硅粉混凝土在水电工程中的应用.pdf

第2 9卷 第 4期 2 0 0 7年 4月 水利 电力机械 W AT ER C0NS ERVANCY & EL ECTRI C POW ER MACHI NERY Vo 1 2 9 No 4 Ap r 2 0 07 硅粉混凝土在水电工程中的应用 Ap p l i c a t i o n o f t h e s i l i c o n p o wde r c o n c r e t e i n h y d r o e l e c t r i c e n g i n e e r i n g 赵增华， 袁跃军 ( 云南恒诚建设监理咨询有限公司， 云南 昆明6 5 0 0 5 1 ) 摘要： 介绍 了硅粉混凝土在我国水电工程中的应用状况， 论述了硅粉的性能特点和硅粉混凝土的施工工 艺。在此基础上， 分析 了硅粉混凝土裂缝和冲蚀产生的原因， 提 出了解决裂缝和冲蚀的相应措施和处理方 法 。 关键词 ： 硅粉 混凝 土； 水 电工程 ； 应 用 中图分类号： T U 5 2 8 1 ： T V 5 4 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 6 6 4 4 6 ( 2 0 0 7 ) ( ) 4 0 0 8 2 0 4 1 国内硅粉混凝土在水 电工程 中的应用情况 2 0世纪 8 0年代以来 ， 硅粉混凝土在我国水电工 程中得到了广泛的应用。但硅粉混凝土具有和易性 差 、 施工难度大、 易产生裂缝等特点 ， 如果混凝 土表 面平整度未达到设计要求或者裂缝未及时修补 ， 将 会被高速水流破坏而产生严重后果 。本文从硅粉混 凝土特点 、 硅粉混凝土施工工艺 、 硅粉混凝土的裂缝 防治方法 以及硅粉混凝土冲蚀破坏 问题等方面进行 了总结。 我国的一些科研单位研究结果表 明， 在水 泥用 量相 当的情况下， 掺入硅粉可大幅度提高 固化物的 抗拉、 抗压、 抗冲击强度和耐磨性能， 抗冲磨能力可 提高 0 5 2 5倍 ， 抗 空蚀强度可提高 1 6倍 以上。 在混凝土 中掺入硅粉 ， 不仅仅只是 为了提高混凝土 的抗压强度 ， 最主要 的是它能够显著地提高混凝 土 的抗冲耐磨能力， 尤其是能够大幅度提高混凝土的 抗空蚀能力。硅粉混凝土先后在李家峡、 葛洲坝 、 刘 家峡、 龙羊峡 、 二滩 、 小浪底等许 多工程 中都得 到 了 应用 ， 充分说明了这一点。 强度等级在 4 0 MP a以下 的混凝土在我 国已普 遍使用， 并具有丰富的施工经验和研究成果。但大 体积 、 大范围使用 7 0 MP a硅粉混凝土 ， 在我 国水 电 工程中还较少使用。在黄河小浪底孔板( 导流) 洞闸 室以下洞身段 、 排沙洞明流段 、 明流洞和溢洪道等工 程部位均使用了 C 7 0高标号硅粉混凝土。 2 硅粉的主要性能特点 ( 1 ) 硅粉是一种物理性质、 化学性质均十分稳定 的中性无机填料 ， 不含结 晶水 ， 不参与 固化反应 ， 不 影响反应机理。 ( 2 ) 硅粉加入混凝土中可以填充颗粒空隙， 提高 体积密度和降低孔隙率。同时， 硅粉在混凝土中具有 火山灰反应， 硅粉水化形成的富硅凝胶， 强度高于 C a ( O H) 晶体 ， 与水泥水化凝胶 Cs H共同工作。 ( 3 ) 硅粉对各类树脂有 良好的浸润性 ， 吸附性能 好， 易混合， 不产生结团现象。 ( 4 ) 硅粉粒度大小分布合理 ， 致密性强 ， 硬度大 ， 耐磨性能好， 可大幅度提高固化物的抗拉、 抗压、 抗 冲击强度和耐磨性能 ( 抗冲磨能力能可提高 0 5 2 5倍) 。 ( 5 ) 能增大导热系数， 改变胶粘生和增加阻燃性能。 ( 6 ) 能降低环氧树脂固化反应的放热峰温度 ， 降 低固化物 的线膨胀 系数和 固化物的收缩率 ， 从而消 除内应力 ， 防止开裂。 ( 7 ) 由于硅粉 的粒度细， 分布合理 ， 能有效地减 少和消除沉淀 、 分层现象。 ( 8 ) 硅粉质纯， 杂质含量低 ， 物化性能稳定， 使固 收稿 E l 期 ： 2 0 0 7 0 1 2 5 作者简介： 赵增华( 1 9 7 1 一) ， 男， 云南鹤庆人， 云南恒诚建设监理咨询有限公司工程师， 从事水电站施工建设与工程监理方面的工作。 维普资讯 第2 9 卷第4 期 赵增华， 等： 硅粉混凝土在水电工程中的应用 8 3 化物具有 良好 的绝缘性能和抗 电弧性能。 ( 9 ) 硅粉的化学成分为二氧化硅( S i 0 ) ， 属惰 性物质 ， 与大部分酸 、 碱不起化学反应。硅粉均匀分 布 、 覆盖在物件表面 ， 具有较强 的抗腐蚀性 ， 抗空蚀 能力可提高 3 1 6 倍。 ( 1 0 ) 硅粉堆积 密度 小 ， 一 种在 0 20 8 t m 之间， 另一种在 1 0 2 2 t m 之间。作为聚合物填 充材料 ， 较其他矿物性填 品用量少 ， 装载质量小 ， 节 省聚合物用量 ， 因此 ， 可降低产品成本。 ( 1 1 ) 抗冻性。硅粉在经过 3 0 0 5 0 0次快速冻 解循环， 相对弹性模量降低 1 0 2 0 ， 而普通混 凝土通过 2 5 5 0次循环， 相对弹性模量降低为 3 0 7 3 。因此， 可以提高混凝土的抗冻性。 ( 1 2 ) 早强性。硅粉混凝土使诱导期缩短 ， 具有 早强的特性。 3 硅粉混凝土的施工工艺 ( 1 ) 硅粉混凝土的拌和。用搅拌机拌和， 按配 方将材料准确称量， 投料次序为水一石子一砂一水 泥一硅粉一外加剂， 最好使用强制式搅拌机并比普 通混凝土多搅拌 2 03 0 s出机。混凝土拌好的特征 是各种材料拌和均匀， 流动性好， 不离析， 塌落度控 制在设计范 围内。 ( 2 ) 硅粉混凝土的运输 。拌好 的硅粉混凝 土水 平运输和垂直运输时间应尽量缩短， 具体时间应通 过试验确定 。 ( 3 ) 硅粉混凝土的人仓浇筑。浇筑过程应 一次 浇完 ， 不得中途停 止。由于机械故障等原 因产生冷 缝 ， 应停止浇筑 ， 待先浇混凝土具有一定强度 ( 一般 等 2 4 h后 ) ， 按施工缝处理后 ( 处理方法与基面处理 相同) 再浇筑剩余部分混凝土。浇筑宜从左或右向 一 个方向台阶式人仓 ， 经平仓后 ， 先用插入式振捣器 或高频振捣器振捣 ， 振捣时间较普通混凝土稍长一 些 ， 要振捣密实不能漏 振。水平 面用平板振捣器提 浆 ， 平仓振捣后收抹 面的工人应抓紧拍打出浆并抹 面， 一般应收抹 34次 ， 使其表 面光滑平整 ， 无 空 洞 、 麻面和贯穿性裂缝 ， 不平整度控制在 5 1T I 1T I 以内。 隧洞底拱弧面用人工按样架抹面收光。 ( 4 ) 养护。新浇硅粉混凝土经振捣收抹后停 1 3 h ( 根据现场气温具体确定) ， 立即喷养护剂( 在 小浪底导流洞得 到成 功应用 ) 或加盖塑料 薄膜 ， 防 止雨淋和表面蒸发产生裂缝 ， 2 4 h内严禁人踩或堆 放杂物。经 3 6 4 8 h后 ， 去掉塑料膜 ， 加盖麻袋 ， 按 水工混 凝 土养 护 规程 及 时 洒 水养 护 或 自动 喷淋 养护。 4 硅粉混凝土的裂缝防治方法 ( 1 ) 黄河小浪底各工程部位 硅粉混凝土的裂缝 成因分析 ： 混凝土早期裂缝 主要与混凝土因水泥水 化热引起 的内外温差 和干燥 引起的 内外湿差 ( 特别 在拆模后 ) 有关。