三河口大坝掺纤维混凝土配合比优选研究

岳立宇

(陕西引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710010)

碾压混凝土拱坝是三河口水利枢纽工程的主要建筑物，为保证工程建设整体的质量，必须严格控制其混凝土的浇筑过程。三河口水利枢纽地处南北分界处，气候潮湿，雨水较多。使得碾压混凝土大坝在浇筑施工中存在一系列的问题和挑战，如混凝土拌和、运输、入仓方式，仓面浇筑过程中摊铺、振捣等[1]。因此，在施工质量控制的各项环节中，首先应确保掺纤维混凝土骨料品质合格，届时对配合比进行优化，获得满足特殊环境要求及现场施工工艺的掺纤维混凝土，经过科学设计，采取适当的施工组织措施，完成坝体掺纤维混凝土施工。掺纤维混凝土配合比的确定是通过对水泥、骨料、粉煤灰、外加剂、单位用水量等主要参数[2]进行单一变量控制，得到单位体积掺纤维混凝土中各原材料用量，该用量可使混凝土的各项物理性能参数均满足相应的设计规范和施工工艺要求，在提高混凝土自身质量的同时降低工程成本。

本文采用理论和实践相结合的研究方法，以三河口碾压混凝土大坝工程为研究背景，对南北气候分界线区域碾压混凝土大坝配合比中的水泥、骨料、粉煤灰、外加剂、单位用水量等原材料的配制、试调、优化进行分析研究。

1 工程概况

三河口水利枢纽位于陕西省汉中市佛坪县内距离大河坝镇上游3.8km的子午河大峡谷处，水库总库容7.1亿m3，调节库容6.5亿m3，大坝坝体高度141.5m，顶宽9m，坝顶高程646m，在坝体高程588～646m之间布置三个宽高为15m×15m的正方形溢流表孔；在坝体高程534～540m之间设置两个4m×5m的泄洪底孔，工程大坝主体、消力塘及导流洞封堵等大体积混凝土总量约为1098000m3，其中碾压混凝土约为906790m3。坝体内部共布置有三层纵向廊道，其高程分别为515m、565m、610m。为满足枢纽的垂直交通要求，在坝右设有电梯直通坝顶，且连接各层廊道。本工程基础层部分碾压混凝土通仓浇筑面积较大，因此合理安排施工工序、选择混凝土入仓方式、优化道路路线布置、确保混凝土入仓强度和连续性是施工中需要重点研究解决的问题。

2 原材料试验

配合比试验选用聚乙烯醇纤维、普通硅酸盐水泥(P·O42.5)、F类别Ⅱ级粉煤灰、KLN-3高效减水剂、KLAE引气剂、HLN0F-2高效减水剂、HLAE引气剂及自加工生产的花岗岩人工骨料等原材料，掺纤维混凝土进行配合比试验。

2.1 水泥

配合比试验选用水泥类型为普通硅酸盐水泥(P·O42.5)，该型号水泥物理力学性能试验结果参数值见表1。检测表明：该水泥各项指标符均符合《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007) 及合同约定的要求。

表1 普通硅酸盐水泥(P·O42.5)的物理力学性能取值参数

2.2 粉煤灰

粉煤灰经过筛选，最终选用F类别Ⅱ级粉煤灰，其各项专业检测结果见表2。检测结果显示：该类粉煤灰各项主要指标的数值，均在《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB 1596—2017)要求的取值范围内。

表2 Ⅱ级粉煤灰检测结果参数

2.3 骨料

2.3.1 细骨料

本试验选用经自行加工产出的花岗岩人工砂作为细骨料，并严格遵循《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)对其各项主要参数进行检测，表3中将其检测结果与规范数值进行了对比。

表3 花岗岩人工砂品质检测结果参数

2.3.2 粗骨料

本试验选用自行加工产出的花岗岩人工碎石块作为粗骨料。试验开始前先对骨料进行粒径筛分处理，若出现超逊径情况计算时其数值全部零取。为使试验骨料含泥量这一参数更接近真实情况，采用流水冲洗试验骨料的方式来保证其客观生。经检测，粗骨料各项性能指标均满足《水工混凝土施工规范》(SL 677—2014) 要求，检测数据见表4。

表4 花岗岩人工碎石品质检测结果参数

2.4 外加剂

选用不同类别的外加剂分别掺和到混凝土中进行拌和，得到的混凝土力学性能和耐久性能将具有一定差异。本次试验选用缓凝高效减水剂KLN-3、高效引气剂KLAE、缓凝高效减水剂HLN0F-2、高效引气剂HLAE四种型号外加剂依次进行拱坝掺纤维混凝土配合比试验，并依次对减水率、凝结时间差、抗压强度比、泌水率比、含气量等各项主要指标进行数据对比。现场试验得出结论：混凝土加入试验外加剂后，其各项指标均能达到《混凝土外加剂》(GB 8076—2008)规范要求，试验结果见表5。

表5 掺外加剂混凝土性能试验结果

2.5 纤维

试验前对本次试验采用的聚乙烯醇纤维样品进行了抗拉强度、弹性模量、断裂延伸率等性能的委托检测，经检测，本次试验所用纤维各项指标均能达到《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》(GB/T 21120—2007)所规定的数值，检验结果见表6。

表6 聚乙烯醇纤维检验结果

3 掺纤维混凝土配合比中各参数优选试验

掺纤维混凝土配合比试验需要重点控制的变量有：含砂率、混凝土单位用水量、水胶比例、外加粉煤灰含量等。这些参数对混凝土各项物理特性有着直接的影响，在满足相关设计文件和规范要求的前提下，通过对掺纤维混凝土二级配试验参数进行优化选择，达到提高工程质量、减少混凝土造价、节约成本的目的。

