由硅粉混凝土应用中存在的问题论高速水流护面材料选择的原则与要求

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1. 国内外硅粉混凝土在水工混凝土中的应用简况

自八十年代初，美国在一些水工泄水建筑物的修补中采用高强硅粉混凝土作为维修材料使用成功之后。我国的一些科研单位从1985年也开始了对高强硅粉混凝土研究工作，研究结果表明，在水泥用量相当的情况下，掺入硅粉可使混凝土的抗压强度提高1.3倍—2.3倍，抗水沙冲磨强度提高1.3倍—3.5倍，抗空蚀强度提高1.6倍以上，说明掺入硅粉，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着的提高混凝土的抗冲耐磨能力，尤其是能够大幅度的提高混凝土的抗空蚀能力。在研究的基础上，硅粉混凝土被工程界逐渐接受并先后在龙羊峡水电站、李家峡水电站、葛洲坝、刘家峡、龙羊峡、二滩、小浪底等许多工程中都使用了硅粉混凝土。可以说，硅粉混凝土是目前国内水电工程中使用量比较大的抗冲耐磨材料。尽管如此，我们认为经过这么多年的应用和工程考验，已经积累了比较多的资料，应该对硅粉混凝土的应用情况进行必要的总结和客观的评价，这对提高抗冲耐磨材料的研究水平和高速含沙泄水建筑物护面抗冲磨抗空蚀的设计水平具有重要意义。

2　硅粉混凝土的主要缺点

随着硅粉砼使用的增加，也逐渐暴露出一些问题，硅粉混凝土在使用中主要存在以下问题：

2.1 硅粉砼的干缩裂缝问题未能解决。据国内许多科研单位的研究资料，硅粉砼的干缩率尤其是早期干缩率较大，使硅粉砼在应用中易于出现干缩裂缝，影响其整体强度和使用效果。这一问题在施工后早期加强洒水养护可以有所减小，但在许多工程施工中裂缝仍不可避免。如龙羊峡、李家峡、二滩、小浪底、公泊峡水电站等许多工程在应用硅粉砼中均出现了裂缝问题，一些工程裂缝还比较严重。

2.2 硅粉砼存在早期塑性干缩问题。塑性干缩是指砼施工浇筑过程中，在砼凝结前，当表层水份的蒸发速度大于砼的泌水速度时，砼表面即出现干缩龟裂，甚至出现晒干发白现象。泌水速度越小，塑性干缩越严重。硅粉砼塑性干缩比较严重，主要原因是由于掺入硅粉后 ，砼几乎不产生泌水。

2.3 硅粉砼施工难度大。硅粉混凝土施工和易性差，使砼不易振捣密实，不易收光抹面。在峻工验收中，往往会发现硅粉砼蜂窝麻面较多，砼表面平整度差，一般不能满足平度要求。

2.4 硅粉混凝土易产生温度裂缝。硅粉混凝土早期强度发展很快，相应的混凝土的水化热放热速度很快，致使混凝土水化热温升高，在混凝土中容易产生较大的温度应力，这一应力在干缩裂缝的顶端产生应力集中，使干缩裂缝扩展延伸甚至形成贯通性的裂缝。

2.5 硅粉颗粒细而轻，施工中易于产生扬尘和浪费，另外，由于硅粉容重小，尽管掺入混凝土中的量不大，但体积却不小，堆存、称重、掺加均比较困难，这也会影响混凝土的施工进度。

3　硅粉混凝土缺陷产生的危害

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好，其原因是硅粉混凝土所存在的以上缺点会在工程应用中产生不容忽视的工程缺陷，从而导致一些工程产生严重的破坏。

3.1 硅粉混凝土和易性差对抗空蚀和抗冲耐磨性能的影响 ：

混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，表面平整度和均匀性是一个重要的技术指标，表面平整度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，直接影响了其抗空蚀性能。

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，耐磨性差的部位易于磨损形成凹坑，耐磨性能好的部位不易被磨下而形成突起，从而产生了新的表面不平整，我们称其为再生不平整度。显然，再生不平整度也会产生空蚀破坏的。刘家峡水电站左泄水道检修门前产生的空蚀破坏，就是由于普通混凝土在泥沙磨损和冲刷作用下产生的再生不平整度引起的空蚀破坏，使其后的钢衬产生很多孔洞引起的。

3.2 硅粉混凝土的裂缝会影响混凝土的整体强度。现在有些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以及对护面层的作用机理，从硅粉混凝土的实际应用效果来分析，不难发现这种认识是错误的。

3.2.1 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，设计中对于为产生裂缝的护面整体的稳定性一般均已考虑，即如果护面没有发生裂缝，护面的稳定性是没有问题的，但是，当护面产生裂缝尤其是贯通性裂缝后，这种作用力就会产生严重的后果。其一，脉动压力会造成裂缝端的应力集中，使尚未贯通的裂缝扩展甚至形成贯通裂缝；其二，对于贯通性裂缝，混凝土板体被贯通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，，这种振动在钢筋网中产生的脉动应力，却会致使钢筋产生疲劳而断裂，最终使混凝土块体间失去钢筋网的约束产生跨塌事故。

3.2.2 较宽的裂缝会成为空化源引起空蚀破坏。

3.2.3 裂缝会造成钢筋的锈蚀和混凝土的溶出性侵蚀。

3.2.4 裂缝中容易形成动水压力，致使裂缝扩展。对于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，这一问题就更应特别注意了。