混凝土后期裂缝主要 由基础温差 引起 ， 与施工分块尺寸、 混凝土弹模 基岩弹模等因 素有关。 ( 2 ) 硅粉混凝土的裂缝处理措施。根据技术规 范要求 ， 凡是 裂缝宽度大于 0 5 1 T I 1T I 或是长度大于 1 5 1T I 的裂缝均应进行处理 。黄河小浪底泄洪工程 对 C 7 0高标号硅粉混凝土裂缝主要采用环氧树脂 和特细水泥注浆进行处理。 1 ) 环氧注浆处理。注浆材料为S i k a 7 5 2 环氧树 脂浆材和双组分化灌材料 ， 按 比例混合后 ， 可在 自然 状态下或潮湿的混凝土表面无 收缩固化。 裂缝处理步骤 ： 用冲击 钻沿裂 缝钻 孔 ， 孔径 6 1T I 1 T I 、 孔深 1 0 C 1T I 、 孔距 3 0 C 1T I 左右。 用高压风水枪 冲洗裂缝及周 围混凝土表面 ， 并用高压空气吹净缝 内积水。 在钻孔处安放灌浆嘴 。同时用 S i k a 7 3 1 环氧 砂浆封闭裂缝及灌浆嘴底座， 固化2 4 h 。 把分别包装的 S i k a 7 5 2 A， B 2种材料按2 ：1 的比例在于净的容器 内混合并搅拌 3 ra i n 。 用环氧注浆泵将拌合好的浆液注入裂缝内， 竖向缝 自下 而上 ， 水平 缝 自一 端 向另一端 ， 逐孔灌 注 ， 灌注压力为 0 4 0 6 MP a 。 在 自然状态下养护 ， 达到一定强度后 ， 用砂轮 机把表面打平磨光。 裂缝处理效果 ： 孔板 ( 导 流 ) 洞、 排沙洞泄槽段 均采用该方法进行处理 ， 在处理过 的裂缝 中进行 随 机取芯检查 ， 从芯样外观看 ， 灌注材料充满裂缝空隙 并与混凝土结合 良好。进行抗压试 验时 ， 满足混凝 土设计强度要求 。 2 ) 特细水 泥注浆处理 。注浆材料 为特细水泥 ( S i k a Mi k r o d u r RU) ， 因其 细度 ( 最 大颗粒 通 过 d 9 5 1 6 0 0 0 C 1T I g ) 有别于普通 水泥。使用时特细水泥添加 3 的外加剂( S i k a I n t r a p l a s t H E 5 0 ) 和水混合 。 裂缝处理步骤： 其施工方法及操作步骤与环氧 树脂灌浆类似， 不同的是环氧树脂灌浆沿缝面钻孔 插入灌浆管 ， 而特细水泥灌浆不需钻孔 ， 只需沿缝 面 维普资讯 8 4 水利 电力机械 2 0 0 7年 4月 每隔 3 0 5 0 e m安装一只管座 ， 管座上连接支管， 竖 直缝 自下而上， 水平缝从一端到另一端 ， 逐孔灌注 ， 灌浆压力约0 6 1 2 M P a 。 裂缝处理效果： 3条明流洞泄槽段裂缝采用该 方法处理， 根据取芯检查结果 ， 水泥变形与混凝土接 近 ， 进行抗压试验时 ， 满足混凝土设计强度要求。如 果有渗水 的裂缝采用特细水泥方法效果 要 比 S i k a 环氧树脂好 ， 但特细水泥方法价格 比 S i k a 7 5 2方法 高 3 0 左右。因此 ， 处理 C 7 0高标号硅粉混凝土裂 缝时应根据实际情况选择不同的修补材料和方法。 5 硅粉混凝土冲蚀破坏问题 尽管硅粉混凝土具有较高的强度 、 较高的抗 冲 耐磨性能和抗空蚀性能 ， 但是 ， 硅粉混凝土在工程中 的使用效果并没有人们预期的那样好， 究其原因是 硅粉混凝土所存在的缺点( 干缩裂缝问题未能解 决 、 硅粉混凝土存在早期塑性干缩问题 、 硅粉混凝土 施工难度大 、 硅粉混凝 土易产生温度裂缝 ) 会 在工 程应用中产生不容忽视的问题 ， 从而导致些工程 产生严重的破坏。 ( 1 ) 硅粉混凝土和易性差对抗空蚀和抗冲耐磨 性能的影响。? 