高性能混凝土微硅粉在水电工程中的应用

1 工程概况

　　某水利工程泄洪项目主要由进水口引渠、进水塔、孔板(导流)洞、明流洞、排沙洞、溢洪道、出口消力塘和泄水渠、尾水明渠等建筑物组成。水库建成后泄洪建筑物工作水头为100～143 m，所在河道汛期水流平均含沙量49 kg／m。，瞬间*大含沙量达941 kg／m。。水库高水位时，泄洪建筑物下泄洪水流速高达3O m／s以上。《水工混凝土抗冲磨防空触技术规范》中提出：对于过流介质以悬移质为主的工程．当过水*大流速为25～ 35 m／s，且过流中同时含有的推移质含量大于2 kg／ma时，应选用强度等级不小于C6O、掺用硅粉的抗磨蚀混凝土。因此，为提高高水头、高含沙、高流速条件下泄洪建筑物的抗冲磨和抗空蚀能力，设计采用龄期28 d、强度等级为C70的高性能混凝土浇筑衬砌，实际浇筑量近5O万m。

2 C70高性能混凝土的技术要求

　　配制高性能混凝土必须从原材料品质、配合比优化、施工工艺与质量控制等方面进行综合考虑，与普通混凝土相比，硅粉混凝土虽具有较高的强度和耐久性，但由于其水胶比小、水泥用量大且不易泌水，因而比普通混凝土更容易发生塑性收缩，其早期干缩率和自身体积变形也比普通混凝土更大，这些因素交织在一起，导致硅粉混凝土在施工中往往出现早期开裂的技术难题。为此，在进行配和比设计时，考虑通过以粉煤灰等活性矿物料取代部分水泥及掺加高效减水剂等手段，在满足各项技术要求的前提下，尽可能减少水泥用量，降低混凝土绝热温升，从而减轻温控负担，降低混凝土出现裂缝的风险。通过掺加高效减水剂和粉煤灰，还可使硅粉混凝土具有良好的和易性及流动性，以满足该工程现场泵送施工的要求。表1给出了该工程合同技术规范中C70高性能混凝土的主要技术指标。

3 混凝土配制

3．1 原材料

　　选用优质的原材料是配制高性能混凝土的前提。根据该工程合同技术规范的要求，结合材料产地和经济性选用满足国标标准、部颁标准及美国ASTM标准的原材料。



(1)水泥采用洛阳水泥厂生产的525R早强型普通硅酸盐水泥和525MH 中热水泥。

(2)粉煤灰。采用焦作热电厂生产的Ⅱ级粉煤灰。

(3)硅粉。采用青海民和镁厂生产的加密硅粉。

(4)外加剂。采用瑞士Sika香港公司生产的增塑剂(NN)、减水剂(VZ)和缓凝剂(Ret)，其中NN减水率为15％，VZ减水率为9％ 。

(5)细骨料。采自黄河连地滩料厂，由天然细砂掺2O ～3O 人工粗砂混合而成，混合后细度模数为2．6～2．8，属中砂，其中人工粗砂由天然粗骨料破碎加工而得。

(6)粗骨料。采自黄河连地滩料厂，由天然河卵石破碎并分组筛分而得,其主要成分是为硅质石英砂岩和玄武岩属坚硬岩石类，岩石抗压强度高达170~250 MPa，因而有利于配制抗冲磨、抗空蚀能力较高的高性能混凝土。

(7)拌和用水。采用地方饮用水，水质满足要求。

3．2 配合比设计

　　　配合比按照美国混凝土协会ACI 211．1—92设计。其要点是：① 选择满足合同技术要求的水胶比；② 混凝土各组分级配按ACI及ASTM 相关标准*佳级配线计算选配；③ 依据混凝土强度等级和泵送施工要求确定用水量；④ 通过计算和试配确定硅粉、粉煤灰和外加剂的*佳掺量。表2列举了该工程施工过程中采用的部分C70高性能混凝土配合比。



3．3 混凝土试验及统计结果分析 又能够节省材料。

　　从表3及表4可以得出：对于掺加粉煤灰的混凝土，应当充分利用其后期强度增长较快的特点，在不影响工程运行期限的前提下，可适当延长混凝土设计龄期，这样既满足了设计要求这一点与我国DL／T5055—1996~]t：I~ ：：k《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》中关于粉煤灰混凝土设计龄期应采90d或更长龄期的观点是一致的.该工程在进行*后评定验收时用，即将混凝土设计龄期由原来的28 d改为9O d。



该工程高性能混凝土配制中的大量试拌试验结果表明：
　　　①在水灰比一定的情况下，采用硅粉、粉煤灰双掺不仅可以*大限度地代替水泥，降低水化热，而且能够克服单掺粉煤灰混凝土早期强度降低和单掺硅粉混凝土早强但后期强度增长缓慢的缺点(表4)；
　　　②掺2O 左右粉煤灰后，硅粉混凝土抗冲磨性能得到提高，抗空蚀性能基本没有减小(表5)；
　　　③ 采用较大粒径的骨料混凝土抗冲磨和抗空蚀性能相对更好(表5)。表4 单掺与双掺混凝土抗压强度增长率比较







