纖維混凝土在水閘中的應(yīng)用研究

單 輝

(河南省信陽市南灣水庫管理局，河南 信陽 464031)

1 引 言

水閘是一種控制洪水、提供潮汐防護(hù)、引水和蓄水的水工建筑物。它的運行管理是保障廣大人民群眾生命財產(chǎn)安全的根本[1-2]。自政府加強(qiáng)對河道排水渠、易發(fā)洪水的滯洪區(qū)和抽水站的治理以來，全國各地的水閘數(shù)量不斷增加。一般的水閘閘門大多由金屬(包括鑄鐵、黑鐵和不銹鋼)制成，由于全球金屬價格持續(xù)上漲，推高了廢金屬價格，水閘閘門經(jīng)常被盜并作為廢金屬出售，這種盜竊在人口稀少的地區(qū)更為常見。另外，笨重的鋼閘門偶發(fā)的水閘故障會影響到防洪工作，從而危及公共安全和財產(chǎn)安全，因此開發(fā)非鋼閘門是另一種重要途徑?；炷灵l門自重較低，被盜的可能性較小，并且可以方便排水，很快便得到推廣應(yīng)用。水質(zhì)及水量的不同，使得混凝土閘門有所差別，當(dāng)水質(zhì)較差時一般采用樹脂混凝土閘門，其耐腐蝕性更強(qiáng)。當(dāng)水流量較大時一般采用纖維混凝土(Fiber-Reinforced Concrete，F(xiàn)RC)閘門，其強(qiáng)度更大，并且其耐腐蝕性也強(qiáng)于一般混凝土閘門。本文的研究對象為對閘門強(qiáng)度要求較高的纖維混凝土閘門?；炷辆哂袕?qiáng)度高、密度大、耐久性好、彈性模量大、滲透性低、造價低等特點，其重量也遠(yuǎn)小于鋼。FRC是一種含有均勻分布纖維的復(fù)合混凝土材料，其高抗拉強(qiáng)度有助于防止材料內(nèi)部破裂，并使其能夠承受裂縫的擴(kuò)展。因此，F(xiàn)RC比普通混凝土更堅固，更能抵抗裂縫、沖擊和磨損[3-6]。本文對纖維混凝土水閘門的力學(xué)性能、耐久性和成本進(jìn)行了評估，研究成果可應(yīng)用于類似水利工程。

2 纖維混凝土閘門的設(shè)計與施工

圖1 水閘圖解

本文以信陽市南灣水庫水閘為研究對象，該水閘結(jié)構(gòu)主要由以下幾部分組成：?閘門，包括主體結(jié)構(gòu)、框架和固定底座的活動裝置，通常由鋼制成；?涵洞，嵌入地下并穿過防洪道路和堤防，它將河岸內(nèi)的排水渠和河岸外的排水結(jié)構(gòu)連接起來，在入口處有一個孔，在出口處有一個孔；?起重裝置或絞車，采用手動、電動或液壓驅(qū)動機(jī)械打開和關(guān)閉閘門；?井架，由金屬制成，連接閘門和卷揚機(jī)，并以螺紋或梯形形狀制造。圖1是水閘的圖解，閘門可以自動或手動操作。自動閘門通常安裝在堤壩和堤岸上，以防止潮汐和洪水，利用堤岸內(nèi)外水位差產(chǎn)生的壓力釋放自重壓力，防止潮水入侵。手動閘門要求操作人員使用卷揚機(jī)驅(qū)動井架，從而垂直打開和關(guān)閉閘門，通常安裝在溝渠或河流上，用于區(qū)域農(nóng)田灌溉。在本研究中，所提出的FRC閘是自動操作的。

