硅粉混凝土在護面材料選擇的規定原則與要求

由硅粉混凝土應用中存在的問題論高速水流護面材料選擇的原則與要求：

 1. 國內外硅粉混凝土在水工混凝土中的應用簡況

　　自八十年代初，美國在一些水工泄水建筑物的修補中采用高強硅粉混凝土作為維修材料使用成功之后。我國的一些科研單位從1985年也開始了對高強硅粉混凝土研究工作，研究結果表明，在水泥用量相當的情況下，摻入硅粉可使混凝土的抗壓強度提高1.3倍—2.3倍，抗水沙沖磨強度提高1.3倍—3.5倍，抗空蝕強度提高1.6倍以上，說明摻入硅粉，不僅僅只是為了提高混凝土的抗壓強度，最主要的是它能夠顯著的提高混凝土的抗沖耐磨能力，尤其是能夠大幅度的提高混凝土的抗空蝕能力。在研究的基礎上，硅粉混凝土被工程界逐漸接受并先后在龍羊峽水電站、李家峽水電站、葛洲壩、劉家峽、龍羊峽、二灘、小浪底等許多工程中都使用了硅粉混凝土。可以說，硅粉混凝土是目前國內水電工程中使用量比較大的抗沖耐磨材料。盡管如此，我們認為經過這么多年的應用和工程考驗，已經積累了比較多的資料，應該對硅粉混凝土的應用情況進行必要的總結和客觀的評價，這對提高抗沖耐磨材料的研究水平和高速含沙泄水建筑物護面抗沖磨抗空蝕的設計水平具有重要意義。

　　2　硅粉混凝土的主要缺點

　　隨著硅粉砼使用的增加，也逐漸暴露出一些問題，硅粉混凝土在使用中主要存在以下問題：

　　2.1 硅粉砼的干縮裂縫問題未能解決。據國內許多科研單位的研究資料，硅粉砼的干縮率尤其是早期干縮率較大，使硅粉砼在應用中易于出現干縮裂縫，影響其整體強度和使用效果。這一問題在施工后早期加強灑水養護可以有所減小，但在許多工程施工中裂縫仍不可避免。如龍羊峽、李家峽、二灘、小浪底、公泊峽水電站等許多工程在應用硅粉砼中均出現了裂縫問題，一些工程裂縫還比較嚴重。

　　2.2 硅粉砼存在早期塑性干縮問題。塑性干縮是指砼施工澆筑過程中，在砼凝結前，當表層水份的蒸發速度大于砼的泌水速度時，砼表面即出現干縮龜裂，甚至出現曬干發白現象。泌水速度越小，塑性干縮越嚴重。硅粉砼塑性干縮比較嚴重，主要原因是由于摻入硅粉后 ，砼幾乎不產生泌水。

　　2.3 硅粉砼施工難度大。硅粉混凝土施工和易性差，使砼不易振搗密實，不易收光抹面。在峻工驗收中，往往會發現硅粉砼蜂窩麻面較多，砼表面平整度差，一般不能滿足平度要求。

　　2.4 硅粉混凝土易產生溫度裂縫。硅粉混凝土早期強度發展很快，相應的混凝土的水化熱放熱速度很快，致使混凝土水化熱溫升高，在混凝土中容易產生較大的溫度應力，這一應力在干縮裂縫的頂端產生應力集中，使干縮裂縫擴展延伸甚至形成貫通性的裂縫。

　　2.5 硅粉顆粒細而輕，施工中易于產生揚塵和浪費，另外，由于硅粉容重小，盡管摻入混凝土中的量不大，但體積卻不小，堆存、稱重、摻加均比較困難（有些拌合系統無法加入），這也會影響混凝土的施工進度。

　　3　硅粉混凝土缺陷產生的危害

　　盡管硅粉混凝土具有較高的強度、較高的抗沖耐磨性能和抗空蝕性能，但是，硅粉混凝土在工程中的使用效果并沒有人們預期的好，其原因是硅粉混凝土所存在的以上缺點會在工程應用中產生不容忽視的工程缺陷，從而導致一些工程產生嚴重的破壞。

　　3.1 硅粉混凝土和易性差對抗空蝕和抗沖耐磨性能的影響 ：

      混凝土和易性是混凝土配合比設計中一個重要的參數，和易性差除造成施工難度加大以外，會造成混凝土施工質量波動大、蜂窩麻面、抹面困難，影響混凝土質量的均勻性和表面的平整度。

