三河口大壩摻纖維混凝土配合比優(yōu)選研究

岳立宇

(陜西引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710010)

碾壓混凝土拱壩是三河口水利樞紐工程的主要建筑物，為保證工程建設(shè)整體的質(zhì)量，必須嚴(yán)格控制其混凝土的澆筑過程。三河口水利樞紐地處南北分界處，氣候潮濕，雨水較多。使得碾壓混凝土大壩在澆筑施工中存在一系列的問題和挑戰(zhàn)，如混凝土拌和、運(yùn)輸、入倉方式，倉面澆筑過程中攤鋪、振搗等[1]。因此，在施工質(zhì)量控制的各項環(huán)節(jié)中，首先應(yīng)確保摻纖維混凝土骨料品質(zhì)合格，屆時對配合比進(jìn)行優(yōu)化，獲得滿足特殊環(huán)境要求及現(xiàn)場施工工藝的摻纖維混凝土，經(jīng)過科學(xué)設(shè)計，采取適當(dāng)?shù)氖┕そM織措施，完成壩體摻纖維混凝土施工。摻纖維混凝土配合比的確定是通過對水泥、骨料、粉煤灰、外加劑、單位用水量等主要參數(shù)[2]進(jìn)行單一變量控制，得到單位體積摻纖維混凝土中各原材料用量，該用量可使混凝土的各項物理性能參數(shù)均滿足相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范和施工工藝要求，在提高混凝土自身質(zhì)量的同時降低工程成本。

本文采用理論和實踐相結(jié)合的研究方法，以三河口碾壓混凝土大壩工程為研究背景，對南北氣候分界線區(qū)域碾壓混凝土大壩配合比中的水泥、骨料、粉煤灰、外加劑、單位用水量等原材料的配制、試調(diào)、優(yōu)化進(jìn)行分析研究。

1 工程概況

三河口水利樞紐位于陜西省漢中市佛坪縣內(nèi)距離大河壩鎮(zhèn)上游3.8km的子午河大峽谷處，水庫總庫容7.1億m3，調(diào)節(jié)庫容6.5億m3，大壩壩體高度141.5m，頂寬9m，壩頂高程646m，在壩體高程588～646m之間布置三個寬高為15m×15m的正方形溢流表孔；在壩體高程534～540m之間設(shè)置兩個4m×5m的泄洪底孔，工程大壩主體、消力塘及導(dǎo)流洞封堵等大體積混凝土總量約為1098000m3，其中碾壓混凝土約為906790m3。壩體內(nèi)部共布置有三層縱向廊道，其高程分別為515m、565m、610m。為滿足樞紐的垂直交通要求，在壩右設(shè)有電梯直通壩頂，且連接各層廊道。本工程基礎(chǔ)層部分碾壓混凝土通倉澆筑面積較大，因此合理安排施工工序、選擇混凝土入倉方式、優(yōu)化道路路線布置、確?；炷寥雮}強(qiáng)度和連續(xù)性是施工中需要重點研究解決的問題。

2 原材料試驗

配合比試驗選用聚乙烯醇纖維、普通硅酸鹽水泥(P·O42.5)、F類別Ⅱ級粉煤灰、KLN-3高效減水劑、KLAE引氣劑、HLN0F-2高效減水劑、HLAE引氣劑及自加工生產(chǎn)的花崗巖人工骨料等原材料，摻纖維混凝土進(jìn)行配合比試驗。

2.1 水泥

配合比試驗選用水泥類型為普通硅酸鹽水泥(P·O42.5)，該型號水泥物理力學(xué)性能試驗結(jié)果參數(shù)值見表1。檢測表明：該水泥各項指標(biāo)符均符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007) 及合同約定的要求。

表1 普通硅酸鹽水泥(P·O42.5)的物理力學(xué)性能取值參數(shù)

2.2 粉煤灰

粉煤灰經(jīng)過篩選，最終選用F類別Ⅱ級粉煤灰，其各項專業(yè)檢測結(jié)果見表2。檢測結(jié)果顯示：該類粉煤灰各項主要指標(biāo)的數(shù)值，均在《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB 1596—2017)要求的取值范圍內(nèi)。

表2 Ⅱ級粉煤灰檢測結(jié)果參數(shù)

2.3 骨料

2.3.1 細(xì)骨料

本試驗選用經(jīng)自行加工產(chǎn)出的花崗巖人工砂作為細(xì)骨料，并嚴(yán)格遵循《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)對其各項主要參數(shù)進(jìn)行檢測，表3中將其檢測結(jié)果與規(guī)范數(shù)值進(jìn)行了對比。

表3 花崗巖人工砂品質(zhì)檢測結(jié)果參數(shù)

