孤山航電樞紐工程鋼纖維混凝土配合比試驗(yàn)研究

陳強(qiáng)勇 胡鵬玉 王亨泰

摘要：

在漢江孤山航電樞紐工程二期的門(mén)機(jī)軌道施工中，對(duì)混凝土性能要求較高，提出使用鋼纖維混凝土進(jìn)行澆筑施工。結(jié)合工程實(shí)際，在現(xiàn)行水工混凝土配合比試驗(yàn)規(guī)程基礎(chǔ)上，試驗(yàn)研究鋼纖維體積率對(duì)混凝土試樣抗壓強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度、早期抗裂性能的影響規(guī)律。鋼纖維混凝配合比試配試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼纖維摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響不大，但可以顯著提高混凝土的抗裂性能。

關(guān)鍵詞：

鋼纖維； 抗壓強(qiáng)度； 抗拉強(qiáng)度； 早期抗裂性能； 孤山航電樞紐工程

中圖法分類號(hào)：TV431

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S1.015

文章編號(hào)：1006-0081（2023）S1-0051-03

0 引 言

在漢江孤山航電樞紐工程建設(shè)過(guò)程中，對(duì)二期現(xiàn)澆門(mén)機(jī)軌道使用的混凝土性能要求較高，對(duì)抗壓強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度、早期抗裂性能的要求高于普通混凝土，因此提出使用鋼纖維混凝土進(jìn)行澆筑施工的方法。鋼纖維混凝土是指在攪拌時(shí)將短的、細(xì)小、單根鋼纖維摻入其中，在混凝土拌和物中呈均勻、亂向分散狀，使混凝土在靜荷載下具有良好的抗彎拉性能，動(dòng)荷載下具有良好的沖擊性能和耐疲勞性能［1-2］。

在鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工地的水泥品種、骨料品質(zhì)、鋼纖維種類，結(jié)合設(shè)計(jì)單位對(duì)物理力學(xué)性能的要求和現(xiàn)場(chǎng)施工中對(duì)和易性的要求，可初步得出配合比設(shè)計(jì)的水灰比、鋼纖維體積率和長(zhǎng)徑比及砂率［3-4］。最后通過(guò)試驗(yàn)并結(jié)合工地現(xiàn)場(chǎng)的施工條件調(diào)整計(jì)算配合比，考慮鋼纖維混凝土的原材料品質(zhì)、類型差異以及施工條件的影響，得出施工生產(chǎn)配合比。

1 工程概述

孤山航電樞紐工程位于漢江干流夾河至丹江口樞紐回水末端河段內(nèi)，上距白河水電站壩址35 km，下距丹江口樞紐壩址179 km。孤山航電樞紐工程的主要任務(wù)是發(fā)電與航運(yùn)。壩址控制流域面積60 440 km2，多年平均流量783 m3/s，年徑流量247億m3。水庫(kù)正常蓄水位177.23 m，正常蓄水位以下庫(kù)容1.09億m3，水庫(kù)總庫(kù)容2.12億m3，電站裝機(jī)容量為180 MW（4×45 MW），多年平均發(fā)電量5.80億kW·h，規(guī)劃航道等級(jí)為Ⅳ級(jí)。

樞紐從左至右總體布置格局為：左岸非溢流壩段、左1區(qū)泄水閘、船閘、左2區(qū)泄水閘、生態(tài)放水閘（縱向圍堰）壩段、右區(qū)泄水閘、電站廠房及右岸非溢流壩段。壩軸線長(zhǎng)584.3 m，壩頂高程188 m，最大壩高57.2 m。

二期現(xiàn)澆門(mén)機(jī)軌道槽采用鋼纖維混凝土CF50（一），強(qiáng)度等級(jí)要求28 d CF50，坍落度要求20～24 cm，此次配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)主要依據(jù)DL/T 5330-2015《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》和JG/T 472-2015《鋼纖維混凝土》進(jìn)行，以試配普通混凝土抗壓強(qiáng)度為基礎(chǔ)配合比，根據(jù)新拌鋼纖維混凝土的工作性能和硬化后的力學(xué)性能要求，調(diào)整砂率、外加劑和鋼纖維摻量，以使混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)和施工要求。

2 原材料分析

2.1 水 泥

配合比試驗(yàn)采用葛洲壩老河口水泥有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽52.5水泥，水泥物理和化學(xué)性能依據(jù)GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》進(jìn)行檢測(cè)，比表面積為450 m2/kg，28 d抗壓強(qiáng)度為54.1 MPa，上述水泥物理性能指標(biāo)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

2.2 鋼纖維

選擇拉絲端鉤型鋼纖維，長(zhǎng)度50.00 mm，直徑0.75 mm，長(zhǎng)徑比66.6，抗拉強(qiáng)度不小于1 000 MPa。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，此次鋼纖維體積率采用0.25%（19.625 kg/m3）進(jìn)行混凝土配合比試拌。

2.3 細(xì)骨料

試驗(yàn)采用人工砂，依據(jù)DL/T 5151-2014《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行檢測(cè)，表面密度為2 650 kg/m3，含粉量為14.2%，含泥量為0，細(xì)度模數(shù)2.78，各項(xiàng)物理性能均滿足DL/T 5144-2015《水工混凝土施工規(guī)范》對(duì)細(xì)骨料的要求，細(xì)骨料（人工砂）物理性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，細(xì)骨料（人工砂）級(jí)配見(jiàn)表3和圖1。

