纖維混凝土在水工建筑中的應(yīng)用

摘 要：近年，隨著大型、多功能水利工程的建設(shè)，大量新材料、新工藝、新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。而且隨著水利工程的普及與重視，如何運(yùn)用高科技元素來(lái)提高水利工程的性能，如何實(shí)現(xiàn)大型、多功能多樣化的水利工程，便成為水利系統(tǒng)的展望目標(biāo)，同時(shí)也成為水利事業(yè)的一項(xiàng)重點(diǎn)工作?？墒窃趯?shí)際的水工建筑中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫以及被腐蝕和碳化等缺陷，從而影響了水利工程的安全與建設(shè)。針對(duì)此問(wèn)題，一種新材料破殼而出——纖維混凝土，將纖維混凝土運(yùn)用于水工建筑中，在很大程度上改善了混凝土結(jié)構(gòu)裂縫等缺陷。

關(guān)鍵詞：水利工程；鋼纖維；聚丙烯纖維；異型塑鋼粗合成纖維；丙乳硅粉鋼纖維

中圖分類號(hào)：TU528.572 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-3362（2013）10-020-02

1 鋼纖維混凝土在水工建筑中的應(yīng)用

1.1 鋼纖維混凝土的特性

鋼纖維混凝土的物理和力學(xué)性能與普通混凝土相比具有很大優(yōu)越性，比如具有較高的抗彎、抗拉、抗剪和抗扭強(qiáng)度。尤其是強(qiáng)度和重量比值增大，這是鋼纖維混凝土優(yōu)越經(jīng)濟(jì)性的重要標(biāo)志（如表1所示）[1]。

在普通混凝土中加入適當(dāng)?shù)匿摾w維，其抗剪強(qiáng)度提高50%～100%，抗拉強(qiáng)度提高25%～50%，抗彎強(qiáng)度提高40%～80%；其收縮性能也能得到明顯改善，收縮值一般會(huì)降低7%～9%；同時(shí)，具有優(yōu)良的沖擊韌性（即抗沖擊性能材料抵抗沖擊或震動(dòng)荷載作用的性能），一般可提高2～7倍；其耐久性能、耐凍融性、耐熱性、耐磨性、抗氣蝕性和抗腐蝕性都能得到顯著提高。但是在抗?jié)B性能上與普通混凝土相比沒(méi)有明顯變化。

1.2 鋼纖維混凝土在水利水電工程中的應(yīng)用

1.2.1 在支護(hù)工程中的應(yīng)用

鋼纖維混凝土之所以在支護(hù)工程中得到應(yīng)用，是由緣于其較高的抗拉、抗彎、抗剪強(qiáng)度，能圍巖和土體的較大變形作用下保持優(yōu)良的整體性能。如若使用鋼纖維混凝土噴射襯砌，可使圍巖減少襯砌厚度。

1.2.2 在儲(chǔ)水、防滲、輸水管道工程中的應(yīng)用

鋼纖維混凝土之所以可在在儲(chǔ)水、防滲、輸水管道工程中的應(yīng)用是因?yàn)槠渚哂辛己玫目沽研阅?、較低的收縮率。一般鋼纖維混凝土運(yùn)用在儲(chǔ)水和防滲結(jié)構(gòu)中可用作防水層，必要時(shí)也可代替鋼筋混凝土用于結(jié)構(gòu)層中。

1.2.3 在溢洪道等承受高速水流工程中的應(yīng)用

因鋼纖維混凝土具有良好的抗沖磨、抗氣蝕能力，所以運(yùn)用在高速水流沖刷磨損部位，比如溢洪道、消力池、閘底板等。

1.2.4 在水工構(gòu)件的防蝕層或結(jié)構(gòu)層中的應(yīng)用

由于鋼纖維混凝土優(yōu)越的耐腐蝕性能，可用在處于腐蝕環(huán)境中的水工構(gòu)件，尤其是海水等腐蝕環(huán)境中的水工構(gòu)件，比如閘門、輸水管道等的防蝕層或結(jié)構(gòu)層。

1.2.5 在抗震結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)和動(dòng)力荷載作用部位中的應(yīng)用

一般將鋼纖維混凝土運(yùn)用于動(dòng)力荷載的機(jī)墩或抗震結(jié)構(gòu)的框架節(jié)點(diǎn)等部位，是由于鋼纖維混凝土較高的抗拉強(qiáng)度、斷裂韌性和抗疲勞等性能，能夠承受巨大的動(dòng)力荷載。