3．4 硅粉掺量及其解密

　　　硅粉掺量因混凝土技术要求不同而不同。研究结果 s~ 表明，硅粉对混凝土用水量较为敏感，随着硅粉掺量的增大，混凝土用水量显著增加，水泥用量也相应增加。为满足低水胶比、泵送、温控等技术要求，则需掺加高效减水剂来进行补偿，当硅粉掺量增加到一定程度时混凝土性能反而降低，因此，掺加的硅粉量为相对*佳掺量时，才能显著改善混凝土的性能。结合该工程C70高性能混凝土配合比的试拌及应用情况，考虑到高效减水剂用量的限制，并利用粉煤灰可提高混凝土后期强度之优点，从经济技术指标综合分析，选择3％左右的硅粉掺量来配制工程所需的高性能混凝土是可行的，掺量过大反而不利。硅粉掺量为5％～8％时，虽然有利于提高混凝土强度，但由于硅粉用量和高效减水剂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现早期裂缝的可能，这一点在该工程混凝土早期裂缝检测中得到了证实。此外，由于硅粉掺量增加，加大了混凝土的粘聚力，也给泵送施工造成了一定困难。在高性能混凝土中，硅粉起水化产物核心作用，这一性能的发挥需要硅粉在水泥浆体中的良好分散来得到保证。由于该工程采用的是加密硅粉，为使硅粉掺人混凝土后能够均匀分散，参考国外的施工经验，承包商采用了湿掺解密的施工工艺，即将加密硅粉与水1：1(重量比)混合后高速搅拌进行解密，湿掺解密后形成含5O％硅粉的均匀浆液。需要强调的是，湿掺解密工艺要求精度较高的机械设备，其中称量、搅拌和泵送设备*为关键，该工程以上主要设备均为进口，其中搅拌机为德国造SC1000MS型，转速达380 r／min。此外，为了保证硅粉浆液的均匀性和稳定性，应在搅拌过程中添加质量优良的浆液稳定剂，该工程选用的浆液稳定剂为瑞士Sika公司生产，掺量为1％(占硅粉浆的重量百分比)。，

3．5 外加剂

　　　高性能混凝土以低用水量和低水胶比为前提，因此掺加适量的高效减水剂是配制高性能混凝土的通用途径之一。通过大量试拌试验，该工程采用了高效减水剂NN(增塑剂)与普通减水剂VZ复合掺人的方式，在不超过减水剂*大限制掺量的情况下，满足了高强硅粉混凝土低水胶比、低用水量、高早强和泵送施工等技术要求。需要指出的是，高效减水剂的掺人会加速水泥早期水化，这不仅会增大硅粉混凝土早期温控的难度，在低水胶比、硅粉掺量较大或环境温度较高的情况下，还会使混凝土坍落度经时损失加快，对于有一定运输距离或采用泵送施工的混凝土而言，这也是极为不利的。该工程在混凝土运输或等待时间较长时，主要采用复配缓凝剂(Ret)的方式来解决上述问题。

4 混凝土温控措施

　　　与普通低强度混凝土相比，C7O高强度硅粉混凝土的温度控制难度更大，其龄期1～3 d温度升高的幅度远大于其强度提高的幅度，因此需采取更为严格的温控措施，以预防和缓解裂缝的产生。

　　　(1)原材料。尽可能采用水化热速率小、水化热低、自身体收缩小的525 MH 中热水泥，采用P．525R早强水泥不利于混凝土温控，特别是不利于主要发热源—— 水泥含量高的大体积高性能硅粉混凝土的温度控制，严格控制水泥温度；选择线膨胀系数小的骨料，粗骨料人混凝土拌和机前应充分水饱和与冷却，细骨料含水量和细度模数应严格控制；采用加冰拌和措施以降低新鲜混凝土温度。
　　　(2)优化混凝土配合比。在满足强度等技术指标要求的前提下，利用硅粉的等效水泥系数约为3，同时通过掺加粉煤灰和高效减水剂尽可能减少水泥用量，降低混凝土水化热温升，提高混凝土的抗裂能力。
　　　(3)加强施工质量控制。混凝土运输采用搅拌车，以减少运输途中的温度回升；围岩开挖必须平整；混凝土须充分振捣，保证混凝土内部密实，提高混凝土极限拉伸值；尽量缩短浇筑和饰面时间；应采取仓面保护措施以减少人仓振捣时的温度回升。(4)减小混凝土结构尺寸。隧洞衬砌边墙分块宽度为4～6m，底板分块长度不宜大于5 mX 5 m。(5)混凝土养护。拆模后混凝土表面涂保水养护剂，同时覆盖聚乙烯材料保湿保温。该工程施工中采取上述温控措施，有效地控制了裂缝的发生和发展。
5 结 语

　　　(1)结合使用高效减水剂，利用硅粉的等效水泥系数约为3，采用硅粉和粉煤灰双掺，不仅可克服单掺粉煤灰混凝土早期强度低和单掺硅粉混凝土早强但后期强度增长缓慢的缺点，还可赋予混凝土高强、抗冲磨、抗空蚀等一系列高性能，同时使混凝土具备良好的和易性和流动性，并且减少了混凝土单位水泥用量，从而减轻了温控负担，其技术经济效果显著.
　　　(2)在配制含硅粉的高性能混凝土时，应特别注意高效减水剂与胶凝材料的适应性，通过试拌选择相对*佳的胶凝材料用量、硅粉掺量和高效减水剂掺量，为满足部分技术指标而不加限制地使用上述材料，对混凝土总体质量而言弊大于利。(3)对于C7O高性能硅粉混凝土，施工中应从原材料选择、配合比优化、施工质量控制、结构尺寸及混凝土养护等方面采取更为严格的温控措施，以有效地预防和缓解裂缝的发生和发展。