孤山航电枢纽工程钢纤维混凝土配合比试验研究.pdf

2023年6 月引用格式：陈强勇，胡鹏玉，王亨泰.孤山航电枢纽工程钢纤维混凝土配合比试验研究 J.水利水电快报，2 0 2 3,4 4（S1）：5 1-53.水利水电快报EWRHI第 4 4 卷增刊 1孤山航电枢纽工程钢纤维混凝土配合比试验研究陈强勇,胡鹏玉?,王亨泰3（1.湖北正平水利水电工程质量检测有限公司，湖北武汉4 3 0 0 7 0；2.湖北省水利水电科学研究院湖北省水利水电工程质量检测中心，湖北武汉4 3 0 0 7 0；3.汉江孤山水电开发有限责任公司，湖北十堰 4 4 2 6 0 0)摘要：在汉江孤山航电枢纽工程二期的门机轨道施工中，对混凝土性能要求较高，提出使用钢纤维混凝土进行浇筑施工。结合工程实际，在现行水工混凝土配合比试验规程基础上，试验研究钢纤维体积率对混凝土试样抗压强度、轴心抗拉强度、早期抗裂性能的影响规律。钢纤维混凝配合比试配试验结果表明：钢纤维掺量对混凝土抗压强度的影响不大，但可以显著提高混凝土的抗裂性能。关键词：钢纤维；抗压强度；抗拉强度；早期抗裂性能；孤山航电枢纽工程中图法分类号：TV431文章编号:1 0 0 6-0 0 8 1(2 0 2 3)S1-0051-030 引 言在汉江孤山航电枢纽工程建设过程中,对二期现浇门机轨道使用的混凝土性能要求较高，对抗压强度、轴心抗拉强度、早期抗裂性能的要求高于普通混凝土，因此提出使用钢纤维混凝土进行浇筑施工的方法。钢纤维混凝土是指在搅拌时将短的、细小、单根钢纤维掺入其中,在混凝土拌和物中呈均匀、乱向分散状，使混凝土在静荷载下具有良好的抗弯拉性能，动荷载下具有良好的冲击性能和耐疲劳性能 1-2 。在钢纤维混凝土配合比设计时，依据现场工地的水泥品种、骨料品质、钢纤维种类，结合设计单位对物理力学性能的要求和现场施工中对和易性的要求，可初步得出配合比设计的水灰比、钢纤维体积率和长径比及砂率 3-4 。最后通过试验并结合工地现场的施工条件调整计算配合比，考虑钢纤维混凝土的原材料品质、类型差异以及施工条件的影响，得出施工生产配合比。1工程概述孤山航电枢纽工程位于汉江干流夹河至丹江口枢纽回水末端河段内，上距白河水电站坝址3 5 km，下距丹江口枢纽坝址1 7 9 km。孤山航电枢纽工程收稿日期:2 0 2 2 -1 1 -1 6作者简芥：陈强勇，男，工程师，主要从事水利水电工程质量检测工作。E-mail:文献标志码：AD0I:10.15974/ki.slsdkb.2023.S1.015的主要任务是发电与航运。坝址控制流域面积60440km，多年平均流量7 8 3 m/s，年径流量2 4 7亿m。水库正常蓄水位1 7 7.2 3 m，正常蓄水位以下库容1.0 9 亿m，水库总库容2.1 2 亿m，电站装机容量为1 8 0 MW（4 4 5 M W），多年平均发电量5.8 0亿kWh,规划航道等级为IV级。枢纽从左至右总体布置格局为：左岸非溢流坝段、左1 区泄水闸、船闸、左2 区泄水闸、生态放水闸（纵向围堰)坝段、右区泄水闸、电站厂房及右岸非溢流坝段。坝轴线长584.3m，坝顶高程1 8 8 m，最大坝高5 7.2 m。二期现浇门机轨道槽采用钢纤维混凝土CF50（一）,强度等级要求2 8 dCF50,落度要求2 0 24cm，此次配合比设计试验主要依据DL/T5330-2015水工混凝土配合比设计规程和JG/T472-2015钢纤维混凝土进行，以试配普通混凝土抗压强度为基础配合比，根据新拌钢纤维混凝土的工作性能和硬化后的力学性能要求,调整砂率、外加剂和钢纤维掺量，以使混凝土达到设计和施工要求。2原材料分析2.1水泥配合比试验采用葛洲坝老河口水泥有限公司生512023年6 月产的普通硅酸盐5 2.5 水泥，水泥物理和化学性能依据CB175-2007通用硅酸盐水泥进行检测，比表面积为4 5 0 m/kg，2 8 d 抗压强度为5 4.1 MPa，上述水泥物理性能指标均满足相关标准要求,检验结果见表1。