UF500纖維素纖維抗沖磨混凝土應(yīng)用研究

任智鋒

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

UF500纖維素纖維抗沖磨混凝土應(yīng)用研究

任智鋒

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

針對(duì)龍口水利樞紐泄水建筑物在高速挾沙水流條件下的磨蝕問題，采用硅粉代替部分水泥，并摻入U(xiǎn)F500纖維素纖維的方法配制出滿足設(shè)計(jì)要求的抗沖磨混凝土?，F(xiàn)場(chǎng)施工取樣的結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了推薦的混凝土配合比滿足抗沖磨要求，性能良好。

龍口水利樞紐；抗沖磨混凝土；UF500纖維素纖維；配合比

1 工程概況

黃河龍口水利樞紐位于黃河北干流托克托至龍口河段的尾部，陜西省河曲縣與內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗交界處，是一個(gè)大（2）型的綜合利用的水利水電工程。樞紐主要任務(wù)是對(duì)萬(wàn)家寨水電站調(diào)峰流量進(jìn)行反調(diào)節(jié)，使黃河龍口～天橋區(qū)間不斷流，并參與晉蒙電網(wǎng)調(diào)峰發(fā)電。樞紐大壩為混凝土重力壩，設(shè)計(jì)最大壩高51 m，壩頂全長(zhǎng)408 m，壩頂高程900 m，正常蓄水位898.00 m，總庫(kù)容1.96億m3，總裝機(jī)容量420 MW。樞紐水工建筑物包括攔河壩、泄流底孔、表孔、河床式電站廠房、副廠房及GIS開關(guān)站等。

龍口水利樞紐地處多泥沙黃河干流中游河段，泥沙問題突出，多年平均含沙量6.36 kg/m3，汛期最大含沙量289 kg/m3，年均入庫(kù)沙量1.51億t，由于水庫(kù)庫(kù)容小，庫(kù)沙比僅有1.6，水庫(kù)淤積平衡年限較短，為保持0.71億m3的調(diào)節(jié)庫(kù)容，要求樞紐必須具有較強(qiáng)的排沙能力。結(jié)合樞紐泄洪建筑物要求，采用以底孔為主的泄洪排沙布置方式，在主河床布置了10個(gè)4.5 m×6.5 m的底孔，進(jìn)口高程為863.0 m，略高于原河床底高程。同時(shí)，為保證電站進(jìn)水口“門前清”，在電站壩段采取了分散排沙布置方式共設(shè)置9個(gè)排沙洞，4個(gè)大機(jī)組壩段每個(gè)布置2個(gè)，副安裝間壩段布置1個(gè)，排沙洞位置和高程的選定以保證排沙漏斗足以控制電站進(jìn)水口為原則。有關(guān)試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果表明，表孔、底孔過流面的流速在18～25 m/s，屬于高流速區(qū)，高流速的含沙水流對(duì)泄水建筑物過流面的沖刷磨損、空蝕作用會(huì)導(dǎo)致表層混凝土大面積剝蝕，嚴(yán)重的則會(huì)引發(fā)災(zāi)難性事故，因此泄水建筑物的抗沖磨問題成為工程一個(gè)迫切需要解決的問題。工程設(shè)計(jì)要求28 d抗沖磨強(qiáng)度9.0 h/（kg·m2），90 d抗沖磨強(qiáng)度12.0 h/（kg·m2）。

2 原材料選擇及配合比試驗(yàn)

2.1 原材料選擇

工程建設(shè)初期，曾利用天然砂、人工碎石與鐵礦石的混合石配制出28 d抗沖磨強(qiáng)度可達(dá)11～13 h/（kg·m2）的抗沖磨混凝土，可滿足設(shè)計(jì)要求，但由于鐵礦石產(chǎn)量有限且施工期間價(jià)格飛漲，不滿足經(jīng)濟(jì)要求。為優(yōu)化設(shè)計(jì)，尋求更為經(jīng)濟(jì)合理的混凝土配比，科研人員根據(jù)龍口現(xiàn)場(chǎng)混凝土骨料、膠凝材料以及外加劑等實(shí)際情況，并借鑒國(guó)內(nèi)有關(guān)工程的成功經(jīng)驗(yàn)，用硅粉替代部分水泥，并摻入一部分纖維素纖維的方法，配置出了滿足設(shè)計(jì)要求的抗沖磨混凝土，并在工程中得到了成功應(yīng)用。

結(jié)合龍口水利樞紐施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，抗沖磨混凝土配合比選用的材料有：

1）水泥：內(nèi)蒙古冀東水泥有限公司生產(chǎn)的“盾石”牌普通硅酸鹽P.O42.5水泥，該水泥檢測(cè)項(xiàng)目符合GB175－2007標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2）粉煤灰：河曲二電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，檢測(cè)項(xiàng)目符合DL/T5055-1996標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3）硅粉：山西黃河新型化工有限公司生產(chǎn)的硅粉，檢測(cè)項(xiàng)目符合GB/T18736－2002標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4）細(xì)骨料：施工現(xiàn)場(chǎng)的天然砂，檢測(cè)項(xiàng)目符合DL/T5144－2001標(biāo)準(zhǔn)的要求。

