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

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

文献标志码：A

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

文章编号：1006-0081（2023）S1-0051-03

0 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35 km，下距丹江口枢纽坝址179 km。孤山航电枢纽工程的主要任务是发电与航运。坝址控制流域面积60 440 km2，多年平均流量783 m3/s，年径流量247亿m3。水库正常蓄水位177.23 m，正常蓄水位以下库容1.09亿m3，水库总库容2.12亿m3，电站装机容量为180 MW（4×45 MW），多年平均发电量5.80亿kW·h，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584.3 m，坝顶高程188 m，最大坝高57.2 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28 d CF50，坍落度要求20～24 cm，此次配合比设计试验主要依据DL/T 5330-2015《水工混凝土配合比设计规程》和JG/T 472-2015《钢纤維混凝土》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产的普通硅酸盐52.5水泥，水泥物理和化学性能依据GB 175-2007《通用硅酸盐水泥》进行检测，比表面积为450 m2/kg，28 d抗压强度为54.1 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。

2.2 钢纤维

选择拉丝端钩型钢纤维，长度50.00 mm，直径0.75 mm，长径比66.6，抗拉强度不小于1 000 MPa。根据相关规范，此次钢纤维体积率采用0.25%（19.625 kg/m3）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/T 5151-2014《水工混凝土砂石骨料试验规程》进行检测，表面密度为2 650 kg/m3，含粉量为14.2%，含泥量为0，细度模数2.78，各项物理性能均满足DL/T 5144-2015《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。

2.4 粗骨料

试验采用的5～20 mm天然骨料卵石，表观密度为2 620 kg/m3，堆积密度为1 440 kg/m3，各项物理性能均满足DL/T 5144-2015《水工混凝土施工规范》对粗骨料的要求，检验结果见表4。

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GB 8076-2008《混凝土外加剂》进行检验，减水率为31.4%，含气量2.0%，28 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

3.1 混凝土配制强度

依据DL/T 5330－2015《水工混凝土配合比设计规程》及DL/T 5144-2015《水工混凝土施工规范》要求，混凝土配制强度按下式计算：

cu，0＝ cu，k + tσ

式中：cu，0为混凝土配制强度，MPa； cu，k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；σ为混凝土立方体抗压强度标准差，MPa。计算结果见表6。

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。

混凝土砂率选择试验采用葛洲坝普通硅酸盐P.O52.5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0.30、掺用SN-JG高性能减水剂（掺量为1.40%）坍落度按200～240 mm控制，具体试验结果见表7。

由试验结果可知，CF50（一）混凝土配合比试拌时，砂率为40%的各项指标较好，最优砂率确定为40%。

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。

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，拌和物的坍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，宏观上表现为坍落度降低。

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/T 5150-2017《水工混凝土试验规程》进行。早期抗裂性能试验采用800 mm×600 mm×100 mm平面薄板型试件进行。试验结果见表9。

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18.8%，28 d抗压强度最大增幅为12.1%。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）鋼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大幅度为52.1%。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1.25%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。

钢纤维的掺入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

钢纤维的掺入对混凝土抗压强度的提高并不显著。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1.25%，单位面积上总开裂面积降低了72.0%。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，2008，7（41）：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，2013，10（32）：2084-2089.

［3］ 赵国藩，黄承逵.钢纤维混凝土的研究与应用［M］.大连：大连理工大学出版社，1922.

［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，1988.