鋼纖維混凝土及其在水利工程中的應(yīng)用

□張祥振□張利峰

（1河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司；2鄭州市金水區(qū)建設(shè)投資開(kāi)發(fā)公司)

鋼纖維混凝土及其在水利工程中的應(yīng)用

□張祥振1□張利峰2

（1河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司；2鄭州市金水區(qū)建設(shè)投資開(kāi)發(fā)公司)

文章介紹了土建工程常用鋼纖維混凝土（St eel Fi ber Rei nforced Concret e，簡(jiǎn)稱SFRC）中鋼纖維的種類及幾何參數(shù)，簡(jiǎn)單探討SFRC的物理力學(xué)性能指標(biāo)及增強(qiáng)增韌機(jī)理，總結(jié)了SFRC在渠道襯砌、抗沖刷部位等常見(jiàn)水利水電工程中的使用情況及工程效果，并重點(diǎn)以水閘閘室磨損破壞修補(bǔ)為例，闡述了SFRC在閘室加固改造中的施工工藝，最終實(shí)踐表明，SFRC獲得了較好的工程效果，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益明顯。

鋼纖維混凝土；施工工藝；水利工程應(yīng)用

0 引言

自普通混凝土問(wèn)世，一直存在抗拉強(qiáng)度低、韌性差等缺點(diǎn)，為解決這一系列問(wèn)題，需要不斷提出各種方法和途徑在改善普通混凝土的抗拉、抗韌等物理力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，同時(shí)保持其抗壓強(qiáng)度高等自身優(yōu)點(diǎn)。其中，在普通混凝土中均勻加入一定比例的纖維增強(qiáng)聚合物材料形成的纖維混凝土，是上述優(yōu)化普通混凝土物理力學(xué)性能的有效方法之一。目前纖維混凝土的科學(xué)研究及工程應(yīng)用中，鋼纖維混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete，簡(jiǎn)稱SFRC）占有比較大的比重，是研究的重點(diǎn)及熱點(diǎn)。

相對(duì)于普通混凝土，SFRC明顯改善了其脆性差的缺點(diǎn)，顯著提高了抗拉、抗韌、抗?jié)B及抗沖擊性能，這一點(diǎn)對(duì)于水利工程意義尤其重大。原因很簡(jiǎn)單，復(fù)雜多變的不利水流條件對(duì)水利工程用混凝土的抗沖刷、抗沖擊及抗?jié)B等力學(xué)和耐久性能提出了更高的要求，而將具有優(yōu)良物理力學(xué)性能和耐久性能的SFRC用在水利工程中的某些關(guān)鍵部位，定能取得事半功倍的工程效果。

1 SFRC基本理論

1.1 常用鋼纖維的種類及幾何參數(shù)

SFRC的粗細(xì)集料等質(zhì)量要求與普通混凝土基本一致，其良好的增強(qiáng)增韌等效果主要由鋼纖維（Steel Fibre）的種類及幾何參數(shù)來(lái)決定。以外型劃分，鋼纖維主要有平直型、波浪型、啞鈴型、彎鉤型、不規(guī)則型等；以制造工藝劃分，鋼纖維主要有剪斷型、剪切型及銑削型等。

鋼纖維的幾何參數(shù)主要包括纖維直徑、長(zhǎng)度、長(zhǎng)徑比等。鋼纖維直徑常以等效直徑來(lái)表達(dá)，工程用基本在0.40～1.30 mm。長(zhǎng)度方面，根據(jù)采用粗骨料的不同，范圍基本在20～40 mm。鋼纖維長(zhǎng)度與直徑的比值，定義為鋼纖維的長(zhǎng)徑比。研究表明，考慮到SFRC的增強(qiáng)增韌效果最大化，鋼纖維的長(zhǎng)徑比應(yīng)保持在40～100。

1.2 SFRC的基本力學(xué)性能

SFRC對(duì)于普通混凝土力學(xué)性能的改善主要體現(xiàn)在抗拉、抗韌方面?！朵摾w維混凝土基本理論》指出：鋼纖維對(duì)混凝土基體的抗拉強(qiáng)度和主要由拉應(yīng)力控制的抗彎、抗剪、抗扭強(qiáng)度有明顯的改善作用[4]。

