CN101538137A

CN101538137A - 一种高强度硅粉混凝土及施工工法

Info

Publication number: CN101538137A
Application number: CN200910059058A
Authority: CN
Inventors: 吴运华; 耿震; 冉蓉; 谢英奎; 詹光文; 张家富
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-04-24
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2009-09-23

Abstract

本发明公开了一种高强度硅粉混凝土及其施工工法，以原材料的优先选择、配合比的优化设计为立足点，通过采取选择中热或低热水泥、以粉煤灰、硅粉等活性矿物料双掺取代部分水泥、掺加复合型高效减水剂、掺加纤维等手段，尽可能减少水泥用量，降低混凝土绝热温升，极大的克服了硅粉混凝土自身存在的弊端，改善了混凝土的早期抗裂性能，充分发挥硅粉的填隙效应、火山灰反应性质。本发明在保证混凝土强度的同时，有效避免硅粉混凝土施工中早期开裂的技术难题。

Description

一种高强度硅粉混凝土及施工工法

技术领域

本发明涉及一种混凝土及施工工法，尤其是高强度硅粉混凝土及施工工法，属于建筑工程技术领域。

背景技术

目前，水利水电工程中的冲砂建筑物、泄洪建筑物、引水建筑物，由于存在推移质或悬移质的作用，同时运行期往往使用较频繁，加之流速较高，极易造成磨蚀破坏，维修频繁且维修费用高。为延长建筑物的使用寿命，减少维修费用，往往采取在混凝土中掺加硅粉，从而获得高强度、抗冲磨、抗空蚀、抗磨蚀的混凝土。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。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开了一种高强度硅粉混凝土及其施工工法。能保证混凝土强度的同时，有效避免硅粉混凝土施工中早期开裂的技术难题。

为此，本发明采用如下技术方案：

一种高强度硅粉混凝土，该高强度硅粉混凝土由如下材料组成：

胶凝材料中各组分所占胶材总量的百分比为：

粉煤灰： 10～20％；

硅粉： 5～8％；

减水剂： 0.6～0.8％；

水泥： 75～83％；

其他组分为：

骨料： 1000～1100kg/m³混凝土，中石与小石各占50％；

砂率： 38～44％；

聚丙烯纤维：0.8～1.2kg/m³混凝土；

其中水胶比为0.4。

另外，硅粉二氧化硅中含量≥85％，而减水剂为聚羧酸减水剂，水泥为低热或中热水泥。

该高强度硅粉混凝土的施工工法按如下步骤进行：

a.了解技术要求，确定混凝土的设计强度等级，进行材料调查，根据工程实际情况确定混凝土浇筑方案；

b.根据实际情况和经验首次确定配合比，搅拌混凝土并进行检测，不符合指标要求则重新修改配合比，再次搅拌并检测直到符合要求，从而确定施工配合比；

c.施工配合比确定后，进行混凝土拌制：

混凝土拌和投料顺序：

投入骨料→投入砂，同时投入纤维→加水→投入水泥、粉煤灰→加硅粉浆液→加聚羧酸减水剂；

聚丙烯纤维采用电子称计量分袋，人工在配料机处拆包添加；

硅粉投入混凝土之前，先将硅粉配制成固体含量为30％的悬浮颗粒硅粉浆液；

骨料按1000～1100kg/m³混凝土投入，其中骨料中石和小石各占50％；投砂量为沙石总量的38～44％；另外按0.8～1.2kg/m³混凝土加入聚丙烯纤维；按水胶比0.4加水；按胶材总量的75～83％加水泥；将占胶材总量的10～20％粉煤灰投入；将硅粉浆液按干粉占胶材总量为5～8％的比例投入；聚羧酸按0.6～0.8％的比例投入；