2.4 粗骨料

試驗(yàn)采用的5～20 mm天然骨料卵石，表觀密度為2 620 kg/m3，堆積密度為1 440 kg/m3，各項(xiàng)物理性能均滿足DL/T 5144-2015《水工混凝土施工規(guī)范》對(duì)粗骨料的要求，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

2.5 外加劑

選擇中國(guó)水電十一局有限公司混凝土外加劑廠生產(chǎn)的SN-JG聚羧酸高性能（緩凝型）減水劑，依據(jù)GB 8076-2008《混凝土外加劑》進(jìn)行檢驗(yàn)，減水率為31.4%，含氣量2.0%，28 d抗壓強(qiáng)度比148%，減水劑的品質(zhì)指標(biāo)均滿足相關(guān)技術(shù)要求，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

2.6 拌和水

采用生活用水進(jìn)行混凝土拌制和養(yǎng)護(hù)，滿足漢江孤山航電樞紐工程相關(guān)技術(shù)要求。

3 鋼纖維混凝土配合比試配試驗(yàn)

3.1 混凝土配制強(qiáng)度

依據(jù)DL/T 5330－2015《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》及DL/T 5144-2015《水工混凝土施工規(guī)范》要求，混凝土配制強(qiáng)度按下式計(jì)算：

cu，0＝ cu，k + tσ

式中：cu，0為混凝土配制強(qiáng)度，MPa； cu，k為混凝土設(shè)計(jì)齡期立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa；t為概率度系數(shù)；σ為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，MPa。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

3.2 混凝土最優(yōu)砂率選擇試驗(yàn)

砂率對(duì)混凝土拌和物的流動(dòng)性和黏聚性均有較大影響。砂率過(guò)小或砂漿量不足，將降低混凝土拌和物的流動(dòng)性，影響拌和物的黏聚性和保水性；砂率過(guò)大，粗骨料含量相對(duì)較少，混凝土拌和物流動(dòng)性降低。因此，需要選擇最優(yōu)砂率。

混凝土砂率選擇試驗(yàn)采用葛洲壩普通硅酸鹽P.O52.5水泥、人工砂、石骨料進(jìn)行試拌，其中，CF50（一）混凝土水灰比固定為0.30、摻用SN-JG高性能減水劑（摻量為1.40%）坍落度按200～240 mm控制，具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，CF50（一）混凝土配合比試拌時(shí)，砂率為40%的各項(xiàng)指標(biāo)較好，最優(yōu)砂率確定為40%。

3.3 混凝土試配

因試驗(yàn)采用的人工砂細(xì)度模數(shù)略大，為了改善混凝土工作性能，根據(jù)配制強(qiáng)度選擇固定水膠比0.30，選擇共計(jì)4種鋼纖維摻量配合比進(jìn)行試驗(yàn)，其配比見(jiàn)表8。

試驗(yàn)以抗壓強(qiáng)度C50為配合比設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，固定水膠比、砂率和外加劑摻量，拌和物的坍落度隨著鋼纖維體積率的增加，總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。鋼纖維的摻入在混凝土中起著搭聯(lián)和橋接的作用，可以減少骨料的離析，同時(shí)也需要更多的漿液來(lái)包裹，對(duì)混凝土的流動(dòng)形成了約束效應(yīng)，宏觀上表現(xiàn)為坍落度降低。

4 力學(xué)及耐久性能試驗(yàn)

CF50（一）鋼纖維混凝土力學(xué)和早期抗裂性能檢測(cè)試驗(yàn)依據(jù)DL/T 5150-2017《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。早期抗裂性能試驗(yàn)采用800 mm×600 mm×100 mm平面薄板型試件進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。

由表7可見(jiàn)，CF50（一）鋼纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度隨著鋼纖維體積率的增加而增大，但7 d抗壓強(qiáng)度最大增幅為18.8%，28 d抗壓強(qiáng)度最大增幅為12.1%。通過(guò)提高鋼纖維摻量來(lái)提高混凝土抗壓強(qiáng)度的效果是有限的。

CF50（一）鋼纖維混凝土軸向抗拉強(qiáng)度隨著鋼纖維體積率的增加而增大，軸向抗拉強(qiáng)度增加的最大幅度為52.1%。早期抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果表明：?jiǎn)挝幻娣e上總開(kāi)裂面積隨著鋼纖維體積率的增加而大幅降低，在摻入的鋼纖維體積率為1.25%的情況下，單位面積上總開(kāi)裂面積比不摻鋼纖維的減少72.0%，鋼纖維的摻入使混凝土軸向抗拉強(qiáng)度和抗裂性能顯著提高。

鋼纖維的摻入在混凝土內(nèi)部形成了不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，搭聯(lián)和橋接作用減少了硬化過(guò)程中水泥石和骨料界面過(guò)渡區(qū)的微裂縫數(shù)量，并可在受力過(guò)程中有效抑制微裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，宏觀上顯著提高了混凝土的軸向抗拉強(qiáng)度和抗裂性能。

5 結(jié) 語(yǔ)

鋼纖維的摻入對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的提高并不顯著。軸向抗拉強(qiáng)度隨鋼纖維體積率的增大而大幅度提高。當(dāng)鋼纖維體積率從0增加到1.25%，單位面積上總開(kāi)裂面積降低了72.0%。鋼纖維的摻入能顯著提高混凝土早期抗裂性能。

參考文獻(xiàn)：

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