三河口大壩摻纖維混凝土配合比優選研究

岳立宇

(陜西引漢濟渭工程建設有限公司，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，為保證工程建設整體的質量，必須嚴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，如混凝土拌和、運輸、入倉方式，倉面澆筑過程中攤鋪、振搗等[1]。因此，在施工質量控制的各項環節中，首先應確保摻纖維混凝土骨料品質合格，屆時對配合比進行優化，獲得滿足特殊環境要求及現場施工工藝的摻纖維混凝土，經過科學設計，采取適當的施工組織措施，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[2]進行單一變量控制，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均滿足相應的設計規范和施工工藝要求，在提高混凝土自身質量的同時降低工程成本。

本文采用理論和實踐相結合的研究方法，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、優化進行分析研究。

1 工程概況

三河口水利樞紐位于陜西省漢中市佛坪縣內距離大河壩鎮上游3.8km的子午河大峽谷處，水庫總庫容7.1億m3，調節庫容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之間設置兩個4m×5m的泄洪底孔，工程大壩主體、消力塘及導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，在壩右設有電梯直通壩頂，且連接各層廊道。本工程基礎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、優化道路路線布置、確?；炷寥雮}強度和連續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的花崗巖人工骨料等原材料，摻纖維混凝土進行配合比試驗。

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性能試驗結果參數值見表1。檢測表明：該水泥各項指標符均符合《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)的物理力學性能取值參數

2.2 粉煤灰

粉煤灰經過篩選，最終選用F類別Ⅱ級粉煤灰，其各項專業檢測結果見表2。檢測結果顯示：該類粉煤灰各項主要指標的數值，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。

表2 Ⅱ級粉煤灰檢測結果參數

2.3 骨料

2.3.1 細骨料

本試驗選用經自行加工產出的花崗巖人工砂作為細骨料，并嚴格遵循《水工混凝土試驗規程》(SL 352—2006)對其各項主要參數進行檢測，表3中將其檢測結果與規范數值進行了對比。

表3 花崗巖人工砂品質檢測結果參數

2.3.2 粗骨料

本試驗選用自行加工產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行粒徑篩分處理，若出現超遜徑情況計算時其數值全部零取。為使試驗骨料含泥量這一參數更接近真實情況，采用流水沖洗試驗骨料的方式來保證其客觀生。經檢測，粗骨料各項性能指標均滿足《水工混凝土施工規范》(SL 677—2014) 要求，檢測數據見表4。

表4 花崗巖人工碎石品質檢測結果參數

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行拌和，得到的混凝土力學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行拱壩摻纖維混凝土配合比試驗，并依次對減水率、凝結時間差、抗壓強度比、泌水率比、含氣量等各項主要指標進行數據對比?，F場試驗得出結論：混凝土加入試驗外加劑后，其各項指標均能達到《混凝土外加劑》(GB 8076—2008)規范要求，試驗結果見表5。

表5 摻外加劑混凝土性能試驗結果

2.5 纖維

試驗前對本次試驗采用的聚乙烯醇纖維樣品進行了抗拉強度、彈性模量、斷裂延伸率等性能的委托檢測，經檢測，本次試驗所用纖維各項指標均能達到《水泥混凝土和砂漿用合成纖維》(GB/T 21120—2007)所規定的數值，檢驗結果見表6。

表6 聚乙烯醇纖維檢驗結果

3 摻纖維混凝土配合比中各參數優選試驗

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。這些參數對混凝土各項物理特性有著直接的影響，在滿足相關設計文件和規范要求的前提下，通過對摻纖維混凝土二級配試驗參數進行優化選擇，達到提高工程質量、減少混凝土造價、節約成本的目的。