拌和时间为150s～240s；

d.混凝土运输：将拌和好的混凝土用9m³罐车水平运送到施工现场；

e.入仓浇筑：采用拖式混凝土泵泵送入仓中，一次铺料厚度≤60cm；

f.平仓振捣：振捣厚度≤60cm，入仓后要及时摊铺，振捣时间比普通混凝土适当延长，使内部空气完全排出，振捣过程中配备专人在模板外轻敲模板，帮助气泡排出，以混凝土不明显下沉、不出气泡、开始泛浆为止；

g.仓内冷却水管通水冷却：预先在混凝土中埋设冷却水管，浇筑同时通水冷却；

h.混凝土养护：采取挡风措施，喷雾保持浇筑面湿润，表面始终处于饱水潮湿状态21～28天。

其中，材料调查包括粗细骨料的级配、超逊径、密度、孔隙率、压碎指标、坚固性、水泥及粉煤灰检测、外加剂检测等材料的常规数据，以掌握材料的基本性能。而聚羧酸在拌和高强度硅粉混凝土时，由拌和站内设置的一外加剂池计量泵计量送入拌和站中。而混凝土拌和中加入的水为地下水或自然水。

本发明以原材料的优先选择、配合比的优化设计为立足点，通过采取选择中热或低热水泥、以粉煤灰、硅粉等活性矿物料双掺取代部分水泥、掺加复合型高效减水剂、掺加纤维等手段，尽可能减少水泥用量，降低混凝土绝热温升，极大的克服了硅粉混凝土自身存在的弊端，改善了混凝土的早期抗裂性能，充分发挥硅粉的填隙效应、火山灰反应性质。并直接采用地下水或自然水拌和，仓内布设冷却水管降温，后期采取洒水湿养护即可使主体结构安全顺利建成。节约了一套制冰系统的建设和高昂的运行费用，施工简便，造价省，并且有效解决了早期开裂的技术难题。

具体实施方式

下面我们结合具体实施例来做进一步说明。

瀑布沟水电站泄洪洞工程位于瀑布沟水电站左岸，是瀑布沟水电站主要的泄洪建筑物之一。泄洪洞布置于左岸花岗岩体内，洞线顺直，方位角N60°30′W。泄洪洞由进口、隧洞、出口等三部分建筑物组成。泄洪洞最大泄洪流量3412m³/s，最大流速42m/s。由于溢洪道高程较高，瀑布沟水库在低水位时主要使用泄洪洞泄洪，泄洪洞泄流量巨大，泄洪功率非常大。泄洪洞运行时，洞内高速水流会对混凝土衬砌结构产生强烈的冲磨、空蚀作用，泄洪洞衬砌混凝土抗冲耐磨问题非常突出。

瀑布沟泄洪洞工程设计采用90d抗压强度C50硅粉混凝土，并经过试验研究，最终采用的高强度硅粉混凝土施工配合比如下：

组分用量(kg/m³混凝土) 比例

粉煤灰： 63 14.9％(占胶材总量)；

硅粉： 21 5％(占胶材总量)；

聚羧酸： 2.95 0.7％(占胶材总量)；

水泥： 337 79.5％(占胶材总量)；

水： 160(水胶比0.38)；

骨料： 532(中石)，532(小石)；

砂： 701(砂率0.4)；

聚丙烯纤维： 0.9。

水泥：

水泥选用中热硅酸盐水泥，等级应不低于P.O42.5MPa；特别是宜选用低碱含量、低水化热的水泥品种，这对改善混凝土的水化热温升，防止混凝土裂缝大有益处。

粉煤灰：

高标号混凝土强度的提高必将使单位混凝土的水泥用量增加，从而导致混凝土绝热温升的增加。采用粉煤灰等活性矿物料取代部分水泥，尽可能减少水泥用量，可以显著降低混凝土绝热温升、降低水化热和混凝土自收缩，从而减轻温控负担，降低混凝土出现裂缝的风险。通过掺加粉煤灰，还可使硅粉混凝土具有良好的和易性及流动性，以满足工程现场泵送施工的要求。

而不同粉煤灰掺量对硅粉混凝土性能产生不同影响，不同粉煤灰掺量对硅粉混凝土性能产生的影响见表1、表2、表3。

表1、不同粉煤灰掺量对硅粉混凝土性能的影响

表2、不同粉煤灰掺量对硅粉混凝土性能的影响

表3、水泥水化热试验值(Kj/Kg)

由此可看出，当粉煤灰掺量由8％增加至16％时，硅粉混凝土的抗压强度(7d和28d)逐渐降低，但降幅不大。由于粉煤灰的后期效应，90d混凝土抗压强度接近，粉煤灰掺量变化由8％增加至16％对混凝土后期强度无影响。由表2可以看出，采用一定数量的粉煤灰、硅粉替代水泥能显著的降低水泥的水化热。因此，粉煤灰的掺量在10％～20％之间均可以。