1.2.6 在水工結(jié)構(gòu)復(fù)雜的應(yīng)力區(qū)中的應(yīng)用

通常來(lái)說(shuō)，鋼纖維混凝土還可以應(yīng)用到大壩內(nèi)廊道、泄水孔等孔口復(fù)雜應(yīng)力區(qū)和牛腿等受彎構(gòu)件的抗剪以及板的抗沖切部位等水工結(jié)構(gòu)復(fù)雜的應(yīng)力部位，是因?yàn)槠湓阡摾w維混凝土中的獨(dú)特形態(tài)分布，一般呈三維亂向分布，可起到向每個(gè)方向增強(qiáng)和增韌的作用。也正因此特性，使得其更能適應(yīng)各種復(fù)雜的構(gòu)造形式，也比較容易澆筑成型。同時(shí)，因?yàn)殇摾w維具有限制混凝土裂縫的性能。

2 聚丙烯纖維混凝土在水工建筑中的應(yīng)用

2.1 聚丙烯纖維的性能特點(diǎn)

聚丙烯纖維與其他纖維相比具有眾多良好的優(yōu)越性。比如，加入適量聚丙烯纖維可提高混凝土的抗?jié)B性，抑制混凝土裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，也可增強(qiáng)混凝土的韌性、抗疲勞性、抗沖磨性和耐久性能，同時(shí)可提高混凝土抗御凍融破壞能力[2]。更重要的是，其性能穩(wěn)定、安全無(wú)毒、抗輻射。當(dāng)然，其施工簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)適用更吸引施工方的眼球，這體現(xiàn)在聚丙烯纖維的使用一般不需改變?cè)O(shè)計(jì)的配合比，也不取代原設(shè)計(jì)的受力鋼筋等。

2.2 聚丙烯纖維混凝土在防水工程中的應(yīng)用實(shí)例

聚丙烯纖維混凝土一般摻量為每立方米混凝土0.6～1.2kg。此種混凝土被廣泛應(yīng)用于：水利水電、道路、橋梁、隧道、海港、碼頭、機(jī)場(chǎng)、泳池、人防工程和民用建筑工程等。

2.2.1 地下室外墻工程

下面以某地下室工程為例。本工程施工面積為1000m2，基礎(chǔ)埋深為-1m。因本工程地處于地鐵附近，方案制定為分兩期施工。工程第1期，外墻總長(zhǎng)約260延米，使用普通的防水混凝土C50，幾個(gè)月后墻體出現(xiàn)滲入，發(fā)現(xiàn)垂直細(xì)裂縫數(shù)十條。工程第2期，外墻總長(zhǎng)約60延米，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C50。結(jié)合第1期工程的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，本期使用42.5R普通硅酸鹽水泥、中砂、5～25mm連續(xù)級(jí)配碎石，并摻加一定量的Ⅱ級(jí)粉煤灰和聚丙烯纖維及混凝土外加劑制備生產(chǎn)纖維混凝土。幾個(gè)月后摻加纖維材料的混凝土墻體未出現(xiàn)裂縫，事實(shí)證明，纖維混凝土可以有效抑制墻體細(xì)裂縫的出現(xiàn)。纖維混凝土的抗裂性能得到證明后，又用在本工程的水箱、污水池等容易出現(xiàn)滲入的結(jié)構(gòu)中，時(shí)至今日，這批纖維混凝土構(gòu)筑物均未發(fā)現(xiàn)因干縮而引起的微細(xì)裂縫，無(wú)滲漏現(xiàn)象。

2.2.2 地下室基坑支護(hù)工程

下面以某地下室基坑工程為例。該地下室基坑支護(hù)臨江而建，對(duì)抗裂抗?jié)B要求較高，故采用噴錨網(wǎng)工藝。施工方案中明確僅在臨江的一面的噴射混凝土材料中加入0.07%體積摻量的聚丙烯纖維，其他三面噴射普通混凝土。工程結(jié)束，盡管臨江的一面水壓較高，但未有裂紋出現(xiàn)，只是在兩邊錨頭處略有滲水；而其他未摻入聚丙烯纖維的三面墻體中卻呈現(xiàn)出程度不一的裂紋和裂縫，同時(shí)在多處錨點(diǎn)都有不同程度的滲漏且小部分滲漏較嚴(yán)重。故此說(shuō)明聚丙烯纖維對(duì)抑制混凝土的塑性收縮裂縫、提高抗?jié)B性有顯著功效。