5）粗骨料：人工碎石，粒徑為5～20 mm和20～40 mm。檢測(cè)項(xiàng)目符合DL/T5144－2001標(biāo)準(zhǔn)的要求。

6）外加劑：山西黃河新型化工有限公司生產(chǎn)的HJSX-A型聚羧酸高性能減水劑、石家莊市中偉建材有限公司生產(chǎn)的DH-9A引氣劑。檢測(cè)項(xiàng)目均符合GB 8076－1997標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.2 配合比試驗(yàn)

混凝土的設(shè)計(jì)性能指標(biāo)見表1。

表1 混凝土的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)選定的原材料，利用正交設(shè)計(jì)進(jìn)行混凝土配合比優(yōu)化組合試驗(yàn)確定推薦的混凝土配合比如表2。

3 纖維素纖維對(duì)混凝土性能的影響

3.1 纖維素纖維對(duì)混凝土抗沖磨特性的影響

依據(jù)SL352-2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定的圓環(huán)法，測(cè)定在模擬懸移質(zhì)和推移質(zhì)條件下?lián)嚼w維素纖維混凝土的抗沖磨特性。摻纖維素纖維混凝土的抗沖磨特性試驗(yàn)結(jié)果見表3。其中硅粉摻量為5%，各種纖維的摻量均為0.9 kg/m3。

試驗(yàn)結(jié)果表明：摻纖維素纖維可以提高混凝土28 d抗沖磨強(qiáng)度19.6%，提高90 d抗沖磨強(qiáng)度11%；與摻聚丙烯纖維相比，混凝土抗沖磨強(qiáng)度28 d可提高7.96%，90 d可提高3.05%。

由此可得，摻纖維素纖維可提高混凝土的抗沖磨強(qiáng)度，在相同的硅粉摻量條件下，摻纖維素纖維混凝土的抗沖磨能力優(yōu)于摻聚丙烯纖維混凝土的抗沖磨能力。

3.2 纖維素纖維對(duì)混凝土體積穩(wěn)定性的影響

混凝土一旦出現(xiàn)裂縫，就會(huì)破壞結(jié)構(gòu)的完整性，降低混凝土的抗沖磨能力。因此混凝土的體積穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)者十分關(guān)注的指標(biāo)之一，一般采用的混凝土的干縮變形以及自生體積變形等指標(biāo)來評(píng)價(jià)混凝土的體積穩(wěn)定性。

表3 纖維素纖維對(duì)混凝土抗沖磨特性的影響

混凝土的干縮（濕脹）是指在無外荷載和恒溫條件下由于干、濕引起的軸向長(zhǎng)度變形。在混凝土中摻入0.9 kg/m3的纖維素纖維和聚丙烯纖維，混凝土的干縮變形見圖1。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：①試驗(yàn)配合比混凝土的干縮曲線規(guī)律一致，前28 d干縮率較大，28 d后干縮趨于平穩(wěn)。②利用施工現(xiàn)場(chǎng)天然砂配制的混凝土摻用5%硅粉時(shí)，用聚丙烯纖維和UF500纖維配制的混凝土90 d的干縮率基本相同，分別為280×10-6，286×10-6。

混凝土的自生體積變形是在恒溫絕濕的條件下，僅由于水泥水化作用而引起的體積變形。在恒溫（20±2℃）絕濕的條件下，試驗(yàn)配合比混凝土的自生體積變形曲線見圖2。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：①兩個(gè)配合比的混凝土的自生體積變形均為收縮過程，后期自生體積變形基本保持穩(wěn)定。②用聚丙烯纖維配制的混凝土（編號(hào)L25）的最大收縮變形值為162×10-6，用UF500纖維配制的混凝土（編號(hào)L28）的最大收縮變形值為146×10-6，兩者基本相同。

4 纖維素纖維特性及其對(duì)混凝土性能影響的機(jī)理分析

纖維素纖維是新一代高性能纖維，其結(jié)構(gòu)既不同于早期的天然木質(zhì)纖維，也不同于近幾年發(fā)展起來的聚丙烯、聚丙烯腈等合成纖維，其基體取自特殊樹種。纖維素纖維具有天然的親水性能，使水泥的水化產(chǎn)物附著在纖維表面，增強(qiáng)了纖維與水泥基體的粘結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)可使纖維單絲均勻分布在水泥基材料中，分散性好，無結(jié)團(tuán)。纖維素纖維比表面積為25 000 cm2/g，長(zhǎng)12 mm的1 kg纖維素纖維可達(dá)15.9億根。這些特性決定了纖維素纖維與混凝土的接觸面積大，可有效改善纖維與基體的粘結(jié)性能，組織裂縫的萌生和發(fā)展，提高硬化混凝土的變形能力。纖維素纖維獨(dú)有纖維空腔，能夠蓄存一些自由水，在水泥水化的過程中，這部分水分會(huì)緩慢釋放，促進(jìn)水泥繼續(xù)水化，補(bǔ)償混凝土的收縮，從而改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，提高混凝土早期阻裂性能及體積穩(wěn)定性。纖維素纖維的直徑小，長(zhǎng)度短，對(duì)混凝土流動(dòng)性和坍落度損失的影響小，幾乎不對(duì)混凝土的施工性能產(chǎn)生影響，還對(duì)混凝土的和易性有幫助。