昆 凝土和易性是混凝土配合 比设计 中 一 个重要的参数， 和易性差除造成施工难度加大以 外 ， 会造成混凝土施工质量波动大 、 蜂窝麻 面、 抹 面 困难 ， 影响混凝土质量的均匀性和表面的平整度。 抗冲耐磨混凝土的表面平整度和均匀性是一个 重要的技术指标 ， 对 于不能满足设计要求的混凝土 表面， 在高速水流的作用下 ， 会产生空蚀。一旦产生 了空蚀， 再好的材料都会产生空蚀破坏。防止空蚀 破坏除水流掺气以外 ， 就是要求 过水表面流线型并 且满足设计的平整度要求。因此 ， 硅粉混凝土表 面 平整度差 ， 直接影 响其抗空蚀性能。 表面平整度差的混凝土对于混凝土的抗冲磨性 能也有影响。因为表面的不平整 ， 会造成近壁水流 流态紊乱 ， 对混凝土形成不均匀磨损和淘刷 ， 同时会 引起水流 中推移质在混凝土表面的跳跃 、 冲砸 ， 加大 对混凝土 的冲刷磨损速度。 质量均匀性差的混凝土在水流的冲刷磨损作用 下， 耐磨性差的部位易磨损形成凹坑， 耐磨性能好的 部位不易被磨损而形成突起 ， 从而产生 了新的表面 不平整。显然 ， 这种不平整也会产生空蚀破坏。刘 家峡水电站左泄水道检修 门前产生的空蚀破坏 ， 是 由于普通混凝土在泥沙磨损和冲刷作用下产生的新 的表面不平整引起 的空蚀破坏 ， 使其后 的钢衬产生 很多孔洞。 ( 2 ) 硅粉混凝土的裂缝会影 响混凝土 的整体强 度。有人认为 ， 没有不裂的混凝土 ， 硅粉混凝土的裂 缝对其抗磨抗空蚀性 能影 响不 大 ， 可 以放心使用。 但从抗冲耐磨混凝土护 面材料 的运行环境和水流 ( 尤其是高速水流) 的特性、 对护面层的作用机理以 及硅粉混凝土的实际应用效果来分析 ， 不难发现这 种认识具有片面性。 1 ) 水流的脉动压力( 尤其是高速水流的脉动压 力) 是作用在抗冲磨护面板体上的不容忽视的作用 力 ， 设计中对于易产生裂缝 的护面整体的稳定性一 般均已考虑， 如果护面没有发生裂缝， 护面的稳定性 是没有 问题 的。当护面产生裂缝尤其是贯穿性裂缝 后 ， 这种作用力会产生严重 的后果。脉动压力会造 成裂缝端的应力集中， 使尚未贯穿的裂缝扩展甚至 形成贯穿裂缝。对于贯穿性裂缝， 混凝土整体被贯 穿裂缝分割成许多大小不 同、 质量不等的块体 ， 由于 各块体尺寸 、 质量的差异 ， 自振频率不同， 尽管有钢 筋的连接， 但在脉动压力作用下， 各块体会产生振幅 和频率各不相同的振动。由于这种振动的振幅一般 较小， 钢筋网在这种小振幅的作用下产生的应变很 小 ， 从而钢筋网中的应力也就较小 ， 即钢筋网对这种 振动的约束很小， 不能阻止或显著减小振动。这种 振动在钢筋 网中产生的脉动应力 ， 会使钢筋产生疲 劳而断裂， 最终使混凝土块体问失去钢筋网的约束 产生坍塌事故。 2 ) 裂缝会造成钢筋 的锈蚀 和混 凝土 的溶 出性 侵蚀， 较宽的裂缝会成为空化源引起空蚀破坏。裂 缝 中容易形成动水压力 ， 致使裂缝扩展 。应特别注 意掺气坎后水舌落点冲击压力区的裂缝以及挑射水 舌落点 的水垫塘区的混凝土裂缝 。 3 ) 抗冲耐磨护面层 的混凝 土一般均 是二次浇 筑层 ， 这层混凝土与基础混凝 土之问的粘结强度一 般较小 ， 如果浇筑中基面处理不当 ， 胶结面就是薄弱 环节 ， 加上混凝土干缩和温度应力产生的收缩会在 胶结层面产生较大的剪切应力 ， 容易导致混凝土沿 层面的裂缝 。当表层混凝土发生贯穿性裂缝后 ， 高 速水流沿裂缝产生的动水压力 ， 很容易使混凝 土沿 胶结层 面发生断裂 。如果发 生这种破坏 ， 其破坏往 往是非常严重的， 整个泄水道往往会产生席卷性 的 大面积揭面破坏 。