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(shè)計(jì)

向國劍

(中國水利水電第七工程局有限公司科研設(shè)計(jì)院，四川成都 611730)

1 概述

硅粉(Micro Silica或Silica Fume)學(xué)名為“硅灰”，是在冶煉硅鐵合金或工業(yè)硅時(shí)通過煙道排出的硅蒸汽氧化后，經(jīng)特別設(shè)計(jì)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(qiáng)的表面活性。

羅賽雷斯大壩加高工程合同文件規(guī)定采用M80/A20硅粉混凝土進(jìn)行低位泄水孔的修復(fù)。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(qiáng)度為80 MPa，28 d配制強(qiáng)度為 92.8 MPa。

由于原準(zhǔn)備采用雙摻硅粉和粒化高爐礦渣的設(shè)想未能如愿，最后筆者只得采用單摻硅粉的方法進(jìn)行M80/A20硅粉混凝土的配合比設(shè)計(jì)。

2 混凝土配合比設(shè)計(jì)要求

根據(jù)合同文件第三卷第10章第10.24條的規(guī)定，硅粉混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為M80/A20，硅粉的摻量為20～40 kg/m3。

由于硅粉混凝土的強(qiáng)度等級(jí)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(xiàn)實(shí)的。經(jīng)過與SMEC監(jiān)理工程師協(xié)商后，監(jiān)理工程師同意硅粉的摻量可不受上述合同文件規(guī)定范圍的限制。

由于受現(xiàn)場施工條件的限制，硅粉混凝土被設(shè)計(jì)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(shí)混凝土的運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)，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(shè)計(jì)坍落度為150～200 mm。

3 原材料

3.1 水 泥

結(jié)合羅賽雷斯工程的實(shí)際進(jìn)行硅粉混凝土配合比設(shè)計(jì)，所使用的水泥為廣西魚峰水泥股份有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為52.5;BS EN 197－1:2000將其表示為CEM I 52.5N。

根據(jù)BS EN 197－1:2000的規(guī)定，普通硅酸鹽水泥的試驗(yàn)檢測項(xiàng)目為2 d、28 d抗壓強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)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(yàn)檢測結(jié)果見表1。

表1 水泥試驗(yàn)檢測結(jié)果表

試驗(yàn)結(jié)果表明，水泥所檢項(xiàng)目滿足BS EN197－1:2000和合同文件的規(guī)定，品質(zhì)檢驗(yàn)合格。

3.2 砂石骨料

由于當(dāng)?shù)毓橇系穆迳即壞ズ闹挡▌?dòng)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(xiàng)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(jù)SMEC監(jiān)理工程師的要求，粗骨料沒有篩分成標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配的骨料。

根據(jù)合同文件第三卷第十章第10.3.4條的規(guī)定，細(xì)骨料的試驗(yàn)檢測項(xiàng)目包括顆粒級(jí)配試驗(yàn)(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(yàn)(BS 812－118)、硫酸鎂堅(jiān)固性(合同文件附錄A4)、堿活性反應(yīng)(ASTM C227－03)、有機(jī)質(zhì)含量(BS 1377－3:1990)及含泥量試驗(yàn)(BS 812);粗骨料的試驗(yàn)檢測項(xiàng)目包括顆粒級(jí)配試驗(yàn)(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(yàn)(BS 812－118)、硫酸鎂堅(jiān)固性(合同文件附錄A4)、堿活性反應(yīng)(ASTM C227－03)、有機(jī)質(zhì)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(yàn)(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(yàn)(BS 812)。

另外，合同文件還規(guī)定需要進(jìn)行砂石骨料的巖相分析試驗(yàn)。細(xì)骨料的試驗(yàn)檢測結(jié)果見表2，粗骨料的試驗(yàn)檢測結(jié)果見表3。

表2 試驗(yàn)檢測項(xiàng)目表

表3 試驗(yàn)檢測項(xiàng)目表

試驗(yàn)結(jié)果表明:用于混凝土配合比設(shè)計(jì)所使用的砂石骨料滿足合同文件的相關(guān)要求，品質(zhì)檢驗(yàn)合格。

3.3 超塑化劑

為了配制高強(qiáng)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(chǎn)的PCA(I)超塑化劑。根據(jù)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(fù)合添加劑，具有大減水、高保坍、高增強(qiáng)等功能，適用于配制高耐久、高流態(tài)、高保坍、高強(qiáng)以及對(duì)外觀質(zhì)量要求高的混凝土工程，常用摻量(按重量計(jì))為膠凝材料用量的0.6% ～1.2%，配制超高強(qiáng)混凝土?xí)r，摻量可提高到1.3% ～1.8%。