表2 龍口水利樞紐工程抗沖磨混凝土推薦配合比

圖1 摻纖維素纖維混凝土干縮變形

圖2 摻纖維素纖維混凝土自生體積變形

纖維素纖維的上述特性，可很好的彌補(bǔ)采用硅粉配制的抗沖磨混凝土普遍存在的塑性收縮變形和干縮變形較大，發(fā)熱量較高，在工程中常常出現(xiàn)易開裂的現(xiàn)象?？蓽p少或防止在混凝土澆筑后早期硬化階段因沁水和水分散失而引起塑性收縮和微裂縫，也可以減少和防止混凝土硬化后期產(chǎn)生干縮裂縫及溫度變化引起的微裂縫。

當(dāng)纖維混凝土受到?jīng)_磨破壞，混凝土的基體產(chǎn)生裂縫時(shí)，纖維會(huì)橋架裂縫，纖維這種橋架作用一方面能阻礙裂縫的繼續(xù)發(fā)展；另一方面纖維也能承受部分載荷，從而緩解混凝土材料的破壞程度[3]。纖維的這種橋架作用和對(duì)磨損的抵抗作用的大小，與纖維自身的抗拉強(qiáng)度以及彈性模量有關(guān)，與聚丙烯纖維相比，纖維素纖維的抗拉強(qiáng)度和彈性模量較大，因此，摻纖維素纖維混凝土的抗沖磨特性要優(yōu)于摻聚丙烯纖維混凝土。

5 工程應(yīng)用情況

采用如上配合比配制的纖維素纖維混凝土主要應(yīng)用于龍口水利樞紐底孔、表孔溢流面、排沙洞進(jìn)口無鋼板襯砌段及下游消力池等主要過流部位?？箾_磨混凝土厚度50 cm，基層混凝土設(shè)置鍵槽并預(yù)留插筋，以增強(qiáng)與面層抗沖磨混凝土的粘結(jié)力?？箾_磨混凝土澆筑過程中未發(fā)現(xiàn)混凝土有結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，混凝土澆筑質(zhì)量易控制，且表觀質(zhì)量?jī)?yōu)良。2010年4月，施工單位對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的抗沖磨混凝土進(jìn)行了取樣檢查，混凝土強(qiáng)度為C2850F200W6，抗沖磨強(qiáng)度為9.2 h/（kg·m-2），滿足設(shè)計(jì)要求，線膨脹系數(shù)為8.2×10-6℃，與常態(tài)混凝土熱學(xué)性能指標(biāo)接近。面層與基層混凝土結(jié)合緊密，未產(chǎn)生層間冷縫。未發(fā)現(xiàn)裂縫產(chǎn)生。說明按推薦配合比配制的纖維素纖維混凝土完全滿足設(shè)計(jì)要求，施工質(zhì)量?jī)?yōu)良。

6 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于龍口水利樞紐工程泄水建筑物有較高抗沖磨要求過流面混凝土，采用硅粉替代部分水泥，同時(shí)摻入纖維素纖維配制出了滿足設(shè)計(jì)要求的抗沖磨強(qiáng)度的混凝土，現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢查表明：摻UF500纖維素纖維配置的抗沖磨混凝土較普通硅粉混凝土和用其他纖維配制的混凝土在抗壓強(qiáng)度、干縮率、收縮變形、抗凍性、抗?jié)B性、抗沖磨強(qiáng)度、與基層混凝土粘結(jié)性能、微觀結(jié)構(gòu)等多方面都有明顯優(yōu)勢(shì)。UF500纖維素纖維在防止混凝土早期開裂方面有較大改善，且施工質(zhì)量容易控制，為解決高強(qiáng)混凝土耐久性這一難題探索出合適的材料和方法，為抗沖磨混凝土在防止早期裂縫、提高混凝土的抗沖磨性能方面提出了一個(gè)新的發(fā)展空間，具有廣闊的應(yīng)用前景。［參考文獻(xiàn)］

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［2］DL/T5207-2005，水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］李光偉.纖維素纖維在水工抗沖磨高性能混凝土中的應(yīng)用［J］水利水電技術(shù)，2011，（10）：124-127.

1002－0624（2016）09－0013－03

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2016-05-21