C60硅粉混凝土在高寒地區的性能與施工工藝研究

孫明明

（新疆水利廳瑪納斯河流域管理處 新疆 石河子 832000）

1 引言

水利水電工程中的泄洪、沖沙建筑物運用頻繁且流速高，泥沙含量大，不可避免地對混凝土表面產生磨蝕損壞，特別是在我國北方地區，溫差比較大，混凝土經歷反復凍融后更容易遭受侵蝕破壞。前人的研究成果[1-5]表明，硅粉混凝土是一種比較可靠實用的混凝土材料，通過比較已建工程的實踐情況(如表1所示)可知硅粉混凝土具有抗沖耐磨、高強性能。挪威于1982年首先在伏諾維斯壩上把硅粉混凝土作為筑壩材料，隨后加拿大在道橋及房屋建筑中開始使用，美國用其修補了Kinzua壩的消力池，隨后又被廣泛用于港口、碼頭、油田、地礦井、水電站中，且均取得了良好的效果。

我國對硅粉的研究和應用亦有30年的歷史，研究表明，在水泥用量一定時，摻入硅粉后抗沖磨能力可提高0.5倍～2.5倍，抗空蝕強度可提高1.6倍以上[6]。我國從1985年開始在魚子溪二級電站、葛洲壩、龍羊峽、小浪底、二灘、潘家口、安康等工程逐漸嘗試并使用了硅粉混凝土，均達到了預期效果。

目前，我國的工程師對強度等級在40 MPa以下的混凝土的使用已具有豐富的施工經驗和研究成果，但在溫差極大的北方寒冷地區使用60 MPa硅粉混凝土的水電工程還較少，本文結合新疆紅山嘴引水樞紐工程，從硅粉特性及作用機理、硅粉混凝土力學性能、施工工藝、溫控措施等方面進行了總結，以期為類似工程提供參考。

2 工程概況

以灌溉為主結合防洪發電的紅山嘴引水樞紐工程屬Ⅱ等大（2）型工程，攔河閘過閘流量在1000m3/s～5000m3/s，灌溉面積為316.3萬畝，在經過半個世紀的超負荷運行后，堰前淤積嚴重，且大量推移質泥沙全部進入彎道，對沖沙閘及進水閘磨損嚴重，出現閘室底板淘空、沖坑、磨損等破壞。根據安全鑒定評價結果及現場檢查情況，決定對泄洪沖沙閘上游護坦段、閘室段、消能段進行拆除重建，在閘底板表層0.2 m至閘墩高度1.0m范圍內采用澆筑C60硅粉混凝土的技術，從而提高泄水建筑物的抗沖磨能力，增加工程的可靠性，延長使用壽命。

表1 國內部分泄水建筑物運用、修補情況

3 硅粉混凝土作用機理

硅粉對混凝土的作用機理是由其特殊的活性火山灰效應和微集料效應共同作用的結果。當把硅粉摻入混凝土中后，部分小顆粒迅速溶解于水中，并與水泥水化產生的Ca(OH)2發生化學反應，生成具有凝膠性的硅酸鈣水化物C-S-H，此即為硅粉的火山灰效應。另外，硅粉摻入水泥后，極細的球狀小顆粒將填充于水泥顆粒空隙之中，改善水泥顆粒級配和粒徑分布，漿體中Ca(OH)2晶體細化，定向程度減弱，增加了漿體與骨料界面的粘結強度，從而使水泥漿體密實，此即為硅粉的微集料效應。因此，二者的共同作用下，水泥漿與集料的粘結力增強，硅粉混凝土的物理力學性能和耐久性能均得到提高。

4 硅粉混凝土物理力學性能

硅粉的比表面積大，顆粒表面的濕潤需要大量的水分，使得新拌混凝上的大量自由水被微硅粉粒子所約束，泌水量急劇減少，流動度大大降低，特別是在我國的寒冷和干燥的北方地區，硅粉混凝土的早期水化反應快，早期強度提高快，而徐變和應力松弛減小，使得發生塑性開裂和早期收縮裂縫的可能性增大。另外，硅粉混凝土的密實度大，抗滲能力高，抗凍和抗磨蝕能力強。硅粉混凝土的抗壓強度明顯高于普通混凝土。硅粉混凝土中的硅粉能有效減少混凝土與鋼筋界面水分的積聚，改善鋼筋混凝土的粘結性，且能有效抵抗氯離子滲透，從而減少順筋裂縫。混凝土中硅粉摻量超過20%時，硅粉對混凝土強度的貢獻率明顯下降，但適量的硅粉（一般在10%左右）可以使混凝土的絕對強度大大提高[7]。

