蘇丹羅賽雷斯大壩加高工程M80/A20泵送硅粉混凝土配合比設計

向國劍

(中國水利水電第七工程局有限公司科研設計院，四川成都 611730)

1 概述

硅粉(Micro Silica或Silica Fume)學名為“硅灰”，是在冶煉硅鐵合金或工業硅時通過煙道排出的硅蒸汽氧化后，經特別設計的收塵器收集得到的無定形、粉末狀的二氧化硅(SiO2)。

硅粉的主要成分為無定形二氧化硅，此外還有氧化鋁、氧化鐵、碳等成分，顏色從淺灰色到深灰色，平均密度約為2 200 kg/m3，松散體積密度250～300 kg/m3。硅粉平均粒 徑 為 0.15～0.20 μm，比表面積為15 000～20 000 m2/kg，比水泥平均粒徑小100倍左右，具有極強的表面活性。

羅賽雷斯大壩加高工程合同文件規定采用M80/A20硅粉混凝土進行低位泄水孔的修復。M80/A20表示混凝土的最大骨料粒徑為20 mm，其28 d最小平均抗壓強度為80 MPa，28 d配制強度為 92.8 MPa。

由于原準備采用雙摻硅粉和粒化高爐礦渣的設想未能如愿，最后筆者只得采用單摻硅粉的方法進行M80/A20硅粉混凝土的配合比設計。

2 混凝土配合比設計要求

根據合同文件第三卷第10章第10.24條的規定，硅粉混凝土的強度等級為M80/A20，硅粉的摻量為20～40 kg/m3。

由于硅粉混凝土的強度等級很高，在沒有采取其他輔助措施的情況下，20～40 kg/m3硅粉的摻量基本上是不現實的。經過與SMEC監理工程師協商后，監理工程師同意硅粉的摻量可不受上述合同文件規定范圍的限制。

由于受現場施工條件的限制，硅粉混凝土被設計成泵送混凝土。由于羅賽雷斯地處蘇丹南北交界處，氣溫較高，同時混凝土的運輸距離較遠，入倉方式較為困難，考慮到混凝土的坍落度損失，泵送硅粉混凝土的設計坍落度為150～200 mm。

3 原材料

3.1 水 泥

結合羅賽雷斯工程的實際進行硅粉混凝土配合比設計，所使用的水泥為廣西魚峰水泥股份有限公司生產的普通硅酸鹽水泥，強度等級為52.5;BS EN 197－1:2000將其表示為CEM I 52.5N。

根據BS EN 197－1:2000的規定，普通硅酸鹽水泥的試驗檢測項目為2 d、28 d抗壓強度、凝結時間、安定性(雷式夾法)、燒失量、不溶物、硫酸鹽含量(以 SO3表示)、氯化物(以 Cl－表示)等。其試驗檢測結果見表1。

表1 水泥試驗檢測結果表

試驗結果表明，水泥所檢項目滿足BS EN197－1:2000和合同文件的規定，品質檢驗合格。

3.2 砂石骨料

由于當地骨料的洛杉磯磨耗值波動較大，因此，硅粉混凝土所用的砂石骨料取自于距羅賽雷斯項目1 000 km之外的蘇丹麥洛維工程。

砂石骨料均為人工破碎骨料，粗骨料的最大粒徑為20 mm。根據SMEC監理工程師的要求，粗骨料沒有篩分成標準級配的骨料。

根據合同文件第三卷第十章第10.3.4條的規定，細骨料的試驗檢測項目包括顆粒級配試驗(BS EN 12620:2002)、氯化物含量(BS EN 1744－1:1998或者 BS 812－117:1988)、硫酸鹽含量試驗(BS 812－118)、硫酸鎂堅固性(合同文件附錄A4)、堿活性反應(ASTM C227－03)、有機質含量(BS 1377－3:1990)及含泥量試驗(BS 812);粗骨料的試驗檢測項目包括顆粒級配試驗(BS EN 12620:2002)、氯化物含量(BS EN 1744－1:1998或者 BS 812－117:1988)、硫酸鹽含量試驗(BS 812－118)、硫酸鎂堅固性(合同文件附錄A4)、堿活性反應(ASTM C227－03)、有機質含量(BS 1377－3:1990)、片狀物(BS EN 933－3:1997)、殼含量(BS EN 12620:2002和BS EN 933－7:1998)、洛杉磯磨耗試驗(BS EN 1097－2:1998)、吸水率(BS EN 1097－3:2000或者BS 812－109:1990)及含泥量試驗(BS 812)。

另外，合同文件還規定需要進行砂石骨料的巖相分析試驗。細骨料的試驗檢測結果見表2，粗骨料的試驗檢測結果見表3。

表2 試驗檢測項目表

表3 試驗檢測項目表

試驗結果表明:用于混凝土配合比設計所使用的砂石骨料滿足合同文件的相關要求，品質檢驗合格。

3.3 超塑化劑

為了配制高強度的硅粉混凝土，該工程使用了江蘇博特新材料有限公司生產的PCA(I)超塑化劑。根據廠家提供的資料，PCA(I)混凝土超塑化劑是以羧酸類接枝聚合物為主體的復合添加劑，具有大減水、高保坍、高增強等功能，適用于配制高耐久、高流態、高保坍、高強以及對外觀質量要求高的混凝土工程，常用摻量(按重量計)為膠凝材料用量的0.6% ～1.2%，配制超高強混凝土時，摻量可提高到1.3% ～1.8%。