3.1 混凝土配置強度

以混凝土設計指標為導向，遵循《水工混凝土施工規范》(SL 677—2014)，依照下式對混凝土所需配制強度進行計算，結果見表7。

表7 混凝土配制強度計算結果

fcu,0=fcu,k+tσ

式中fcu,0——混凝土配制強度，MPa；

fcu,k——混凝土設計強度等級，MPa；

t——概率度系數，依據保證率P選定；

σ——混凝土強度標準差，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選試驗

混凝土單位用水量優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，總結出關系曲線，為混凝土坍落度調整和質量控制提供科學依據。用水量與坍落度的關系試驗結果見表8，關系曲線見圖1。試驗結果顯示：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系試驗結果

圖1 混凝土單位用水量與坍落度關系曲線

3.4 混凝土最佳砂率優選試驗

最優含砂率優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，比較選出最優含砂率。試驗結果見表9，關系曲線見圖2。通過對二級配混凝土拌和物的坍落度進行綜合評定得出結論，當水膠比為0.45、砂率為32%時，混凝土出機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系試驗結果

圖2 混凝土砂率與坍落度關系曲線

3.5 優化后的混凝土配合比試驗參數

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

表10 摻纖維混凝土配合比試驗參數

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就是性能試驗?；炷恋男阅茉囼瀸陌韬臀镄阅?、耐久性、變形性能、力學性能四個特性進行研究，該試驗結果可以用來對比驗證先前設計采用的配合比參數是否滿足工程要求。

4.1 混凝土拌和物性能試驗

全部試驗嚴格遵循《水工混凝土試驗規程》(SL 352—2006)進行，檢測新拌混凝土坍落度、容重等參數，以和易性為指標對出機混凝土作出性能評判。試驗結果(見表11)表明：當水膠比采用0.45時，混凝土拌和物性能較好，其各項參數滿足《水工混凝土試驗規程》(SL 352—2006)的要求。

表11 摻纖維混凝土拌和物性能試驗結果

4.2 混凝土力學性能試驗

抗壓強度是混凝土特性中最基本、最重要的技術指標，可以通過進行不同齡期抗壓強度試驗來驗證其力學性能。本次試驗嚴格遵循《水工混凝土試驗規程》的要求，對試樣進行檢測，檢測數據見表12。

表12 摻纖維混凝土力學性能試驗結果

根據混凝土力學性能試驗結果，可反算推導出水膠比與抗壓強度的關系曲線，見圖3。由此可得出水膠比與抗壓強度關系回歸線方程，見表13。通過計算可得當水膠比為0.45時，C2825W8F150混凝土拌和物性能較好，設計齡期抗壓強度滿足配置強度要求。

圖3 水膠比與抗壓強度關系曲線

表13 混凝土水膠比與抗壓強度回歸線方程

4.3 混凝土變形性能試驗

以已知的混凝土配合比參數作為依據，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，至試驗齡期后進行極限拉伸值及靜力抗壓彈性模量的試驗，試驗結果見表14。

表14 摻纖維混凝土變形性能試驗結果

4.4 混凝土耐久性性能試驗

根據確定的混凝土配合比參數，至試驗齡期后，對混凝土抗凍性、抗滲性做相應檢驗，檢驗數據見表15。由表中數據可得如下結論：采用任一水膠比得出的拌和物，其抗凍性能指標、抗滲性能指標都可達到設計要求。

表15 摻纖維混凝土耐久性性能試驗結果

5 混凝土施工推薦配合比

通過原材料試驗結果、混凝土拌和物性能試驗結果、28天抗壓強度力學性能試驗結果、變形及耐久性性能試驗結果，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 語

本次試驗結果為三河口大壩摻纖維混凝土配合比參數的選擇提供了合理的依據，也為引漢濟渭黃金峽大壩施工摻纖維混凝土配合比參數的優選提供了一定借鑒。摻纖維混凝土配合比參數的優選保證了混凝土質量，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與混凝土的各項物理性能指標之間有著緊密的聯系，因此通過優化組合大壩摻纖維混凝土配合比中原材料的主要參數，可提高混凝土各項物理性能指標，降低工程建設中混凝土的造價。該研究成果可為同類工程摻纖維混凝土配合比參數的優選提供參考。