2.3.2 粗骨料

本試驗選用自行加工產(chǎn)出的花崗巖人工碎石塊作為粗骨料。試驗開始前先對骨料進(jìn)行粒徑篩分處理，若出現(xiàn)超遜徑情況計算時其數(shù)值全部零取。為使試驗骨料含泥量這一參數(shù)更接近真實情況，采用流水沖洗試驗骨料的方式來保證其客觀生。經(jīng)檢測，粗骨料各項性能指標(biāo)均滿足《水工混凝土施工規(guī)范》(SL 677—2014) 要求，檢測數(shù)據(jù)見表4。

表4 花崗巖人工碎石品質(zhì)檢測結(jié)果參數(shù)

2.4 外加劑

選用不同類別的外加劑分別摻和到混凝土中進(jìn)行拌和，得到的混凝土力學(xué)性能和耐久性能將具有一定差異。本次試驗選用緩凝高效減水劑KLN-3、高效引氣劑KLAE、緩凝高效減水劑HLN0F-2、高效引氣劑HLAE四種型號外加劑依次進(jìn)行拱壩摻纖維混凝土配合比試驗，并依次對減水率、凝結(jié)時間差、抗壓強(qiáng)度比、泌水率比、含氣量等各項主要指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)對比。現(xiàn)場試驗得出結(jié)論：混凝土加入試驗外加劑后，其各項指標(biāo)均能達(dá)到《混凝土外加劑》(GB 8076—2008)規(guī)范要求，試驗結(jié)果見表5。

表5 摻外加劑混凝土性能試驗結(jié)果

2.5 纖維

試驗前對本次試驗采用的聚乙烯醇纖維樣品進(jìn)行了抗拉強(qiáng)度、彈性模量、斷裂延伸率等性能的委托檢測，經(jīng)檢測，本次試驗所用纖維各項指標(biāo)均能達(dá)到《水泥混凝土和砂漿用合成纖維》(GB/T 21120—2007)所規(guī)定的數(shù)值，檢驗結(jié)果見表6。

表6 聚乙烯醇纖維檢驗結(jié)果

3 摻纖維混凝土配合比中各參數(shù)優(yōu)選試驗

摻纖維混凝土配合比試驗需要重點控制的變量有：含砂率、混凝土單位用水量、水膠比例、外加粉煤灰含量等。這些參數(shù)對混凝土各項物理特性有著直接的影響，在滿足相關(guān)設(shè)計文件和規(guī)范要求的前提下，通過對摻纖維混凝土二級配試驗參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇，達(dá)到提高工程質(zhì)量、減少混凝土造價、節(jié)約成本的目的。

3.1 混凝土配置強(qiáng)度

以混凝土設(shè)計指標(biāo)為導(dǎo)向，遵循《水工混凝土施工規(guī)范》(SL 677—2014)，依照下式對混凝土所需配制強(qiáng)度進(jìn)行計算，結(jié)果見表7。

表7 混凝土配制強(qiáng)度計算結(jié)果

fcu,0=fcu,k+tσ

式中fcu,0——混凝土配制強(qiáng)度，MPa；

fcu,k——混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級，MPa；

t——概率度系數(shù)，依據(jù)保證率P選定；

σ——混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，MPa。

3.2 骨料級配

從抗分離性、均勻性等碾壓混凝土自身的特性方面分析，試驗過程中采用的二級配骨料，中、小石的比例為55∶45。

3.3 混凝土單位用水量優(yōu)選試驗

混凝土單位用水量優(yōu)選試驗釆用控制變量法，首先固定水膠比、粉煤灰摻雜量、含砂率及外加劑摻量百分比，然后通過改變每組試驗所采用的單位用水量，探查混凝土坍落度隨之變化情況，總結(jié)出關(guān)系曲線，為混凝土坍落度調(diào)整和質(zhì)量控制提供科學(xué)依據(jù)。用水量與坍落度的關(guān)系試驗結(jié)果見表8，關(guān)系曲線見圖1。試驗結(jié)果顯示：混凝土水膠比為0.45、砂率為32%、粉煤灰摻量為20%、外加劑KLN-3摻量為0.8%、KLAE摻量為0.04%、聚乙烯醇纖維摻量為0.9kg/m3時，混凝土的單位用水量是140kg/m3。

表8 混凝土單位用水量與坍落度關(guān)系試驗結(jié)果

圖1 混凝土單位用水量與坍落度關(guān)系曲線

3.4 混凝土最佳砂率優(yōu)選試驗

最優(yōu)含砂率優(yōu)選試驗同樣使用控制變量法，首先固定水膠比、單位用水量及外加劑所占百分比，然后將不同含砂率投入對比試驗，通過觀察各組混凝土拌和物性能，比較選出最優(yōu)含砂率。試驗結(jié)果見表9，關(guān)系曲線見圖2。通過對二級配混凝土拌和物的坍落度進(jìn)行綜合評定得出結(jié)論，當(dāng)水膠比為0.45、砂率為32%時，混凝土出機(jī)坍落度及其他物理性能可滿足要求。