研究表明，SFRC的抗韌抗沖擊性能是普通混凝土的2～7倍。SFRC的耐久性能相對(duì)普通混凝土亦有明顯改善，且隨著鋼纖維體積率的提高，其各方面力學(xué)性能指標(biāo)提高幅度隨之增大。此外，SFRC應(yīng)用在節(jié)點(diǎn)、剪力墻等抗震構(gòu)件中，能明顯遲滯裂縫產(chǎn)生，改善構(gòu)件裂縫形態(tài)，提高構(gòu)件的承載力、延性及耗能能力，顯著改善構(gòu)件抗震性能，增強(qiáng)建筑物整體抗震能力。

綜上所述，SFRC憑借其自身優(yōu)越的性能，在工程結(jié)構(gòu)關(guān)鍵、復(fù)雜部位具有良好的工程效果以及較高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。且在構(gòu)件關(guān)鍵、復(fù)雜應(yīng)力區(qū)域部分采用SFRC，既控制了成本，又實(shí)現(xiàn)了局部增強(qiáng)增韌，達(dá)到了利益最大化，利于SFRC在工程一線的大范圍推廣利用。

1.3 SFRC的增強(qiáng)機(jī)理

截止到目前，主要從復(fù)合力學(xué)和纖維間距兩種角度，對(duì)SFRC的增強(qiáng)增韌機(jī)理的解釋。

在復(fù)合材料力學(xué)理論中，英國(guó)學(xué)者Swamy及美國(guó)學(xué)者Naaman、Hannat等將SFRC看做多相體系，其性能是鋼纖維、混凝土基體等各相組成成分的疊加。

在纖維間距理論中，美國(guó)學(xué)者J.P.Romualdi和G.B.Batson認(rèn)為在普通混凝土中摻入鋼纖維以后，對(duì)混凝土微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展有一定約束作用，對(duì)混凝土宏觀裂縫的出現(xiàn)有一定遲滯作用。

復(fù)合材料力學(xué)以及纖維間距理論雖然出發(fā)點(diǎn)不一致，但最終落腳點(diǎn)均為鋼纖維的阻裂增韌效果，是從不同的切入點(diǎn)討論了SFRC的增強(qiáng)增韌阻裂內(nèi)在機(jī)理，存在著固有的內(nèi)在統(tǒng)一性。同時(shí)需要引起注意的是，兩種學(xué)說(shuō)均明確指出SFRC的物理力學(xué)性能主要取決于鋼纖維體積率、鋼纖維長(zhǎng)徑比、混凝土基體強(qiáng)度等因素。

2 SFRC在水利工程中的應(yīng)用

水流情況復(fù)雜多變，河床、渠道干濕循環(huán)明顯，水流作用時(shí)間持續(xù)強(qiáng)烈，是水利工程的顯著特點(diǎn)，由此對(duì)水工混凝土的抗沖擊、抗磨、抗?jié)B等性能提出了更高的要求。當(dāng)水流中泥沙含量較大時(shí)，上述問(wèn)題更加明顯、突出，顯然此時(shí)普通混凝土已不能滿足工程需要，必須另辟蹊徑。而SFRC對(duì)普通混凝土優(yōu)異的增強(qiáng)增韌效果，恰好滿足了水工建筑物的某些部位要求較強(qiáng)的抗沖擊、抗淘刷等要求。目前，SFRC正逐步應(yīng)用在渠道整治、閘室加固修補(bǔ)、溢流壩等水利工程中，并取得良好的工程效果，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益明顯，綜合優(yōu)勢(shì)顯著。

2.1 抗沖刷、抗沖磨部位

溢流壩的溢流面、消力池、溢洪道泄流槽、閘室門(mén)槽和閘墩等水利工程中，水流流速高，水流持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)混凝土表面的磨損力大，且往往還存在嚴(yán)重的氣蝕問(wèn)題，混凝土使用條件苛刻。為滿足工程要求，獲得良好的工程效果，常采用高強(qiáng)混凝土、硅粉混凝土等提高普通混凝土的物理力學(xué)性能。但上述2種措施不但施工困難而且成本較高，不利于大規(guī)模推廣利用。SFRC的出現(xiàn)，較好的解決了這一問(wèn)題，在不需要提高混凝土基體強(qiáng)度的情況下，大幅增強(qiáng)了混凝土的抗沖耐磨、抗沖擊性能。