3.2.5 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间的粘结强度一般较小，如果浇筑中基面处理不当，胶结面就更是薄弱环节了，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通性裂缝后，高速水流沿裂缝产生的动水压力，就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，某工程泄洪洞硅粉混凝土大面积底板和立墙的冲跨事故等。

3.2.6 裂缝的存在，消弱了混凝土的整体强度，当混凝土发生冲坑后，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。

3.2.7 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。

3.2. 8对于有压隧洞，贯通性裂缝会造成压力沿裂缝水外泄，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。

对于硅粉混凝土出现的裂缝，一些工程采用环氧等材料进行灌浆处理，这对改善和减小裂缝对护面材料的影响有一定的作用，但是，由于裂缝的形状、宽度、是否渗水或是否存在析出物等因素会影响灌浆的质量和效果，同时灌浆材料的弹模的大小一般与混凝土的弹模差异较大，也会影响灌浆材料对应力的传递，使灌浆后混凝土的整体性不可能达到未裂缝的混凝土护面的整体性。

一些工程为克服硅粉混凝土的裂缝问题，采用加聚丙稀纤维和钢纤维的措施，实践证明，效果并不理想，反而还降低混凝土的抗磨强度注1。一些工程在硅粉混凝土中掺加膨胀剂，对于克服硅粉混凝土的裂缝也无什么效果。实际上，不管加纤维还是加膨胀剂，由于都没有改变硅粉混凝土易于裂缝的机理：极细的硅粉颗粒造成混凝土不易泌水——易产生塑性干缩，毛细孔隙减小，毛细孔压力增大——使硅粉混凝土易于产生干缩，所以对改善硅粉混凝土抗裂性能作用不大。

4 抗冲耐磨混凝土选择中的注意事项

众所周知，高速水流的空蚀一旦产生，任何材料一般均会发生破坏，因此对于如何选择减免空蚀破坏的工程措施，一般来说，首先在于防，即通过工程措施防止空蚀的发生，如采用给高速水流掺气的工程措施减免空蚀，使结构体形流线化并限制过流表面的平整度等；其次才在于抗，即选择抗磨抗空蚀性能好的材料，当空蚀产生后，使破坏的速度和危害尽可能的减小。那么选择材料时应注意的事项应该也服从这一防和抗的关系，即以预防空蚀为主，以选材抵抗空蚀破坏为辅。具体的讲，就是选择抗磨抗空蚀材料时，首先应要求所选用的材料不能造成产生空蚀的条件：

4.1 混凝土护面应易于作面，以满足设计要求的平整度，这就要求所选用的混凝土施工和易性好；

4.2 要求护面材料在宏观上比较均质，这就要求所选用的混凝土必须满足施工简单，质量容易控制，以保证混凝土的强度均方差较小，在水流的冲刷和含沙水流的磨损作用下不致产生能够产生空蚀的不均匀的不平整表面，即再生不平整度应该满足要求；

4.3 所选用的混凝土施工后的表面，不应产生较大的裂缝，以免由此产生空蚀破坏，即所选材料应尽可能的不产生裂缝。

4.4 另外，所选材料应满足高速水流的特点。具体的讲，就是施工后的护面，能够承受高速水流脉动压力作用和高动水压力的作用，在高速水流的长期作用下，自身能够保持稳定。尤其是当空蚀发生并形成坑洞后，不会产生沿裂缝的断裂冲毁破坏。

近年来，一种新型的抗冲耐磨材料—HF高强耐磨粉煤灰混凝土，由于具有与硅粉混凝土相当的抗冲耐磨性能和抗空蚀性能，同时克服了硅粉混凝土易于裂缝和施工困难的缺点，在工程应用中取得了较大的成功，证明是一种符合以防为主兼顾优良的抗磨抗空蚀性能又能够满足高速水流脉动压力和动水压力作用保持自身稳定的护面材料。

5、结论

5.1 选择抗冲磨抗空蚀护面材料时应注意服从以预防空蚀为主，以选择抗空蚀性能好的材料抵抗空蚀破坏为辅的原则，同时应满足在高速水流高脉动压力和动水压力的作用下满足自身稳定，当发生空蚀破坏后即是出现了空蚀坑洞，也不应引起结构性的断裂破坏。

5.2 尽管硅粉混凝土具有较好的抗磨抗空蚀性能，但硅粉混凝土在许多工程的应用中，所出现的施工困难、蜂窝麻面、表面平整度差以及裂缝严重等问题，说明硅粉混凝土不符合高速水流的选择要求，这是一些工程产生了严重的破坏的主要原因。

5.3 硅粉混凝土在高速水流工程所出现的问题，是偏面追求混凝土抗空蚀抗冲磨性能，忽视高速水流特点所造成的，这是一个应该特别值得注意的工程问题，尤其在工程设计中应该给予足够的重视。

参考文选

1、二滩水电站泄洪洞C50纤维硅粉混凝土与C50HF高强耐磨粉煤灰混凝土现场对比试验报告 支拴喜 2003.3.10

2、HF高强耐磨粉煤灰混凝土的研制与应用 支拴喜 《水利水电技术》1996.7

3、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 支拴喜 《甘肃水利水电技术》1997.2