表1 水泥物理性能检验结果比表面积/凝结时间/min品种安定性(mkg-)初凝终凝3d28d3d28dGB175-2007300葛洲坝P052.54502.2钢纤维选择拉丝端钩型钢纤维，长度5 0.0 0 mm，直径0.75mm，长径比6 6.6,抗拉强度不小于1 0 0 0 MPa。根据相关规范，此次钢纤维体积率采用0.2 5%（1 9.6 2 5 k g/m）进行混凝土配合比试拌。2.3细骨料试验采用人工砂，依据DL/T5151-2014水工混凝土砂石骨料试验规程进行检测，表面密度为2650kg/m，含粉量为1 4.2%，含泥量为0，细度模数2.7 8,各项物理性能均满足DL/T5144-2015水工混凝土施工规范对细骨料的要求，细骨料（人工砂)物理性能检测结果见表2,细骨料（人工砂)级配见表3 和图1。表2 细骨料(人工砂)物理性能检测结果表观密度/堆积密度/合含粉量/泥块含量/试验项目细度模数(kgm3)(kgm3)标准要求2.500检测值2650表3细骨料（人工砂）颗粒级配检验结果筛孔径/mm累计筛余率/%筛孔径/mm累计筛余率/%5.004.62.5026.81.2544.12.4粗骨料试验采用的5 2 0 mm天然骨料卵石,表观密项目含泥量/%吸水率/%表观密度/（kgm-3）堆积密度/（kgm-3）紧密密度/（kgm-3）子天然骨料卵石0.2技术要求0.5减水剂名称SN-JGGB8076-2008标准要求注：“+”号表示提前，_”号表示延缓。52水利水电快报EWRHI度为2 6 2 0 kg/m，堆积密度为1 4 4 0 kg/m，各项物理性能均满足DL/T5144-2015水工混凝土施工规范对粗骨料的要求,检验结果见表4。0110抗压强度/MPa抗折强度/MPa必须合格45合格170%一618160014.20.6300.3150.1601.1826202500表5 聚羧酸高性能减水剂（缓凝型）检验结果减水剂掺量/减水率/含气量/泌水率比/%1.031.4高性能减水剂25第 4 4 卷增刊 1筛径/mm2320F304060023.052.54.07.024034.854.16.39.4饱和面干%吸水率/%02.4 2.802.7855.477.687.8表4 粗骨料检验结果孔隙率/%针片状/%超径含量/%逊径含量/%有机质含量14401590二一%2.0446.0604下限50上限60708090100图1 丝细骨料（人工砂）颗粒级配曲线2.5外加剂选择中国水电十一局有限公司混凝土外加剂厂生产的 SN-JG聚羧酸高性能（缓凝型）减水剂,依据GB8076-2008混凝土外加剂进行检验，减水率为3 1.4%，含气量2.0%，2 8 d抗压强度比148%，减水剂的品质指标均满足相关技术要求，检验结果见表5。2.6拌和水采用生活用水进行混凝土拌制和养护，满足汉江孤山航电枢纽工程相关技术要求。3钢纤维混凝土配合比试配试验一3.1混凝土配制强度0.8依据DL/T5330-2015水工混凝土配合比设计规程及DL/T51442 0 1 5 水工混凝土施工规范要求，混凝土配制强度按下式计算：fcu.o=feou.k+to式中：fcu.o为混凝土配制强度,MPa；f c u,，为混凝土设计龄期立方体抗压强度标准值,MPa;t为概率度系数;为混凝土立方体抗压强度标准差，MPa。计算结果见表6。39一凝结时间差/min初凝终凝170([phone]d一+90一110抗压强度比/%7d28d168174140130浅于标准色浅于标准色陈强勇等孤山航电枢纽工程钢纤维混凝土配合比试验研究3.2混凝土最优砂率选择试验砂率对混凝土拌和物的流动性和黏聚性均有较大影响。砂率过小或砂浆量不足，将降低混凝土拌和物的流动性,影响拌和物的黏聚性和保水性;砂率过大，粗骨料含量相对较少,混凝土拌和物流动性降低。因此，需要选择最优砂率。