2.2 渠道襯砌

鑒于歷史原因、條件限制，新中國(guó)早期修建的渠道，較多為無(wú)襯砌土渠，在輸水的過(guò)程中水滲漏、渠道沖刷損失等現(xiàn)象突出。為了改善渠道的輸水過(guò)水能力，提高渠道抗沖刷能力，近年來(lái)，渠道新建、改建中較多實(shí)施了防滲襯砌工程。其中襯砌結(jié)構(gòu)采用的是復(fù)合土工膜加現(xiàn)澆鋼纖維混凝土板做防滲結(jié)構(gòu)，防滲抗沖刷效果良好，可以推廣應(yīng)用。

3 鋼纖維混凝土的施工工藝

以某工程閘底板、閘墩維修改建為例。由于水閘建成運(yùn)行多年，下部沖磨較嚴(yán)重。鑒于SFRC增強(qiáng)增韌效果好、施工工藝簡(jiǎn)單、施工速度快、綜合投資較少等優(yōu)點(diǎn)，擬對(duì)損壞突出的閘底板及閘墩1.50 m高范圍采用SFRC加固修補(bǔ)，1.50 m以上部位采用M20水泥砂漿抹面。

3.1 施工工藝

3.1.1 閘墩表面清理

SFRC澆筑前，首先檢查、清除閘墩表面污物及松動(dòng)混凝土。其次，清理基底表層，增強(qiáng)新舊混凝土的粘結(jié)。

3.1.2 基底表面清洗

采用高壓風(fēng)吹和高壓水沖洗2種方式結(jié)合使用，清除破碎混凝土表面。同時(shí)注意，澆筑SFRC時(shí)，基底表面保持一定濕度，增強(qiáng)新舊混凝土粘結(jié)能力。

3.1.3 埋設(shè)標(biāo)識(shí)

澆筑SFRC前，在閘墩表面埋設(shè)短鋼筋，并用鋼絲網(wǎng)與短鋼筋進(jìn)行焊接，便于控制混凝土厚度。短鋼筋可按50 cm的間距布置，露出閘墩的長(zhǎng)度略大于設(shè)計(jì)混凝土層厚度。

3.1.4 混凝土拌制

為保證鋼纖維在混凝土中均勻分散，應(yīng)嚴(yán)格注意投料次序，先將鋼纖維及粗骨料投入拌和機(jī)攪拌30 s使鋼纖維分散在石子中，保證鋼纖維充分分散；然后將砂和水泥等細(xì)集料投入拌和機(jī)干攪拌至少30 s，再在轉(zhuǎn)動(dòng)著的攪拌機(jī)中加水，再攪拌2.50 min左右。

3.1.5 澆筑

SFRC的澆筑施工與普通混凝土基本相同。在對(duì)閘墩表面進(jìn)行鑿除，超欠挖是不可避免的，因此在澆筑SFRC前，先澆素混凝土找平，再澆筑SFRC，降低回彈率。

3.16 養(yǎng)護(hù)

養(yǎng)護(hù)可采用噴水及噴霧的方法，使SFRC表面保持一定濕度，噴水養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)達(dá)到15 d以上。

3.2 工程效果

本水閘改造工程施工結(jié)束運(yùn)行3 a以來(lái)，閘墩表面平整，無(wú)變形、裂縫產(chǎn)生。閘門(mén)改造工程完工后，徹底解決了困擾多年的停水檢修閘門(mén)的問(wèn)題，使灌區(qū)供水恢復(fù)正常，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

SFRC作為一種新型建材，鋼纖維的摻入不但使其具有普通混凝土的優(yōu)良性能，還明顯增強(qiáng)改善了其抗拉、抗韌等性能，擴(kuò)展了普通混凝土的工程應(yīng)用范圍。然而，鋼纖維混凝土在研究和應(yīng)用方面仍存在一些有待進(jìn)一步解決的問(wèn)題，如缺少國(guó)家技術(shù)規(guī)程、施工程序不夠簡(jiǎn)化等。因此，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際，深入充分研究，加強(qiáng)各單位協(xié)調(diào)配合，盡早制定完善相關(guān)技術(shù)規(guī)范、簡(jiǎn)化鋼纖維混凝土的施工程序，進(jìn)而為SFRC的使用提供依據(jù)，擴(kuò)大使用范圍。

[1]尤培波.鋼纖維高強(qiáng)混凝土框架中節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究[D].鄭州大學(xué)，2011.

TU 528

A

1673-8853（2016）11-0072-02

2016-09-23

（責(zé)任編輯：左英勇）

張祥振(1980-)，男，工程師，主要從事水利工程監(jiān)理和施工管理工作。