硅粉：

在混凝土中加入硅粉，由于硅粉粒度极小，平均粒径0.1-0.15um，约为水泥颗粒直径的1/200-1/300，加入到混凝土中，能很好的填充水泥和粉煤灰颗粒之间的间隙，使浆体更致密，从而能大幅度提高混凝土的综合性能。硅粉具有极大的比表面积和火山灰反应性质。火山灰反应性质使硅粉具有胶凝材料的作用。因此，硅粉是配制高强度、抗磨蚀混凝土不可缺少的材料之一。硅粉在水泥水化的过程中发生火山灰反应，能与游离的Ca(OH)₂结合形成稳定的硅酸钙水化合物，构成少含或不含Ca(OH)₂、不易渗透的水泥石结构，该水化物的凝胶强度高于Ca(OH)₂晶体。故加入硅粉后的混凝土强度有较大幅度的提高。硅粉在水中易形成-Si-OH基，具有较强的亲水性，能增强混凝土的耐冷热性能，延长制品的寿命。

硅粉的性能指标需满足以下要求：

SiO₂含量：≥85％；

含水率：≤3％；

火山灰活性指数：≥85％；

45μm湿筛筛余：≤10％，或BET氮吸附比表面积：≥15％；

需水比：≤125％；

烧失量：≤6。

不同硅粉掺量对混凝土性能的影响见表4、表5：

表4、不同硅粉掺量对混凝土性能的影响

表5、不同硅粉掺量对混凝土性能的影响

由表4、表5可以看出，当硅粉掺量由6％增加至10％时，混凝土的抗压强度变化不大，28d以硅粉掺量8％的抗压强度稍高，90d抗压强度基本持平。随着硅粉掺量的增加，混凝土干缩变形逐渐增大，28d硅粉掺量10％的干缩值比硅粉掺量6％的干缩值增加了7.8％。因此，硅粉的适宜掺量则为5％～8％。

减水剂：

高标号混凝土由于存在单位混凝土水泥用量的增加以及硅粉具有极大的比表面积特性，导致混凝土需水量的增加，从而导致混凝土的水化热和收缩增加。为降低混凝土水化过程中的干燥收缩，需要选用高效减水剂减少混凝土的加水量，从而获得低水胶比混凝土。低水胶比混凝土存在凝结硬化快的特点，因此需要添加缓凝剂以满足施工需要。同时，高标号混凝土存在内部结构形成的速率大于抗拉强度的增长速率，弹性模量的增长大于抗拉强度的增长比一般混凝土要快，在相同的收缩应变下，内部则产生更大的拉应力，因此需要添加膨胀剂、保塑剂(或增塑剂)。为满足泵送的需要，需要添加泵送剂。由于外加剂品种繁多，施工过程中容易漏加或少加，宜选用复合型高效减水剂。聚羧酸JM-PCA(IV)高效减水剂，具有减缩、抗裂、增强的功能，减水率高达30％。江苏博特聚羧酸JM-PCA(IV)减水剂的各项性能指标必须满足《聚羧酸系高性能减水剂》Q/3200JJK012-2004的要求和《混凝土外加剂国家标准》GB8076-1997高效减水剂的要求。聚羧酸JM-PCA(IV)减水剂的适宜掺量为0.6％～0.8％。

纤维：

经过试验研究表明，在硅粉混凝土中掺加聚丙烯纤维、或矿物纤维、或钢纤维能很好的改善混凝土的抗裂性能，降低混凝土的干缩值，提高硅粉混凝土的抗冲击性能。但在需要人工抹面收光的部位，采用钢纤维会造成抹面收光十分困难，应谨慎使用。聚丙烯纤维、矿物纤维的适宜掺量为0.8Kg/m³～1.2Kg/m³

骨料：

混凝土中最大粗骨料粒径与最多粗骨料用量，主要取决于结构物尺寸与其钢筋的间距。瀑布沟水电站泄洪洞工程抗冲耐磨硅粉混凝土主要为二级配。因此，对采用的花岗岩人工骨料进行了二级配的最佳级配选择试验。选择当振实容重最大，空隙率最低时的骨料级配为最佳级配。