根據BS EN934－2:2001的規定，超塑化劑的試驗檢測項目為減水率，7 d、28 d抗壓強度比，新鮮混凝土的含氣量等。超塑化劑的試驗檢測結果見表4。

試驗結果表明:PCA(I)滿足BS EN 934－2:2001的規定，品質檢驗合格。

3.4 硅 粉

進行硅粉混凝土配合比設計所使用的硅粉為山西凱迪建材有限公司生產的KD－12型硅粉。根據合同文件的規定，硅粉的試驗檢測項目為絕對密度、燒失量、粗顆粒含量、二氧化硅含量、碳含量、含水率等，其品質應符合BS EN 13263:2005，ASTM C1240－05或者 ASlNZ 3582.3– 2002的規定。

表4 超塑化劑的試驗檢測結果(相同坍落度法)表

硅粉試驗檢測結果見表5。

表5 硅粉試驗檢測結果表

試驗結果表明:硅粉的品質滿足合同文件的規定，品質檢驗合格。

3.5 拌和用水

拌和用水為地下水，來自大壩左岸1#營地內的水井。該水源作為羅賽雷斯大壩加高工程中方人員的飲用水源。

試驗結果表明:該水質盡管硬度較大，但仍適宜于飲用。因此，該水源可以用作混凝土的拌和用水和養護用水。

根據合同文件第三卷第十章第10.3.8條的規定，混凝土(砂漿)的拌和用水和養護用水應按照BS EN 1008:2002進行試驗，試驗項目主要包括硫酸鹽、堿金屬碳酸鹽、重碳酸鹽的總量，氯化物，懸浮物，其他可溶物等。能用作飲用目的的水源可以用作混凝土(砂漿)的拌和用水和養護用水的水源。該飲用水的水質分析試驗結果見表6。

表6 水質分析試驗結果表

4 混凝土配合比設計

2009年1月10日至2月2日，在SMEC監理工程師的現場見證下，我們采用上述原材料進行了M80/A20泵送硅粉混凝土的配合比設計，硅粉摻量為水泥重量的10%，坍落度控制在150～200 mm并盡可能偏上限。試驗項目包括坍落度、含氣量、3 d、7 d、28 d 抗壓強度以及28 d、56 d 干縮試驗。其主要試驗檢測結果見表7。

由于混凝土的坍落度、抗壓強度、干縮試驗結果均滿足合同文件的規定(含氣量指標未作要求)，監理工程師批準了表7所示的泵送硅粉混凝土配合比，并在2009年3月底正式用于1#低位泄水孔的修復。

表7 混凝土試驗檢測結果表

5 硅粉混凝土的施工

硅粉混凝土的配料、拌和、運輸、澆筑、養護等與普通混凝土并無不同之處。由于M80/A20硅粉混凝土的水膠比較小，膠凝材料用量較高，為了保證混凝土的拌和均勻性，在拌制硅粉混凝土時，其拌和時間應較普通混凝土長。

澆筑混凝土前，應做好各方面的準備工作，任何延誤和中途停頓都會對工程質量產生很大影響。在混凝土的運輸過程中，要避免混凝土產生離析，澆筑時應盡可能把混凝土拌和物鋪放在澆筑地點，盡可能避免二次倒運;同時，混凝土的拌和生產速度應與現場的混凝土實際澆筑速度相匹配，應避免將硅粉混凝土長時間存放在料罐內，以免引起混凝土粘稠而造成卸料困難。

為了保證新澆混凝土有適宜的硬化條件，防止混凝土在早期由于干縮而產生的裂縫，硅粉混凝土澆筑完畢后應及時進行灑水養護(早期為避免陽光直射，混凝土表面應用草袋、麻袋等覆蓋)，以保持混凝土表面經常濕潤為原則，并應適當延長養護時間。

6 結語

配合使用高效減水劑和性能良好的砂石骨料，采用單摻硅粉的方法配制高強度混凝土已不再是難事。由于硅粉對水有很高的親和力，摻加硅粉后改變了混凝土的流變性能，使混凝土拌和物中游離水很少，所以，摻加硅粉后可以降低混凝土的泌水性。但是，當混凝土表面水分損失(水分蒸發)的速率高于內部水分遷移到表面(泌水)的速率時，混凝土將會產生塑性收縮裂縫。因此，必須做好硅粉混凝土的養護工作。

為了防止硅粉混凝土早期的水分損失，在高溫、低濕度，尤其是大風天氣情況下，要對新澆硅粉混凝土進行表面覆蓋，及時進行灑水養護，防止水分蒸發，避免硅粉混凝土發生塑性收縮裂縫。