2.1 FRC閘門設(shè)計

FRC閘門是根據(jù)日本電力土木工程協(xié)會(Japan Electric Power Civil Engineering Association)制定的水閘和鐵管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的。在南灣水庫河堤分別設(shè)置兩道FRC泄水閘，為水閘A和水閘B，其長、寬、厚分別為1700mm、1700mm、80mm和1050mm、1050mm、60mm。兩個閘門都包含雙層鍍鋅鋼絲網(wǎng)(鋼絲直徑2.6mm，網(wǎng)間距26mm，極限抗拉強(qiáng)度2600MPa)和15mm厚的透明蓋，在這里鍍鋅鋼絲網(wǎng)主要起加筋作用，在鋼絲網(wǎng)水泥構(gòu)件(即水閘)變形過程中，鋼絲網(wǎng)與水泥砂漿相互作用，從而增強(qiáng)水泥構(gòu)件的強(qiáng)度。此外，在吊耳中心250mm長和寬的范圍內(nèi)焊接3mm厚的鋼板，以增加吊耳中的鋼筋數(shù)量，并將其固定得更緊密。

水閘的設(shè)計荷載包括靜水壓力、地震動水壓力、地震慣性力、泥漿壓力、浮力、浮木和其他漂流物的沖擊力以及泥石流時的流動和靜壓。在雙向板理論的基礎(chǔ)上，估算了閘門的最大主應(yīng)力、最大應(yīng)變和剪應(yīng)力，并確定了結(jié)構(gòu)所需的鋼筋數(shù)量。表1為水閘的應(yīng)變-應(yīng)力分析結(jié)果。

表1 FRC閘門應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果

2.2 FRC閘門施工

2.2.1 材料組成及規(guī)格

閘門材料包括：水；普通硅酸鹽Ⅰ型水泥；細(xì)集料(取自河道中的天然砂，比重2.621，吸水率1.33%，細(xì)度模數(shù)2.98，含泥量6.44%)；壓縮硅粉(含硅量92.15%，燒失量1.75%，通過325目篩91.93%)；水淬渣粉(CHC資源公司生產(chǎn)，比重2.89)；F級粉煤灰；碳纖維(比重1.8)；G型高效減水劑(HICON MTP-A40，比重1.1)。水/水泥材料比(體積比)設(shè)定為0.26，每單位體積混凝土中粗骨料的百分比為35%(磨耗損失小于40%)。新拌混凝土坍落度為(20±2)cm，無泌水和集料離析現(xiàn)象。表2為纖維混凝土的組成。

表2 FRC閘門材料組成 單位:kg/m3

選擇使用碳纖維的主要原因是其具有高質(zhì)量和高強(qiáng)度的特點，因此常被用于結(jié)構(gòu)加固。碳纖維具有很高的拉伸強(qiáng)度和彈性模量，它們不易受到惡劣環(huán)境和高溫的影響，碳纖維主要分為兩種：高強(qiáng)度纖維(HS)和高彈性模量纖維(HM)，本研究中使用的是高強(qiáng)度纖維。

2.2.2 纖維混凝土閘門的施工與養(yǎng)護(hù)

FRC閘門的建造涉及木模的制造、鍍鋅鋼絲網(wǎng)的布置、鋼板的焊接和混凝土的混合，以及在水閘閘門周圍安裝固定螺栓以安裝橡膠水封。一旦這些步驟完成，混凝土澆筑就開始了。在混凝土澆筑過程中，用振動器將混凝土搗實，隨后用抹子將混凝土抹平。制備后的混凝土在一天脫模，并進(jìn)行28天的濕養(yǎng)護(hù)。在堤防出口框架處安裝混凝土閘門之前，在閘門周圍準(zhǔn)備固定螺栓，以便安裝橡膠水封，使閘門防水。在本研究中，采用了P型無孔閘門水封，如圖2～圖4所示。圖5顯示，兩個新建造的FRC閘門表面相當(dāng)光滑，幾乎沒有可見氣泡或氣孔。

圖2 吊耳相對于鋼絲網(wǎng)的位置

圖3 混凝土澆筑

3 纖維混凝土性能測試

根據(jù)ASTM C143對FRC的坍落度流動進(jìn)行了測試。根據(jù)ASTM C138測試空氣含量和單位重量?；旌系慕Y(jié)果表明，F(xiàn)RC在分離和滲出的情況下沒有發(fā)生流動。坍落度流量試驗結(jié)果為67cm，坍落度試驗結(jié)果為24cm，新拌混凝土含氣量為2.0%，容重為2373kg/m3。FRC的抗壓強(qiáng)度(ASTM C39)、彎曲強(qiáng)度(ASTM C78)、