表6 混凝土配制强度计算混凝土强度等级保证率/%标准差/MPa概率度系数t配制强度/MPaCF5095混凝土砂率选择试验采用葛洲坝普通硅酸盐P.052.5水泥、人工砂、石骨料进行试拌，其中，CF50（一)混凝土水灰比固定为0.3 0、掺用SN-JG高性能减水剂（掺量为1.4 0%）落度按2 0 0 240mm控制,具体试验结果见表7。表7 混凝土最佳砂率选择试验用水量/粉煤灰砂率/%水胶比(kgm-3)掺量/%木棍度黏聚性含砂情况情况/mm380.30400.30420.30由试验结果可知,CF50（一)混凝土配合比试拌时，砂率为4 0%的各项指标较好，最优砂率确定为4 0%。3.3混凝土试配因试验采用的人工砂细度模数略大，为了改善混凝土工作性能，根据配制强度选择固定水胶比0.30，选择共计4 种钢纤维掺量配合比进行试验，其配比见表8。表8 混凝土拌和物性能检验结果胶材用量/用水量/砂率/钢纤维编号水胶比X10.30X20.30X30.30X40.30试验以抗压强度C50为配合比设计基准，固定水胶比、砂率和外加剂掺量，拌和物的落度随着钢纤维体积率的增加，总体呈现下降趋势。钢纤维的掺入在混凝土中起着搭联和桥接的作用，可以减少骨料的离析，同时也需要更多的浆液来包裹，对混凝土的流动形成了约束效应，宏观上表现为落度降低。4力学及耐久性能试验CF50（一)钢纤维混凝土力学和早期抗裂性能检测试验依据DL/T5150-2017水工混凝土试验规程进行。早期抗裂性能试验采用8 0 0 mm600mm100mm平面薄板型试件进行。试验结果见表9。表9 CF50(一)钢纤维混凝土力学性能及早期抗裂性能钢纤维7d抗压28d抗压编号体积率/%强度/MPa强度/MPa抗拉强度/MPa面积/(mm m-)X10X20.25X30.75X41.255.51.645和易性150一150一中好中无230150一上一般偏多较多210减水剂落度/kgkg500150500150500150500150试验结果28d轴向53.269.558.372.262.576.963.279.159.0由表7 可见，CF50（一）钢纤维混凝土立方体抗压强度随着钢纤维体积率的增加而增大，但7 d抗压强度最大增幅为1 8.8%，2 8 d抗压强度最大增幅为1 2.1%。通过提高钢纤维掺量来提高混凝土抗压强度的效果是有限的。CF50（一)钢纤维混凝土轴向抗拉强度随着钢纤维体积率的增加而增大,轴向抗拉强度增加的最析水落度下较差偏少少量205%体积率/%掺量/%400400.25400.75421.25单位面积上总开裂2.025573.562794.102444.22156大幅度为5 2.1%。早期抗裂性能试验结果表明：单位面积上总开裂面积随着钢纤维体积率的增加而大幅降低，在掺入的钢纤维体积率为1.2 5%的情况下，单位面积上总开裂面积比不掺钢纤维的减少72.0%，钢纤维的掺入使混凝土轴向抗拉强度和抗裂性能显著提高。钢纤维的掺人在混凝土内部形成了不规则的网状结构,搭联和桥接作用减少了硬化过程中水泥石和骨料界面过渡区的微裂缝数量，并可在受力过程中有效抑制微裂缝的产生与发展，宏观上显著提高了混凝土的轴向抗拉强度和抗裂性能。5结语mm钢纤维的掺人对混凝土抗压强度的提高并不显1.42301.42201.42151.4205著。轴向抗拉强度随钢纤维体积率的增大而大幅度提高。当钢纤维体积率从0 增加到1.2 5%，单位面积上总开裂面积降低了7 2.0%。钢纤维的掺入能显著提高混凝土早期抗裂性能。参考文献：1赵顺波，杜晖，钱晓军，等.钢纤维高强混凝土配合比直接设计方法研究 J.土木工程学报,2 0 0 8,7（4 1：1-6.2白敏，朱荻涛，姜磊，等.钢纤维改善混凝土力学性能和微观结构的研究J.硅酸盐通报，2 0 1 3,1 0（3 2）：2084-2089.3赵国藩,黄承.钢纤维混凝土的研究与应用 M.大连：大连理工大学出版社，1 9 2 2.4沈志林.素砼和钢纤维砼冲击韧性及轴拉全曲线的试验研究和理论分析 D.长沙：长沙铁道学院，1 9 8 8.(编辑:李慧)53.