C60硅粉混凝土在高寒地区的性能与施工工艺研究

孙明明

（新疆水利厅玛纳斯河流域管理处 新疆 石河子 832000）

1 引言

水利水电工程中的泄洪、冲沙建筑物运用频繁且流速高，泥沙含量大，不可避免地对混凝土表面产生磨蚀损坏，特别是在我国北方地区，温差比较大，混凝土经历反复冻融后更容易遭受侵蚀破坏。前人的研究成果[1-5]表明，硅粉混凝土是一种比较可靠实用的混凝土材料，通过比较已建工程的实践情况(如表1所示)可知硅粉混凝土具有抗冲耐磨、高强性能。挪威于1982年首先在伏诺维斯坝上把硅粉混凝土作为筑坝材料，随后加拿大在道桥及房屋建筑中开始使用，美国用其修补了Kinzua坝的消力池，随后又被广泛用于港口、码头、油田、地矿井、水电站中，且均取得了良好的效果。

我国对硅粉的研究和应用亦有30年的历史，研究表明，在水泥用量一定时，掺入硅粉后抗冲磨能力可提高0.5倍～2.5倍，抗空蚀强度可提高1.6倍以上[6]。我国从1985年开始在鱼子溪二级电站、葛洲坝、龙羊峡、小浪底、二滩、潘家口、安康等工程逐渐尝试并使用了硅粉混凝土，均达到了预期效果。

目前，我国的工程师对强度等级在40 MPa以下的混凝土的使用已具有丰富的施工经验和研究成果，但在温差极大的北方寒冷地区使用60 MPa硅粉混凝土的水电工程还较少，本文结合新疆红山嘴引水枢纽工程，从硅粉特性及作用机理、硅粉混凝土力学性能、施工工艺、温控措施等方面进行了总结，以期为类似工程提供参考。

2 工程概况

以灌溉为主结合防洪发电的红山嘴引水枢纽工程属Ⅱ等大（2）型工程，拦河闸过闸流量在1000m3/s～5000m3/s，灌溉面积为316.3万亩，在经过半个世纪的超负荷运行后，堰前淤积严重，且大量推移质泥沙全部进入弯道，对冲沙闸及进水闸磨损严重，出现闸室底板淘空、冲坑、磨损等破坏。根据安全鉴定评价结果及现场检查情况，决定对泄洪冲沙闸上游护坦段、闸室段、消能段进行拆除重建，在闸底板表层0.2 m至闸墩高度1.0m范围内采用浇筑C60硅粉混凝土的技术，从而提高泄水建筑物的抗冲磨能力，增加工程的可靠性，延长使用寿命。

表1 国内部分泄水建筑物运用、修补情况

3 硅粉混凝土作用机理

硅粉对混凝土的作用机理是由其特殊的活性火山灰效应和微集料效应共同作用的结果。当把硅粉掺入混凝土中后，部分小颗粒迅速溶解于水中，并与水泥水化产生的Ca(OH)2发生化学反应，生成具有凝胶性的硅酸钙水化物C-S-H，此即为硅粉的火山灰效应。另外，硅粉掺入水泥后，极细的球状小颗粒将填充于水泥颗粒空隙之中，改善水泥颗粒级配和粒径分布，浆体中Ca(OH)2晶体细化，定向程度减弱，增加了浆体与骨料界面的粘结强度，从而使水泥浆体密实，此即为硅粉的微集料效应。因此，二者的共同作用下，水泥浆与集料的粘结力增强，硅粉混凝土的物理力学性能和耐久性能均得到提高。

4 硅粉混凝土物理力学性能

硅粉的比表面积大，颗粒表面的湿润需要大量的水分，使得新拌混凝上的大量自由水被微硅粉粒子所约束，泌水量急剧减少，流动度大大降低，特别是在我国的寒冷和干燥的北方地区，硅粉混凝土的早期水化反应快，早期强度提高快，而徐变和应力松弛减小，使得发生塑性开裂和早期收缩裂缝的可能性增大。另外，硅粉混凝土的密实度大，抗渗能力高，抗冻和抗磨蚀能力强。硅粉混凝土的抗压强度明显高于普通混凝土。硅粉混凝土中的硅粉能有效减少混凝土与钢筋界面水分的积聚，改善钢筋混凝土的粘结性，且能有效抵抗氯离子渗透，从而减少顺筋裂缝。混凝土中硅粉掺量超过20%时，硅粉对混凝土强度的贡献率明显下降，但适量的硅粉（一般在10%左右）可以使混凝土的绝对强度大大提高[7]。

