通過摻加粉煤灰和高效減水劑盡可能減少水泥用量，降低混凝土水化熱溫升，提高混凝土的抗裂能力。

　　(3)加強施工質量控制?；炷吝\輸采用攪拌車，以減少運輸途中的溫度回升；圍巖開挖必須平整；混凝土須充分振搗，保證混凝土內部密實，提高混凝土極限拉伸值；盡量縮短澆筑和飾面時間；應采取倉面保護措施以減少人倉振搗時的溫度回升。(4)減小混凝土結構尺寸。隧洞襯砌邊墻分塊寬度為4～6m，底板分塊長度不宜大于5 mX 5 m。(5)混凝土養(yǎng)護。拆模后混凝土表面涂保水養(yǎng)護劑，同時覆蓋聚乙烯材料保濕保溫。該工程施工中采取上述溫控措施，有效地控制了裂縫的發(fā)生和發(fā)展。

　　5、結 語

　　(1)結合使用高效減水劑，利用硅粉的等效水泥系數(shù)約為3，采用硅粉和粉煤灰雙摻，不僅可克服單摻粉煤灰混凝土早期強度低和單摻硅粉混凝土早強但后期強度增長緩慢的缺點，還可賦予混凝土高強、抗沖磨、抗空蝕等一系列高性能，同時使混凝土具備良好的和易性和流動性，并且減少了混凝土單位水泥用量，從而減輕了溫控負擔，其技術經濟效果顯著.

　　(2)在配制含硅粉的高性能混凝土時，應特別注意高效減水劑與膠凝材料的適應性，通過試拌選擇相對最佳的膠凝材料用量、硅粉摻量和高效減水劑摻量，為滿足部分技術指標而不加限制地使用上述材料，對混凝土總體質量而言弊大于利。(3)對于C7O高性能硅粉混凝土，施工中應從原材料選擇、配合比優(yōu)化、施工質量控制、結構尺寸及混凝土養(yǎng)護等方面采取更為嚴格的溫控措施，以有效地預防和緩解裂縫的發(fā)生和發(fā)展。