　　抗沖耐磨混凝土，表面平整度和均勻性是一個重要的技術指標，表面平整度不能滿足設計要求的混凝土表面，在高速水流的作用下，會產生空蝕，一旦產生了空蝕，再好的材料都會產生空蝕破壞，防止空蝕破壞，除水流摻氣以外，就是要求過水表面流線型并且滿足設計的平整度要求。因此，硅粉混凝土表面平整度差，直接影響了其抗空蝕性能。

　　表面平整度差的混凝土，對于混凝土的抗沖磨性能也有影響，因為，表面的不平整，會造成近壁水流流態紊亂，對混凝土形成不均勻磨損和淘刷，同時，會引起水流中推移質在混凝土表面的跳躍、沖砸，加大對混凝土的沖刷磨損速度。

　　質量均勻性差的混凝土，在水流的沖刷磨損作用下，耐磨性差的部位易于磨損形成凹坑，耐磨性能好的部位不易被磨下而形成突起，從而產生了新的表面不平整，我們稱其為再生不平整度。顯然，再生不平整度也會產生空蝕破壞的。劉家峽水電站左泄水道檢修門前產生的空蝕破壞，就是由于普通混凝土在泥沙磨損和沖刷作用下產生的再生不平整度引起的空蝕破壞，使其后的鋼襯產生很多孔洞引起的。

　　3.2 硅粉混凝土的裂縫會影響混凝土的整體強度。現在有些人認為沒有不裂的混凝土，硅粉混凝土的裂縫對其抗磨抗空蝕性能影響不大，可以放心使用。但從抗沖耐磨混凝土護面材料的運行環境和水流尤其是高速水流的特性以及對護面層的作用機理，從硅粉混凝土的實際應用效果來分析，不難發現這種認識是錯誤的。

　　3.2.1 水流的脈動壓力尤其是高速水流的脈動壓力是作用在抗沖磨護面板體上的不容忽視的作用力，設計中對于為產生裂縫的護面整體的穩定性一般均已考慮，即如果護面沒有發生裂縫，護面的穩定性是沒有問題的，但是，當護面產生裂縫尤其是貫通性裂縫后，這種作用力就會產生嚴重的后果。其一，脈動壓力會造成裂縫端的應力集中，使尚未貫通的裂縫擴展甚至形成貫通裂縫；其二，對于貫通性裂縫，混凝土板體被貫通裂縫分割成許多大小不同、質量不等的塊體，由于各塊體尺寸、質量的差異，自振頻率不同，盡管有鋼筋的連接，但在脈動壓力作用下，各塊體會產生振幅和頻率各不相同的振動，（由于這種振動的振幅一般較小，鋼筋網在這種小振幅的作用下產生的應變很小，從而鋼筋網中的應力也就較小，也就是說鋼筋網對這種振動的約束很小，不能阻止或顯著減小振動），這種振動在鋼筋網中產生的脈動應力，卻會致使鋼筋產生疲勞而斷裂，最終使混凝土塊體間失去鋼筋網的約束產生跨塌事故。

　　3.2.2 較寬的裂縫會成為空化源引起空蝕破壞。

　　3.2.3 裂縫會造成鋼筋的銹蝕和混凝土的溶出性侵蝕。

　　3.2.4 裂縫中容易形成動水壓力，致使裂縫擴展。對于摻氣坎后水舌落點沖擊壓力區的裂縫以及挑射水舌落點的水墊塘區的混凝土裂縫，這一問題就更應特別注意了。

　　3.2.5 抗沖耐磨護面層的混凝土一般均是二次澆筑層，這層混凝土與基礎混凝土之間的粘結強度一般較小，如果澆筑中基面處理不當，膠結面就更是薄弱環節了，加上混凝土干縮和溫度應力產生的收縮會在膠結層面產生較大的剪切應力，容易導致混凝土沿層面的裂縫。當表層混凝土發生貫通性裂縫后，高速水流沿裂縫產生的動水壓力，就很容易使混凝土沿膠結層面發生斷裂。如果發生這種破壞，其破壞往往是非常嚴重的，整個泄道往往會產生席卷性的大面積揭面破壞。產生這種破壞的工程有：李家峽水電站泄水道底板護面整體被沖走，某工程泄洪洞硅粉混凝土大面積底板和立墻的沖跨事故等。

　　3.2.6 裂縫的存在，消弱了混凝土的整體強度，當混凝土發生沖坑后，高速水流在坑的邊沿會形成動水壓力和脈動壓力，在這種壓力作用下，被裂縫分割成的小混凝土塊體就容易被淘出沖走。

