孤山航電樞紐工程鋼纖維混凝土配合比試驗研究

陳強勇 胡鵬玉 王亨泰

摘要：

在漢江孤山航電樞紐工程二期的門機軌道施工中，對混凝土性能要求較高，提出使用鋼纖維混凝土進行澆筑施工。結合工程實際，在現行水工混凝土配合比試驗規程基礎上，試驗研究鋼纖維體積率對混凝土試樣抗壓強度、軸心抗拉強度、早期抗裂性能的影響規律。鋼纖維混凝配合比試配試驗結果表明：鋼纖維摻量對混凝土抗壓強度的影響不大，但可以顯著提高混凝土的抗裂性能。

關鍵詞：

鋼纖維； 抗壓強度； 抗拉強度； 早期抗裂性能； 孤山航電樞紐工程

中圖法分類號：TV431

文獻標志碼：A

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

文章編號：1006-0081（2023）S1-0051-03

0 引 言

在漢江孤山航電樞紐工程建設過程中，對二期現澆門機軌道使用的混凝土性能要求較高，對抗壓強度、軸心抗拉強度、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行澆筑施工的方法。鋼纖維混凝土是指在攪拌時將短的、細小、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計時，依據現場工地的水泥品種、骨料品質、鋼纖維種類，結合設計單位對物理力學性能的要求和現場施工中對和易性的要求，可初步得出配合比設計的水灰比、鋼纖維體積率和長徑比及砂率［3-4］。最后通過試驗并結合工地現場的施工條件調整計算配合比，考慮鋼纖維混凝土的原材料品質、類型差異以及施工條件的影響，得出施工生產配合比。

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，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是發電與航運。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。水庫正常蓄水位177.23 m，正常蓄水位以下庫容1.09億m3，水庫總庫容2.12億m3，電站裝機容量為180 MW（4×45 MW），多年平均發電量5.80億kW·h，規劃航道等級為Ⅳ級。

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

二期現澆門機軌道槽采用鋼纖維混凝土CF50（一），強度等級要求28 d CF50，坍落度要求20～24 cm，此次配合比設計試驗主要依據DL/T 5330-2015《水工混凝土配合比設計規程》和JG/T 472-2015《鋼纖維混凝土》進行，以試配普通混凝土抗壓強度為基礎配合比，根據新拌鋼纖維混凝土的工作性能和硬化后的力學性能要求，調整砂率、外加劑和鋼纖維摻量，以使混凝土達到設計和施工要求。

2 原材料分析

2.1 水 泥

配合比試驗采用葛洲壩老河口水泥有限公司生產的普通硅酸鹽52.5水泥，水泥物理和化學性能依據GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》進行檢測，比表面積為450 m2/kg，28 d抗壓強度為54.1 MPa，上述水泥物理性能指標均滿足相關標準要求，檢驗結果見表1。

2.2 鋼纖維

選擇拉絲端鉤型鋼纖維，長度50.00 mm，直徑0.75 mm，長徑比66.6，抗拉強度不小于1 000 MPa。根據相關規范，此次鋼纖維體積率采用0.25%（19.625 kg/m3）進行混凝土配合比試拌。

2.3 細骨料

試驗采用人工砂，依據DL/T 5151-2014《水工混凝土砂石骨料試驗規程》進行檢測，表面密度為2 650 kg/m3，含粉量為14.2%，含泥量為0，細度模數2.78，各項物理性能均滿足DL/T 5144-2015《水工混凝土施工規范》對細骨料的要求，細骨料（人工砂）物理性能檢測結果見表2，細骨料（人工砂）級配見表3和圖1。

2.4 粗骨料

試驗采用的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，各項物理性能均滿足DL/T 5144-2015《水工混凝土施工規范》對粗骨料的要求，檢驗結果見表4。

