高性能硅粉混凝土在水電工程中的應(yīng)

摘要：結(jié)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(qiáng)度低和單摻硅粉混凝土早強(qiáng)但后期強(qiáng)度增長緩慢的缺點(diǎn)，可賦予混凝土高強(qiáng)、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(dòng)性，還能減少單位水泥用量，減輕溫控負(fù)擔(dān)。介紹了C70高性能硅粉混凝土在某水電工程中的配制技術(shù)及混凝土溫控措施。

關(guān)鍵詞：硅粉；高性能混凝土；配制技術(shù)；溫控措施

中圖分類號：TV431 ．9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 工程概況

    某水利工程泄洪項(xiàng)目主要由進(jìn)水口引渠、進(jìn)水塔、孔板(導(dǎo)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(dá)941 kg／m。。水庫高水位時(shí)，泄洪建筑物下泄洪水流速高達(dá)3O m／s以上。《水工混凝土抗沖磨防空觸技術(shù)規(guī)范》中提出：對于過流介質(zhì)以懸移質(zhì)為主的工程．當(dāng)過水最大流速為25～ 35 m／s，且過流中同時(shí)含有的推移質(zhì)含量大于2 kg／ma時(shí)，應(yīng)選用強(qiáng)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(shè)計(jì)采用齡期28 d、強(qiáng)度等級為C70的高性能混凝土澆筑襯砌，實(shí)際澆筑量近5O萬m。

2 C70高性能混凝土的技術(shù)要求

    配制高性能混凝土必須從原材料品質(zhì)、配合比優(yōu)化、施工工藝與質(zhì)量控制等方面進(jìn)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(qiáng)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(dǎo)致硅粉混凝土在施工中往往出現(xiàn)早期開裂的技術(shù)難題。為此，在進(jìn)行配和比設(shè)計(jì)時(shí)，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(xiàng)技術(shù)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(fù)擔(dān)，降低混凝土出現(xiàn)裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。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(dòng)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(shù)規(guī)范中C70高性能混凝土的主要技術(shù)指標(biāo)。

3 混凝土配制

3．1 原材料

    選用優(yōu)質(zhì)的原材料是配制高性能混凝土的前提。根據(jù)該工程合同技術(shù)規(guī)范的要求，結(jié)合材料產(chǎn)地和經(jīng)濟(jì)性選用滿足國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)、部頒標(biāo)準(zhǔn)及美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)的原材料。

(1)水泥采用洛陽水泥廠生產(chǎn)的525R早強(qiáng)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(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰。

(3)硅粉。采用青海民和鎂廠生產(chǎn)的加密硅粉。

(4)外加劑。采用瑞士Sika香港公司生產(chǎn)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(xì)骨料。采自黃河連地灘料廠，由天然細(xì)砂摻2O ～3O 人工粗砂混合而成，混合后細(xì)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(zhì)石英砂巖和玄武巖屬堅(jiān)硬巖石類，巖石抗壓強(qiáng)度高達(dá)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(zhì)滿足要求。

3．2 配合比設(shè)計(jì)

      配合比按照美國混凝土協(xié)會(huì)ACI 211．1—92設(shè)計(jì)。其要點(diǎn)是：① 選擇滿足合同技術(shù)要求的水膠比；② 混凝土各組分級配按ACI及ASTM 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)最佳級配線計(jì)算選配；③ 依據(jù)混凝土強(qiáng)度等級和泵送施工要求確定用水量；④ 通過計(jì)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(yàn)及統(tǒng)計(jì)結(jié)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(yīng)當(dāng)充分利用其后期強(qiáng)度增長較快的特點(diǎn)，在不影響工程運(yùn)行期限的前提下，可適當(dāng)延長混凝土設(shè)計(jì)齡期，這樣既滿足了設(shè)計(jì)要求這一點(diǎn)與我國DL／T5055—1996~]t：I~ ：：k《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于粉煤灰混凝土設(shè)計(jì)齡期應(yīng)采90d或更長齡期的觀點(diǎn)是一致的.該工程在進(jìn)行最后評定驗(yàn)收時(shí)用， 即將混凝土設(shè)計(jì)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(yàn)結(jié)果表明：
      ①在水灰比一定的情況下，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(qiáng)度降低和單摻硅粉混凝土早強(qiáng)但后期強(qiáng)度增長緩慢的缺點(diǎn)(表4)；
      ②摻2O 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(qiáng)度增長率比較