　　3.2.7 在洞室圍巖破碎和圍巖壓力較大的工程以及洞室外水壓力較大的工程，裂縫會減小襯砌混凝土的承載力，降低結構的安全性。

　　3.2. 8對于有壓隧洞，貫通性裂縫會造成壓力沿裂縫水外泄，對于圍巖存在滑坡或巖體遇水泥化的工程，其危害就更大了。

　　對于硅粉混凝土出現的裂縫，一些工程采用環氧等材料進行灌漿處理，這對改善和減小裂縫對護面材料的影響有一定的作用，但是，由于裂縫的形狀、寬度、是否滲水或是否存在析出物等因素會影響灌漿的質量和效果，同時灌漿材料的彈模的大小一般與混凝土的彈模差異較大，也會影響灌漿材料對應力的傳遞，使灌漿后混凝土的整體性不可能達到未裂縫的混凝土護面的整體性。

　　一些工程為克服硅粉混凝土的裂縫問題，采用加聚丙稀纖維和鋼纖維的措施，實踐證明，效果并不理想，反而還降低混凝土的抗磨強度注1。一些工程在硅粉混凝土中摻加膨脹劑，對于克服硅粉混凝土的裂縫也無什么效果。實際上，不管加纖維還是加膨脹劑，由于都沒有改變硅粉混凝土易于裂縫的機理：極細的硅粉顆粒造成混凝土不易泌水——易產生塑性干縮，毛細孔隙減小，毛細孔壓力增大——使硅粉混凝土易于產生干縮，所以對改善硅粉混凝土抗裂性能作用不大。

　　4 抗沖耐磨混凝土選擇中的注意事項

　　眾所周知，高速水流的空蝕一旦產生，任何材料一般均會發生破壞，因此對于如何選擇減免空蝕破壞的工程措施，一般來說，首先在于防，即通過工程措施防止空蝕的發生，如采用給高速水流摻氣的工程措施減免空蝕，使結構體形流線化并限制過流表面的平整度等；其次才在于抗，即選擇抗磨抗空蝕性能好的材料，當空蝕產生后，使破壞的速度和危害盡可能的減小。那么選擇材料時應注意的事項應該也服從這一防和抗的關系，即以預防空蝕為主，以選材抵抗空蝕破壞為輔。具體的講，就是選擇抗磨抗空蝕材料時，首先應要求所選用的材料不能造成產生空蝕的條件：

　　4.1 混凝土護面應易于作面，以滿足設計要求的平整度，這就要求所選用的混凝土施工和易性好；

　　4.2 要求護面材料在宏觀上比較均質，這就要求所選用的混凝土必須滿足施工簡單，質量容易控制，以保證混凝土的強度均方差較小，在水流的沖刷和含沙水流的磨損作用下不致產生能夠產生空蝕的不均勻的不平整表面，即再生不平整度應該滿足要求；

　　4.3 所選用的混凝土施工后的表面，不應產生較大的裂縫，以免由此產生空蝕破壞，即所選材料應盡可能的不產生裂縫。

　　4.4 另外，所選材料應滿足高速水流的特點。具體的講，就是施工后的護面，能夠承受高速水流脈動壓力作用和高動水壓力的作用，在高速水流的長期作用下，自身能夠保持穩定。尤其是當空蝕發生并形成坑洞后，不會產生沿裂縫的斷裂沖毀破壞。

　　近年來，一種新型的抗沖耐磨材料—HF高強耐磨粉煤灰混凝土（HF混凝土），由于具有與硅粉混凝土相當的抗沖耐磨性能和抗空蝕性能，同時克服了硅粉混凝土易于裂縫和施工困難的缺點，在工程應用中取得了較大的成功，證明是一種符合以防為主兼顧優良的抗磨抗空蝕性能又能夠滿足高速水流脈動壓力和動水壓力作用保持自身穩定的護面材料。

　　5、結論

　　5.1 選擇抗沖磨抗空蝕護面材料時應注意服從以預防空蝕為主，以選擇抗空蝕性能好的材料抵抗空蝕破壞為輔的原則，同時應滿足在高速水流高脈動壓力和動水壓力的作用下滿足自身穩定，當發生空蝕破壞后即是出現了空蝕坑洞，也不應引起結構性的斷裂破壞。

　　5.2 盡管硅粉混凝土具有較好的抗磨抗空蝕性能，但硅粉混凝土在許多工程的應用中，所出現的施工困難、蜂窩麻面、表面平整度差以及裂縫嚴重等問題，說明硅粉混凝土不符合高速水流的選擇要求，這是一些工程產生了嚴重的破壞的主要原因。

　　5.3 硅粉混凝土在高速水流工程所出現的問題，是偏面追求混凝土抗空蝕抗沖磨性能，忽視高速水流特點所造成的，這是一個應該特別值得注意的工程問題，尤其在工程設計中應該給予足夠的重視。