2.5 外加劑

選擇中國水電十一局有限公司混凝土外加劑廠生產的SN-JG聚羧酸高性能（緩凝型）減水劑，依據GB 8076-2008《混凝土外加劑》進行檢驗，減水率為31.4%，含氣量2.0%，28 d抗壓強度比148%，減水劑的品質指標均滿足相關技術要求，檢驗結果見表5。

2.6 拌和水

采用生活用水進行混凝土拌制和養護，滿足漢江孤山航電樞紐工程相關技術要求。

3 鋼纖維混凝土配合比試配試驗

3.1 混凝土配制強度

依據DL/T 5330－2015《水工混凝土配合比設計規程》及DL/T 5144-2015《水工混凝土施工規范》要求，混凝土配制強度按下式計算：

cu，0＝ cu，k + tσ

式中：cu，0為混凝土配制強度，MPa； cu，k為混凝土設計齡期立方體抗壓強度標準值，MPa；t為概率度系數；σ為混凝土立方體抗壓強度標準差，MPa。計算結果見表6。

3.2 混凝土最優砂率選擇試驗

砂率對混凝土拌和物的流動性和黏聚性均有較大影響。砂率過小或砂漿量不足，將降低混凝土拌和物的流動性，影響拌和物的黏聚性和保水性；砂率過大，粗骨料含量相對較少，混凝土拌和物流動性降低。因此，需要選擇最優砂率。

混凝土砂率選擇試驗采用葛洲壩普通硅酸鹽P.O52.5水泥、人工砂、石骨料進行試拌，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，具體試驗結果見表7。

由試驗結果可知，CF50（一）混凝土配合比試拌時，砂率為40%的各項指標較好，最優砂率確定為40%。

3.3 混凝土試配

因試驗采用的人工砂細度模數略大，為了改善混凝土工作性能，根據配制強度選擇固定水膠比0.30，選擇共計4種鋼纖維摻量配合比進行試驗，其配比見表8。

試驗以抗壓強度C50為配合比設計基準，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，總體呈現下降趨勢。鋼纖維的摻入在混凝土中起著搭聯和橋接的作用，可以減少骨料的離析，同時也需要更多的漿液來包裹，對混凝土的流動形成了約束效應，宏觀上表現為坍落度降低。

4 力學及耐久性能試驗

CF50（一）鋼纖維混凝土力學和早期抗裂性能檢測試驗依據DL/T 5150-2017《水工混凝土試驗規程》進行。早期抗裂性能試驗采用800 mm×600 mm×100 mm平面薄板型試件進行。試驗結果見表9。

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

CF50（一）鋼纖維混凝土軸向抗拉強度隨著鋼纖維體積率的增加而增大，軸向抗拉強度增加的最大幅度為52.1%。早期抗裂性能試驗結果表明：單位面積上總開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度和抗裂性能顯著提高。

鋼纖維的摻入在混凝土內部形成了不規則的網狀結構，搭聯和橋接作用減少了硬化過程中水泥石和骨料界面過渡區的微裂縫數量，并可在受力過程中有效抑制微裂縫的產生與發展，宏觀上顯著提高了混凝土的軸向抗拉強度和抗裂性能。

5 結 語

鋼纖維的摻入對混凝土抗壓強度的提高并不顯著。軸向抗拉強度隨鋼纖維體積率的增大而大幅度提高。當鋼纖維體積率從0增加到1.25%，單位面積上總開裂面積降低了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：

［1］ 趙順波，杜暉，錢曉軍，等.鋼纖維高強混凝土配合比直接設計方法研究［J］.土木工程學報，2008，7（41）：1-6.

［2］ 白敏，朱荻濤，姜磊，等.鋼纖維改善混凝土力學性能和微觀結構的研究［J］.硅酸鹽通報，2013，10（32）：2084-2089.

［3］ 趙國藩，黃承逵.鋼纖維混凝土的研究與應用［M］.大連：大連理工大學出版社，1922.

［4］ 沈志林.素砼和鋼纖維砼沖擊韌性及軸拉全曲線的試驗研究和理論分析［D］.長沙：長沙鐵道學院，1988.