表9 混凝土砂率與坍落度關(guān)系試驗結(jié)果

圖2 混凝土砂率與坍落度關(guān)系曲線

3.5 優(yōu)化后的混凝土配合比試驗參數(shù)

將上述各主要變量參數(shù)的試驗結(jié)果進(jìn)行計算分析后，得出摻纖維混凝土試驗配合比所選設(shè)計參數(shù)(見表10)。

表10 摻纖維混凝土配合比試驗參數(shù)

水膠比：0.40～0.50；

用水量：140kg/m3；

砂率：30%～34%；

粉煤灰：摻量20%；

骨料級配：小石∶中石=45∶55；

密度：二級配為2420kg/m3。

4 摻纖維混凝土配合比試驗成果

混凝土配合比試驗的重要一環(huán)就是性能試驗。混凝土的性能試驗將從拌和物性能、耐久性、變形性能、力學(xué)性能四個特性進(jìn)行研究，該試驗結(jié)果可以用來對比驗證先前設(shè)計采用的配合比參數(shù)是否滿足工程要求。

4.1 混凝土拌和物性能試驗

全部試驗嚴(yán)格遵循《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)進(jìn)行，檢測新拌混凝土坍落度、容重等參數(shù)，以和易性為指標(biāo)對出機(jī)混凝土作出性能評判。試驗結(jié)果(見表11)表明：當(dāng)水膠比采用0.45時，混凝土拌和物性能較好，其各項參數(shù)滿足《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)的要求。

表11 摻纖維混凝土拌和物性能試驗結(jié)果

4.2 混凝土力學(xué)性能試驗

抗壓強(qiáng)度是混凝土特性中最基本、最重要的技術(shù)指標(biāo)，可以通過進(jìn)行不同齡期抗壓強(qiáng)度試驗來驗證其力學(xué)性能。本次試驗嚴(yán)格遵循《水工混凝土試驗規(guī)程》的要求，對試樣進(jìn)行檢測，檢測數(shù)據(jù)見表12。

表12 摻纖維混凝土力學(xué)性能試驗結(jié)果

根據(jù)混凝土力學(xué)性能試驗結(jié)果，可反算推導(dǎo)出水膠比與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線，見圖3。由此可得出水膠比與抗壓強(qiáng)度關(guān)系回歸線方程，見表13。通過計算可得當(dāng)水膠比為0.45時，C2825W8F150混凝土拌和物性能較好，設(shè)計齡期抗壓強(qiáng)度滿足配置強(qiáng)度要求。

圖3 水膠比與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

表13 混凝土水膠比與抗壓強(qiáng)度回歸線方程

4.3 混凝土變形性能試驗

以已知的混凝土配合比參數(shù)作為依據(jù)，制作混凝土極限拉伸試件和混凝土彈性模量靜力抗壓試件，至試驗齡期后進(jìn)行極限拉伸值及靜力抗壓彈性模量的試驗，試驗結(jié)果見表14。

表14 摻纖維混凝土變形性能試驗結(jié)果

4.4 混凝土耐久性性能試驗

根據(jù)確定的混凝土配合比參數(shù)，至試驗齡期后，對混凝土抗凍性、抗?jié)B性做相應(yīng)檢驗，檢驗數(shù)據(jù)見表15。由表中數(shù)據(jù)可得如下結(jié)論：采用任一水膠比得出的拌和物，其抗凍性能指標(biāo)、抗?jié)B性能指標(biāo)都可達(dá)到設(shè)計要求。

表15 摻纖維混凝土耐久性性能試驗結(jié)果

5 混凝土施工推薦配合比

通過原材料試驗結(jié)果、混凝土拌和物性能試驗結(jié)果、28天抗壓強(qiáng)度力學(xué)性能試驗結(jié)果、變形及耐久性性能試驗結(jié)果，得出混凝土推薦施工配合比(見表16)。

表16 摻纖維混凝土推薦施工配合比

6 結(jié) 語

本次試驗結(jié)果為三河口大壩摻纖維混凝土配合比參數(shù)的選擇提供了合理的依據(jù)，也為引漢濟(jì)渭黃金峽大壩施工摻纖維混凝土配合比參數(shù)的優(yōu)選提供了一定借鑒。摻纖維混凝土配合比參數(shù)的優(yōu)選保證了混凝土質(zhì)量，降低了工程成本。試驗得出摻纖維混凝土配合比中的水膠比、砂率、單位用水量以及粉煤灰摻量等參數(shù)與混凝土的各項物理性能指標(biāo)之間有著緊密的聯(lián)系，因此通過優(yōu)化組合大壩摻纖維混凝土配合比中原材料的主要參數(shù)，可提高混凝土各項物理性能指標(biāo)，降低工程建設(shè)中混凝土的造價。該研究成果可為同類工程摻纖維混凝土配合比參數(shù)的優(yōu)選提供參考。