产生这种破坏 的工程有李家峡水 电站泄水道底板护面整体被冲走和某工程泄洪洞硅 粉混凝土大面积底板和立墙的坍塌冲垮事故等。 4 ) 裂缝 的存在削弱了混凝土的整体强度 ， 当混 维普资讯 第2 9卷第4期 赵增华， 等： 硅粉混凝土在水电工程中的应用 8 5 凝土发生冲坑后 ， 高速水流在坑 的边沿会形成动水 压力和脉动压力， 在这种压力作用下， 被裂缝分割成 的小混凝土块体就容易被淘出冲走。 5 ) 在洞室 围岩破碎和 围岩压 力较大 的工程 以 及洞室外水压力较大 的工程 ， 裂缝会减小衬砌混凝 土的承载力， 降低结构的安全性。 6 ) 对于有压隧洞 ， 贯穿性裂缝会造成压力水沿 裂缝外泄 ， 对于围岩存在滑坡或岩体遇水泥化的工 程， 其危害就更大了。 6 结束语 硅粉混凝土在水 电工程 中得到了广泛 的应用 ， 但也存在一些不足 ， 如混凝 土和易性差 、 施工难 度 大、 易产生裂缝 ， 如果混凝土表面平整度未达到设计 要求或者裂缝未及时修补， 将会被高速水流破怀而 产生严重后果 。我们要认识到硅粉混凝土的这种特 点 ， 继续加大科研力度和总结工程经验 ， 改 良硅粉混 凝土的性能。随着科技 的进步 ， 寻找替代产品也许 是一条重要途径， 如有些文献上介绍的用 H F混凝 土代替硅粉混凝土等， 将具有重要的技术经济意义。 参考文献 ： 1 水利部黄河小浪底水利枢纽建设管理局企业规范 一 1 9 9 4 ， 黄河小浪底水利枢纽泄洪工程(标) 技术规范 s 、 2 水利部黄河水利委员会设计院、 黄河小浪底水利枢纽 温控观测及实施分析报告 R 郑州： 水利部黄河水利 委员会设计院， 1 9 9 9 3 支拴喜 工程设计 中选用抗冲耐磨混凝土护面材料的 几个要点问题 J 甘肃水利水电技术， 1 9 9 7 ， ( 2 ) ： 9 1 2 ( 编辑 ： 王书平) ( 上接 第7 2页) 图 1 安全 阀校正 仪安装示意 图 压泵给油缸系统加压， 如果油压未达到P 值就会发 出尖厉的“ 丝丝 ” 或“ 砰” 的声音时 ， 此时说 明原来 的 整定压力小于规定值 ， 需压紧调整螺母； 如果油压超 过 P 值时安全阀没有动作排汽的趋势， 此时说明原 来的调整压力大于规定值， 需松开压紧螺母， 直至安 全阀内发出尖厉 的“ 丝丝” 或“ 砰” 的声音时为止。 最终在运行的系统压力 P 稳定的前提下 ， 油压升到 P 时安全阀就起跳动作， 即说明校验完毕。随后慢 慢泄掉油压 ， 安全 阀就可以投入正常的运行状态。 5 4 使用注意事项 ( 1 ) 油压表量程应满足使用要求， 精度等级应 高于 0 4级。 ( 2 ) 打压时应稳稳缓慢压动液压泵手柄， 油路 不得有冲动现象， 减压不得过快。 ( 3 ) 校正时 ， 运行的系统压力P 必须稳定在某一 数值上， 以就地压力表为准， 精度等级高于0 4 级。 ( 4 ) 调整螺母的调整圈数大致可按下式计算 n= p s K S fp o ， 式中： 调整螺母时压紧或松开； p 。 调整螺母转一圈整定压力 P 的变化 值， M P a ； 卸 油缸油压的实际测量值与计算值的 差 ， MP a 。 ( 5 ) 为了验证校正的准确性 ， 应选择 1只安全阀 在实际压力下试跳， 用校正仪校验的安全阀的动作准 确性， 最终还得实际升压加以验证其起座的准确性。 6 结束语 用安全阀校正仪校验安全阀的起跳压力， 计算简 单、 快捷、 准确。与传统的实际压力下起跳校验安全 阀相比， 节省能源， 节省人力和时间， 安全性高， 校验 准确 ， 是 电站锅炉校验安全 阀必不可少的校验工具。 ( 编辑 ： 刘芳 ) 维普资讯