表6、粗骨料最佳级配试验

由表6中试验结果可知，粗骨料的最佳级配为中石∶小石＝50∶50。

水胶比和砂率：

混凝土合理的砂率值能使其拌和物获得最大的流动度、且能保持良好的粘聚性和保水性。在确定混凝土配合比时须选择最佳砂率，最佳砂率是由混凝土所组成的原材料特性并包括粗骨料粒径级配、细骨料粒径级配、细度模数及石粉含量等综合因素所决定的，是在混凝土拌和物具有良好的活易性并达到施工所要求的坍落度时的砂率。

表7、二级配泵送混凝土最佳砂率选择试验结果

由表7可知，水胶比为0.40时，最佳砂率为42％。

具体实施例瀑布沟泄洪洞工程中二级配硅粉混凝土试验所得水胶比为0.38。

聚羧酸JM-PCA(IV)型高效减水剂：

高标号的抗冲耐磨混凝土胶材用量较多，混凝土水化温升过高，采用传统的萘系减水剂，虽具有价格优势，但性能单一，需多种不同功能的外加剂进行复配，施工工艺复杂，且浇筑的混凝土根据完建的工程施工经验，混凝土出现了较多裂缝，后期处理费用高昂。在选择硅粉混凝土外加剂时，应根据硅粉混凝土所具有的不同于常规混凝土的特性选择复合型外加剂。瀑布沟泄洪洞工程硅粉混凝土选用的聚羧酸JM-PCA(IV)型高效减水剂在工程应用中获得了成功，拌制的混凝土施工性能好，混凝土裂缝得到很好控制。

聚羧酸JM-PCA(IV)型高效减水剂是江苏建筑科学研究院建筑材料研究所研制开发的新产品，是以羧酸类接枝聚合物为主体的复合添加剂，具有大减水、高保坍、减缩、抗裂、增强的功能。其主要技术特性为：

1)、大减水，混凝土减水率高达30％以上；

2)、高保坍，混凝土2小时坍落度基本不损失，且几乎不受温度变化的影响；

3)、活易性好，JM-PCA(IV)型高效减水剂抗泌水、抗离析性能好，混凝土泵送阻力小，便于输送；混凝土表面无泌水现象、无大气泡、色差小、混凝土外观质量好；

4)、具有低收缩、低徐变与低水化放热率的技术优势。在相同水灰比与坍落度下，可减少水与水泥用量，可降低混凝土水化温升和降低混凝土的干缩，对防止混凝土出现裂缝有一定作用。同时，由于降低了混凝土的胶材用量，增加了混凝土的骨料份量，提高了混凝土的抗冲耐磨能力。

5)、早强效果好，在标养条件下，其一天强度为基准强度的242％。

6)、无毒、无味，对钢筋无锈蚀危害；

7)、使用方便，可与水泥、砂、石子等原材料一起加入搅拌机中搅拌，不需预先溶解。

施工比确定后，进行混凝土拌制：

混凝土拌和投料顺序为：投入骨料→投入砂，同时投入纤维→加水→投入水泥、粉煤灰→加硅粉浆液→加聚羧酸减水剂。

注意的是，聚丙烯纤维采用电子称计量分袋，人工在配料机处拆包添加。而硅粉则需要先配制成固体含量为30％的悬浮颗粒硅粉浆液。

骨料里中石和小石均按532kg/m³混凝土投入，投砂量701kg/m³混凝土投入，聚丙烯纤维按0.9kg/m³混凝土投入，按160kg/m³混凝土加自然水或地下水，按337kg/m³混凝土加入水泥，按63kg/m³混凝土投入粉煤灰，将硅粉浆液以干粉形态为21kg/m³混凝土(占胶材总量的5％)投入，硅粉浆液用污水泵输送至浆液称计量，聚羧酸按2.95kg/m³混凝土投入，拌和时间为150s～240s。