5 C60高強硅粉混凝土施工工藝

C60高強硅粉混凝土的施工工藝流程包括：施工準備→硅粉混凝土拌制→運輸→入倉振搗搓平→一次收光→表面蓋膜→塑料薄膜上二次收光→養護。在拌合前嚴格測定骨粒細度模數及骨料含水量，嚴格控制水灰比。拌和時采用一臺產量為40m3/h的強制式拌和機，硅粉采取干摻的方式，投料順序為:(中石+小石+砂+硅粉+粉煤灰)+(水+外加劑溶液)+水泥，攪拌時間比普通混凝土延長1分鐘左右。從拌合機出料后，采用小型運輸車運送硅粉混凝土。

由于混凝土強度等級高，混凝土入倉后水化熱反應劇烈，加之瑪河河灘上風的因素，加速了混凝土表面的固結，初凝后強度值上升快，收縮率大，因此振搗、抹面和養護必須連續進行，混凝土的收光及后期的養護成為澆筑的關鍵。

經過反復思索C60混凝土的特性，在施工中不斷總結得到以下經驗：

（1）根據紅山嘴引水施工現場多次拌和試驗后確定的拌和工序：粗、細骨料及水泥進入拌和系統后干拌1.7分鐘，加入水后再拌和3.5分鐘。

（2）硅粉混凝土坍落度幾乎接近于零，流動性差，混凝土攪拌以及入倉后，振搗時間要稍微延長。先用插入式振搗器，加大振搗器的功率，插入的間距更要緊密且振搗時間較普通混凝土稍長約15 s左右；后用平板振搗器提漿，振搗密實，使內部空氣完全排出，至混凝土不下沉、不出氣泡并泛漿為止。

（3）收光。C60硅粉混凝土粘聚性強，因此收光時，混凝土會粘抹子，隨著抹子走，根本無法收光，將塑料薄膜覆蓋在入倉振搗后的混凝土表面上進行收光，這樣既解決了收光難的問題，也起到了混凝土防風、保水的效果，延緩混凝土固結，為混凝土收光爭取了時間。

(4)降溫。當收光完成后，混凝土水化熱反應劇烈，混凝土固結加速，周圍模板用手觸摸會有燙手的感覺，如若不及時降溫會造成混凝土表面出現干縮裂縫，因此在收光后的4小時～6小時在其表面進行澆水降溫。

(5)養護。澆筑時采取沖毛機噴霧增加倉面空氣的溫度，澆筑完畢后，保持表面時刻濕潤，用塑料薄膜粘貼進行混凝土表面封閉，以達到保水的目的。為保證混凝土表面濕潤，采取連續澆水的方式進行養護。當陽光較強時須進行草袋、麻袋遮蓋。

6 結語

本文結合新疆瑪河紅山嘴引水工程,開展了C60硅粉混凝土現場澆筑工藝的研究，初步摸索出了一套有關C60高性能硅粉混凝土科學合理的施工技術，得到以下結論：

(1)硅粉作為一種摻和料，具有很高的火山灰活性和微集料性能，能夠提高混凝土的抗滲、抗凍、抗沖磨能力及力學性能。

(2)采用覆膜收光硅粉混凝土的方法，改進了抹面收光的方式,縮短了混凝土的收光時間。

（3)采用塑料薄膜覆蓋的方法,隔絕了與空氣的接觸，形成其類似于混凝土蒸養室的內部環境，降低了表層混凝土和內部混凝土的溫度差。

[1]楊昆.硅粉混凝土的抗滲透性機理的分析[J].公路運輸文摘，2003(9)∶26-29.

[2]馬少軍,韓蘇建,曹四偉,等.硅粉混凝土在水利工程中的應用[J].西北水資源與水工程,200011(4)∶51-54.

[3]趙宏.高性能C70泵送硅粉混凝土在小浪底工程中的應用技術[J].中國水利，2004(12)∶60-64.

[4]B.W. Langan,K Wenig, M A Ward.Effect of silica fume and flyash on heat of hydration of Portland cement [J].Cement and Concrete Research,2002,32∶1 045-1 051.

[5]卜貴賢.硅粉混凝土配合比設計方法的探討[J].西北水力發電，2002(2)∶102-105.

[6]李永慶,紀冬.硅粉混凝土在溢洪道剝蝕處理中的應用[J].東北水利水電,2008(4)∶17-18.

[7]稷瑤，張煤霞．綠色高強混凝-硅灰混凝土[J].安全與環境工壤，2002(3)∶33-36．