5 C60高强硅粉混凝土施工工艺

C60高强硅粉混凝土的施工工艺流程包括：施工准备→硅粉混凝土拌制→运输→入仓振捣搓平→一次收光→表面盖膜→塑料薄膜上二次收光→养护。在拌合前严格测定骨粒细度模数及骨料含水量，严格控制水灰比。拌和时采用一台产量为40m3/h的强制式拌和机，硅粉采取干掺的方式，投料顺序为:(中石+小石+砂+硅粉+粉煤灰)+(水+外加剂溶液)+水泥，搅拌时间比普通混凝土延长1分钟左右。从拌合机出料后，采用小型运输车运送硅粉混凝土。

由于混凝土强度等级高，混凝土入仓后水化热反应剧烈，加之玛河河滩上风的因素，加速了混凝土表面的固结，初凝后强度值上升快，收缩率大，因此振捣、抹面和养护必须连续进行，混凝土的收光及后期的养护成为浇筑的关键。

经过反复思索C60混凝土的特性，在施工中不断总结得到以下经验：

（1）根据红山嘴引水施工现场多次拌和试验后确定的拌和工序：粗、细骨料及水泥进入拌和系统后干拌1.7分钟，加入水后再拌和3.5分钟。

（2）硅粉混凝土坍落度几乎接近于零，流动性差，混凝土搅拌以及入仓后，振捣时间要稍微延长。先用插入式振捣器，加大振捣器的功率，插入的间距更要紧密且振捣时间较普通混凝土稍长约15 s左右；后用平板振捣器提浆，振捣密实，使内部空气完全排出，至混凝土不下沉、不出气泡并泛浆为止。

（3）收光。C60硅粉混凝土粘聚性强，因此收光时，混凝土会粘抹子，随着抹子走，根本无法收光，将塑料薄膜覆盖在入仓振捣后的混凝土表面上进行收光，这样既解决了收光难的问题，也起到了混凝土防风、保水的效果，延缓混凝土固结，为混凝土收光争取了时间。

(4)降温。当收光完成后，混凝土水化热反应剧烈，混凝土固结加速，周围模板用手触摸会有烫手的感觉，如若不及时降温会造成混凝土表面出现干缩裂缝，因此在收光后的4小时～6小时在其表面进行浇水降温。

(5)养护。浇筑时采取冲毛机喷雾增加仓面空气的温度，浇筑完毕后，保持表面时刻湿润，用塑料薄膜粘贴进行混凝土表面封闭，以达到保水的目的。为保证混凝土表面湿润，采取连续浇水的方式进行养护。当阳光较强时须进行草袋、麻袋遮盖。

6 结语

本文结合新疆玛河红山嘴引水工程,开展了C60硅粉混凝土现场浇筑工艺的研究，初步摸索出了一套有关C60高性能硅粉混凝土科学合理的施工技术，得到以下结论：

(1)硅粉作为一种掺和料，具有很高的火山灰活性和微集料性能，能够提高混凝土的抗渗、抗冻、抗冲磨能力及力学性能。

(2)采用覆膜收光硅粉混凝土的方法，改进了抹面收光的方式,缩短了混凝土的收光时间。

（3)采用塑料薄膜覆盖的方法,隔绝了与空气的接触，形成其类似于混凝土蒸养室的内部环境，降低了表层混凝土和内部混凝土的温度差。

[1]杨昆.硅粉混凝土的抗渗透性机理的分析[J].公路运输文摘，2003(9)∶26-29.

[2]马少军,韩苏建,曹四伟,等.硅粉混凝土在水利工程中的应用[J].西北水资源与水工程,200011(4)∶51-54.

[3]赵宏.高性能C70泵送硅粉混凝土在小浪底工程中的应用技术[J].中国水利，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]卜贵贤.硅粉混凝土配合比设计方法的探讨[J].西北水力发电，2002(2)∶102-105.

[6]李永庆,纪冬.硅粉混凝土在溢洪道剥蚀处理中的应用[J].东北水利水电,2008(4)∶17-18.

[7]稷瑶，张煤霞．绿色高强混凝-硅灰混凝土[J].安全与环境工壤，2002(3)∶33-36．