3.1 混凝土配置强度

以混凝土设计指标为导向，遵循《水工混凝土施工规范》(SL 677—2014)，依照下式对混凝土所需配制强度进行计算，结果见表7。

表7 混凝土配制强度计算结果

fcu,0=fcu,k+tσ

式中fcu,0——混凝土配制强度，MPa；

fcu,k——混凝土设计强度等级，MPa；

t——概率度系数，依据保证率P选定；

σ——混凝土强度标准差，MPa。

3.2 骨料级配

从抗分离性、均匀性等碾压混凝土自身的特性方面分析，试验过程中采用的二级配骨料，中、小石的比例为55∶45。

3.3 混凝土单位用水量优选试验

混凝土单位用水量优选试验釆用控制变量法，首先固定水胶比、粉煤灰掺杂量、含砂率及外加剂掺量百分比，然后通过改变每组试验所采用的单位用水量，探查混凝土坍落度随之变化情况，总结出关系曲线，为混凝土坍落度调整和质量控制提供科学依据。用水量与坍落度的关系试验结果见表8，关系曲线见图1。试验结果显示：混凝土水胶比为0.45、砂率为32%、粉煤灰掺量为20%、外加剂KLN-3掺量为0.8%、KLAE掺量为0.04%、聚乙烯醇纤维掺量为0.9kg/m3时，混凝土的单位用水量是140kg/m3。

表8 混凝土单位用水量与坍落度关系试验结果

图1 混凝土单位用水量与坍落度关系曲线

3.4 混凝土最佳砂率优选试验

最优含砂率优选试验同样使用控制变量法，首先固定水胶比、单位用水量及外加剂所占百分比，然后将不同含砂率投入对比试验，通过观察各组混凝土拌和物性能，比较选出最优含砂率。试验结果见表9，关系曲线见图2。通过对二级配混凝土拌和物的坍落度进行综合评定得出结论，当水胶比为0.45、砂率为32%时，混凝土出机坍落度及其他物理性能可满足要求。

表9 混凝土砂率与坍落度关系试验结果

图2 混凝土砂率与坍落度关系曲线

3.5 优化后的混凝土配合比试验参数

将上述各主要变量参数的试验结果进行计算分析后，得出掺纤维混凝土试验配合比所选设计参数(见表10)。

表10 掺纤维混凝土配合比试验参数

水胶比：0.40～0.50；

用水量：140kg/m3；

砂率：30%～34%；

粉煤灰：掺量20%；

骨料级配：小石∶中石=45∶55；

密度：二级配为2420kg/m3。

4 掺纤维混凝土配合比试验成果

混凝土配合比试验的重要一环就是性能试验。混凝土的性能试验将从拌和物性能、耐久性、变形性能、力学性能四个特性进行研究，该试验结果可以用来对比验证先前设计采用的配合比参数是否满足工程要求。

4.1 混凝土拌和物性能试验

全部试验严格遵循《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)进行，检测新拌混凝土坍落度、容重等参数，以和易性为指标对出机混凝土作出性能评判。试验结果(见表11)表明：当水胶比采用0.45时，混凝土拌和物性能较好，其各项参数满足《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)的要求。

表11 掺纤维混凝土拌和物性能试验结果

4.2 混凝土力学性能试验

抗压强度是混凝土特性中最基本、最重要的技术指标，可以通过进行不同龄期抗压强度试验来验证其力学性能。本次试验严格遵循《水工混凝土试验规程》的要求，对试样进行检测，检测数据见表12。

表12 掺纤维混凝土力学性能试验结果

根据混凝土力学性能试验结果，可反算推导出水胶比与抗压强度的关系曲线，见图3。由此可得出水胶比与抗压强度关系回归线方程，见表13。通过计算可得当水胶比为0.45时，C2825W8F150混凝土拌和物性能较好，设计龄期抗压强度满足配置强度要求。

图3 水胶比与抗压强度关系曲线

表13 混凝土水胶比与抗压强度回归线方程

4.3 混凝土变形性能试验

以已知的混凝土配合比参数作为依据，制作混凝土极限拉伸试件和混凝土弹性模量静力抗压试件，至试验龄期后进行极限拉伸值及静力抗压弹性模量的试验，试验结果见表14。

表14 掺纤维混凝土变形性能试验结果

4.4 混凝土耐久性性能试验

根据确定的混凝土配合比参数，至试验龄期后，对混凝土抗冻性、抗渗性做相应检验，检验数据见表15。由表中数据可得如下结论：采用任一水胶比得出的拌和物，其抗冻性能指标、抗渗性能指标都可达到设计要求。

表15 掺纤维混凝土耐久性性能试验结果

5 混凝土施工推荐配合比

通过原材料试验结果、混凝土拌和物性能试验结果、28天抗压强度力学性能试验结果、变形及耐久性性能试验结果，得出混凝土推荐施工配合比(见表16)。

表16 掺纤维混凝土推荐施工配合比

6 结 语

本次试验结果为三河口大坝掺纤维混凝土配合比参数的选择提供了合理的依据，也为引汉济渭黄金峡大坝施工掺纤维混凝土配合比参数的优选提供了一定借鉴。掺纤维混凝土配合比参数的优选保证了混凝土质量，降低了工程成本。试验得出掺纤维混凝土配合比中的水胶比、砂率、单位用水量以及粉煤灰掺量等参数与混凝土的各项物理性能指标之间有着紧密的联系，因此通过优化组合大坝掺纤维混凝土配合比中原材料的主要参数，可提高混凝土各项物理性能指标，降低工程建设中混凝土的造价。该研究成果可为同类工程掺纤维混凝土配合比参数的优选提供参考。