根據(jù)BS EN934－2:2001的規(guī)定，超塑化劑的試驗(yàn)檢測項(xiàng)目為減水率，7 d、28 d抗壓強(qiáng)度比，新鮮混凝土的含氣量等。超塑化劑的試驗(yàn)檢測結(jié)果見表4。

試驗(yàn)結(jié)果表明:PCA(I)滿足BS EN 934－2:2001的規(guī)定，品質(zhì)檢驗(yàn)合格。

3.4 硅 粉

進(jìn)行硅粉混凝土配合比設(shè)計(jì)所使用的硅粉為山西凱迪建材有限公司生產(chǎn)的KD－12型硅粉。根據(jù)合同文件的規(guī)定，硅粉的試驗(yàn)檢測項(xiàng)目為絕對(duì)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(zhì)應(yīng)符合BS EN 13263:2005，ASTM C1240－05或者 ASlNZ 3582.3– 2002的規(guī)定。

表4 超塑化劑的試驗(yàn)檢測結(jié)果(相同坍落度法)表

硅粉試驗(yàn)檢測結(jié)果見表5。

表5 硅粉試驗(yàn)檢測結(jié)果表

試驗(yàn)結(jié)果表明:硅粉的品質(zhì)滿足合同文件的規(guī)定，品質(zhì)檢驗(yàn)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(nèi)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(yàn)結(jié)果表明:該水質(zhì)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(yǎng)護(hù)用水。

根據(jù)合同文件第三卷第十章第10.3.8條的規(guī)定，混凝土(砂漿)的拌和用水和養(yǎng)護(hù)用水應(yīng)按照BS EN 1008:2002進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)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(yǎng)護(hù)用水的水源。該飲用水的水質(zhì)分析試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 水質(zhì)分析試驗(yàn)結(jié)果表

4 混凝土配合比設(shè)計(jì)

2009年1月10日至2月2日，在SMEC監(jiān)理工程師的現(xiàn)場見證下，我們采用上述原材料進(jìn)行了M80/A20泵送硅粉混凝土的配合比設(shè)計(jì)，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(yàn)項(xiàng)目包括坍落度、含氣量、3 d、7 d、28 d 抗壓強(qiáng)度以及28 d、56 d 干縮試驗(yàn)。其主要試驗(yàn)檢測結(jié)果見表7。

由于混凝土的坍落度、抗壓強(qiáng)度、干縮試驗(yàn)結(jié)果均滿足合同文件的規(guī)定(含氣量指標(biāo)未作要求)，監(jiān)理工程師批準(zhǔn)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(fù)。

表7 混凝土試驗(yàn)檢測結(jié)果表

5 硅粉混凝土的施工

硅粉混凝土的配料、拌和、運(yùn)輸、澆筑、養(yǎng)護(hù)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?xí)r，其拌和時(shí)間應(yīng)較普通混凝土長。

澆筑混凝土前，應(yīng)做好各方面的準(zhǔn)備工作，任何延誤和中途停頓都會(huì)對(duì)工程質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。在混凝土的運(yùn)輸過程中，要避免混凝土產(chǎn)生離析，澆筑時(shí)應(yīng)盡可能把混凝土拌和物鋪放在澆筑地點(diǎn)，盡可能避免二次倒運(yùn);同時(shí)，混凝土的拌和生產(chǎn)速度應(yīng)與現(xiàn)場的混凝土實(shí)際澆筑速度相匹配，應(yīng)避免將硅粉混凝土長時(shí)間存放在料罐內(nèi)，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(chǎn)生的裂縫，硅粉混凝土澆筑完畢后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)(早期為避免陽光直射，混凝土表面應(yīng)用草袋、麻袋等覆蓋)，以保持混凝土表面經(jīng)常濕潤為原則，并應(yīng)適當(dāng)延長養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

6 結(jié)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(qiáng)度混凝土已不再是難事。由于硅粉對(duì)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(dāng)混凝土表面水分損失(水分蒸發(fā))的速率高于內(nèi)部水分遷移到表面(泌水)的速率時(shí)，混凝土將會(huì)產(chǎn)生塑性收縮裂縫。因此，必須做好硅粉混凝土的養(yǎng)護(hù)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(fēng)天氣情況下，要對(duì)新澆硅粉混凝土進(jìn)行表面覆蓋，及時(shí)進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，防止水分蒸發(fā)，避免硅粉混凝土發(fā)生塑性收縮裂縫。