拌和好的混凝土用9m³罐车水平运送到施工现场；由于硅粉混凝土较粘稠，为避免坍落度损失，应避免提前在站内拌料存储；混凝土出机后尽量缩短运输中转时间，尽快到达仓面。

入仓浇筑时，采用HBT60A拖式混凝土泵泵送入仓中。同时严格控制混凝土下料高度，防止混凝土骨料分离。

为减少混凝土浇筑过程中出现的表面气泡，减少高流速水道的气蚀源，混凝土铺料层厚及振捣厚度应严格控制。一次铺料厚度不宜大于60cm，以防止气泡排除困难。入仓后要及时摊铺，振捣时间比普通混凝土适当延长，使内部空气完全排出，振捣过程中配备专人在模板外轻敲模板，帮助气泡排出。以混凝土不明显下沉、不出气泡、开始泛浆为止。当遇到振捣器无法振捣的部位，必须人工捣固，使其密实。

由于硅粉混凝土的干缩在混凝土处于塑性阶段就开始产生，特别是表面的细微干缩裂纹，在混凝土终凝前就可以用肉眼观察到，若不及时消除，则中后期这些表面裂纹就可能发展成裂缝。尤其在底板混凝土浇筑施工中应该注意复振压面。采取复振压面施工工艺可以使已经出现的干缩裂纹闭合，从而减少高标号硅粉混凝土的裂缝。

为控制混凝土浇筑后的最高温升，要预先在混凝土中埋设冷却水管，浇筑同时仓内冷却水管通水冷却。

最后，混凝土要养护。为防止硅粉混凝土产生早期塑性开裂，浇筑过程中发现表面发白或表面蒸发速度大于0.5kg/(m²·h)时，要采取挡风措施，喷雾保持浇筑面湿润。

硅粉混凝土抹面时间通过现场试验确定，抹面时必须用力将浆液提出表面。

要确保早期潮湿养护，使表面始终处于饱水潮湿状态21天以上；如遇干燥炎热气候条件，应延长至28天。潮湿养护可有效的防止裂缝的发生，同时也为混凝土的后期水化反应提供必要的水分，有利于混凝土后期强度的增长。

经计算瀑布沟泄洪洞工程高峰月平均浇筑量为7800m³，使用一套HZ90-2F1500型拌和站，其标准产量为90m³/h，即能满足混凝土浇筑需要。

采用本发明后，混凝土现场取样试验，90天抗压强度值达到61.4Mpa，并满足设计要求的各项物理力学性能，混凝土表面平整、光洁，基本没有出现裂缝，工程质量优良率达98％以上，混凝土的最终施工质量得到一致好评。

Claims

1.一种高强度硅粉混凝土，其特征在于，该高强度硅粉混凝土由如下材料组成：

胶凝材料中各组分所占胶材总量的百分比为：

粉煤灰： 10～20％；

硅粉： 5～8％；

减水剂： 0.6～0.8％；

水泥： 75～83％；

其他组分为：

骨料： 1000～1100kg/m³混凝土，中石与小石各占50％；

砂率： 38～44％；

聚丙烯纤维： 0.8～1.2kg/m³混凝土；

其中水胶比为0.4。

2.根据权利要求1所述一种高强度硅粉混凝土，其特征在于，减水剂为聚羧酸减水剂。

3.根据权利要求1所述一种高强度硅粉混凝土，其特征在于，硅粉中二氧化硅含量≥85％。

4.根据权利要求1所述一种高强度硅粉混凝土，其特征在于，水泥为低热或中热水泥。

5.根据权利要求1所述一种高强度硅粉混凝土的施工工法，其特征在于，该施工工法按如下步骤进行：

c.施工配合比确定后，进行混凝土拌和：

混凝土拌和投料顺序：

拌和时间为150s～240s；

d.拌和好的混凝土用9m³罐车水平运送到施工现场；

e.入仓浇筑时，采用拖式混凝土泵泵送入仓中，一次铺料厚度≤60cm；

6.根据权利要求5所述一种高强度硅粉混凝土施工工法，其特征在于，所述的聚羧酸在拌和高强度硅粉混凝土时，由拌和站内设置的一外加剂池计量泵送入拌和站中。

7.根据权利要求5所述一种高强度硅粉混凝土施工工法，其特征在于，所述材料调查包括粗细骨料的级配、超逊径、密度、孔隙率、压碎指标、坚固性、水泥及粉煤灰检测、外加剂检测等材料的常规数据，以掌握材料的基本性能。

8.根据权利要求5所述一种高强度硅粉混凝土施工工法，其特征在于，混凝土拌和中加入的水为地下水或自然水。