3 異型塑鋼粗合成纖維混凝土在道橋工程中的應(yīng)用

近年來(lái)，我國(guó)的粗合成纖維材料發(fā)展迅速，在混凝土的路橋面上，以及機(jī)場(chǎng)的跑道，都將其加以應(yīng)用[3]。從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，其分散性、耐腐蝕性，以及對(duì)于提高混凝土的柔韌性、耐疲勞和耐沖擊性、抗彎性等都表現(xiàn)良好，而且使用成本較低，易于采用和推廣，同時(shí)對(duì)環(huán)境要求也較低，即使在惡劣的環(huán)境下，也能加以應(yīng)用（如表2和表3）。粗合成纖維可以在多個(gè)領(lǐng)域中加以應(yīng)用，尤其在噴射混凝土中，其優(yōu)勢(shì)非常明顯。因?yàn)榇趾铣衫w維的根數(shù)較多，在混凝土中使用，分散迅速，可以明顯的提高混凝土的柔韌性和阻止裂縫的產(chǎn)生。

根據(jù)粗合成纖維混凝土在我國(guó)近幾年的應(yīng)用情況來(lái)看，在我國(guó)道橋面層的結(jié)構(gòu)形式主要有兩種：一種是全摻式混凝土路面，此種路面施工起來(lái)非常方便，簡(jiǎn)單易行，而且對(duì)于整體的面層來(lái)說(shuō)，其綜合表現(xiàn)良好，且性能平穩(wěn)，但是造價(jià)較高，適合用于重要的一級(jí)道橋工程。另一種是層布式纖維混凝土路面，此種路面對(duì)于施工來(lái)說(shuō)具有較大的變異性，但是相對(duì)成本較低。

4 丙乳硅粉鋼纖維混凝土在水工混凝土缺陷處理工程中的應(yīng)用

丙乳硅粉鋼纖維混凝土與以上各種纖維混凝土相比，似乎汲取了它們的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，比如較高的抗拉強(qiáng)度、抗裂抗?jié)B性、耐疲勞、耐老化等。某電廠水工建筑物的普通混凝土結(jié)構(gòu)中摻入了丙乳硅粉鋼纖維，在汛期過(guò)后，進(jìn)行了水下攝像檢測(cè)，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)數(shù)道泄洪閘門槽下游側(cè)有不同程度的沖損，大約有十幾處，最大處為的破損為 2.6m×1.4m；而該電廠船閘右泄水廊道出水口，因長(zhǎng)期被水流沖擊，底板、側(cè)墻、中墩沖刷、露筋非常嚴(yán)重，比如，有掏空或露筋的地方也有十幾處，近50m2，最大的掏空為2.3m×1.6m且鋼筋已被沖斷。在汲取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)后，對(duì)該電廠泄洪閘門槽、船閘下游泄水廊道出水口混凝土缺陷采用丙乳硅粉鋼纖維混凝土進(jìn)行處理。歷經(jīng)2a多的運(yùn)行使用，修補(bǔ)部位經(jīng)水下攝像檢查確認(rèn)至今仍完好無(wú)損[4]。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的淺析可見(jiàn)，纖維混凝土的優(yōu)越性能及在水利水電工程中成功的應(yīng)用表明纖維混凝土不但可以解決鋼筋混凝土難以解決的裂縫、耐久性等問(wèn)題，而且用于水工建筑工程可以大幅度降低造價(jià)。因此纖維混凝土在水利水電工程中具有廣闊應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭文忠，羅百福，王英.高溫下復(fù)摻纖維RPC立方體抗壓性能研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012（11）.

[2] 權(quán)莉，陶文祥.混雜鋼-聚丙烯纖維混凝土彎曲韌性試驗(yàn)研究[J].混凝土，2011（10）.

[3] 張存亮，弓銳，張存明.復(fù)合纖維混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑，2011（10）.

[4] 鄭捷.鋼纖維和聚丙烯粗纖維噴射混凝土性能研究[J].華東公路，2011（04）.

作者簡(jiǎn)介：李生勇，內(nèi)蒙古河套學(xué)院土木工程系，副教授，從事土木工程和水利工程專業(yè)課程的教學(xué)和研究工作。