3．4 硅粉摻量及其解密

      硅粉摻量因混凝土技術(shù)要求不同而不同。研究結(jié)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(yīng)增加。為滿足低水膠比、泵送、溫控等技術(shù)要求，則需摻加高效減水劑來進(jìn)行補(bǔ)償，當(dāng)硅粉摻量增加到一定程度時(shí)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(shí)，才能顯著改善混凝土的性能。結(jié)合該工程C70高性能混凝土配合比的試拌及應(yīng)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(qiáng)度之優(yōu)點(diǎn)，從經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)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(shí)，雖然有利于提高混凝土強(qiáng)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(diǎn)在該工程混凝土早期裂縫檢測中得到了證實(shí)。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(chǎn)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(jīng)驗(yàn)，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(jìn)行解密，濕摻解密后形成含5O％硅粉的均勻漿液。需要強(qiáng)調(diào)的是，濕摻解密工藝要求精度較高的機(jī)械設(shè)備，其中稱量、攪拌和泵送設(shè)備最為關(guān)鍵，該工程以上主要設(shè)備均為進(jìn)口，其中攪拌機(jī)為德國造SC1000MS型，轉(zhuǎn)速達(dá)380 r／min。此外，為了保證硅粉漿液的均勻性和穩(wěn)定性，應(yīng)在攪拌過程中添加質(zhì)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(chǎn)，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(yàn)，該工程采用了高效減水劑NN(增塑劑)與普通減水劑VZ復(fù)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(qiáng)硅粉混凝土低水膠比、低用水量、高早強(qiáng)和泵送施工等技術(shù)要求。需要指出的是，高效減水劑的摻人會(huì)加速水泥早期水化，這不僅會(huì)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(huì)使混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失加快，對于有一定運(yùn)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(yùn)輸或等待時(shí)間較長時(shí)，主要采用復(fù)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(qiáng)度混凝土相比，C7O高強(qiáng)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(yuǎn)大于其強(qiáng)度提高的幅度，因此需采取更為嚴(yán)格的溫控措施，以預(yù)防和緩解裂縫的產(chǎn)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(qiáng)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(yán)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(jī)前應(yīng)充分水飽和與冷卻，細(xì)骨料含水量和細(xì)度模數(shù)應(yīng)嚴(yán)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(qiáng)度等技術(shù)指標(biāo)要求的前提下，利用硅粉的等效水泥系數(shù)約為3，同時(shí)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(qiáng)施工質(zhì)量控制。混凝土運(yùn)輸采用攪拌車，以減少運(yùn)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(nèi)部密實(shí)，提高混凝土極限拉伸值；盡量縮短澆筑和飾面時(shí)間；應(yīng)采取倉面保護(hù)措施以減少人倉振搗時(shí)的溫度回升。(4)減小混凝土結(jié)構(gòu)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(hù)。拆模后混凝土表面涂保水養(yǎng)護(hù)劑，同時(shí)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(jié) 語

      (1)結(jié)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(qiáng)度低和單摻硅粉混凝土早強(qiáng)但后期強(qiáng)度增長緩慢的缺點(diǎn)，還可賦予混凝土高強(qiáng)、抗沖磨、抗空蝕等一系列高性能，同時(shí)使混凝土具備良好的和易性和流動(dòng)性，并且減少了混凝土單位水泥用量，從而減輕了溫控負(fù)擔(dān)，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果顯著.
      (2)在配制含硅粉的高性能混凝土?xí)r，應(yīng)特別注意高效減水劑與膠凝材料的適應(yīng)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(shù)指標(biāo)而不加限制地使用上述材料，對混凝土總體質(zhì)量而言弊大于利。(3)對于C7O高性能硅粉混凝土，施工中應(yīng)從原材料選擇、配合比優(yōu)化、施工質(zhì)量控制、結(jié)構(gòu)尺寸及混凝土養(yǎng)護(hù)等方面采取更為嚴(yán)格的溫控措施，以有效地預(yù)防和緩解裂縫的發(fā)生和發(fā)展。

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