圖4 FRC閘門安裝水封

圖5 拆除的FRC閘門表面

劈裂抗拉強(qiáng)度(ASTM C496)、彈性模量(ASTM C469)和熱膨脹系數(shù)(AASHTO T336)分別為99.3MPa、18.2MPa、7.6MPa、40.0MPa和2.16×10-5/℃。力學(xué)性能試驗結(jié)果見表3。

表3 纖維混凝土力學(xué)性能試驗結(jié)果

FRC長度變化率(ASTM C157)，在7天時為0.006，14天時為0.005，21天時為0.004，28天時為0.005。這表明混凝土的尺寸在21天后開始穩(wěn)定，28天內(nèi)混凝土的總長度變化為0.062mm，在日本壩堰設(shè)備工程協(xié)會發(fā)布的檢驗指南中規(guī)定的允許閘門尺寸誤差(4.5mm)范圍內(nèi)。

經(jīng)過90天的鹽漬試驗(ASTM C1543)，耐久性試驗的結(jié)果可以用菲克第二定律計算出來(見圖6)。此結(jié)果表明，混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為2.25×10-12m2/s。根據(jù)菲克第二擴(kuò)散定律，結(jié)構(gòu)中的大氣氯離子濃度低于0.05%時，該結(jié)構(gòu)中混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)低于3×10-12m2/s，氯離子通過混凝土孔隙到達(dá)鋼筋表面約需50年。在交替暴露于硫酸鈉干浸漬和濕浸漬5次后，混凝土的重量損失了1%，抗壓強(qiáng)度損失了0.9%。因此，本研究所使用的混凝土符合典型結(jié)構(gòu)的使用壽命要求，在堅固性試驗前后具有較低的重量和抗壓強(qiáng)度損失，因此表現(xiàn)出較高的抗硫酸鹽侵蝕能力[7]。

圖6 纖維混凝土積水試驗結(jié)果

采用《建筑板沖擊試驗方法》(CNS 9961)對混凝土板的抗沖擊能力進(jìn)行了試驗研究。在這種方法中，一個13.5kg重的鋼球從200cm的距離落在混凝土試件的中心。試樣底部由四個側(cè)面支撐(見圖7)。重復(fù)沖擊試驗，直到形成任何可見裂縫或試樣發(fā)生變形；在此點之前的沖擊總數(shù)用作混凝土抗沖擊能力的測量。沖擊試驗采用純混凝土試件和纖維混凝土試件。兩者的尺寸均為500mm×500mm×60mm，并包含雙層鍍鋅鋼絲網(wǎng)。8次沖擊后，鋼筋混凝土試件和28次沖擊后的纖維混凝土試件上形成小裂紋(見圖8)。因此，含有雙層鍍鋅鋼絲網(wǎng)的纖維混凝土閘門在受到漂流木或其他漂流物沖擊時，其表面不易發(fā)生脆性斷裂[8]。

圖7 建筑板沖擊試驗裝置

圖8 沖擊試驗后混凝土試件產(chǎn)生裂縫

與不銹鋼和鑄鐵閘門相比，F(xiàn)RC閘門性能相當(dāng)，但比重和殘值較低。值得注意的是，F(xiàn)RC閘門具有較高的耐酸、堿和鹽性能，維護(hù)和制造成本較低，使用壽命較長，被盜的可能性較小。此外，其低比重不會導(dǎo)致自重減少。這是因為FRC閘門的保護(hù)蓋足夠厚，比同等尺寸的不銹鋼和鑄鐵閘門更重。

4 結(jié) 語

本文以FRC和雙層鋼絲網(wǎng)組成的閘門為研究對象，對其抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量進(jìn)行測試，結(jié)果表明，含有雙層鍍鋅鋼絲網(wǎng)的纖維混凝土閘門在受到漂流木或其他漂流物沖擊時，其表面不易發(fā)生脆性斷裂，對其進(jìn)行耐久性測試，得出混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)低于3×10-12m2/s，纖維混凝土閘門表現(xiàn)出較高的抗硫酸鹽侵蝕能力。此外，纖維混凝土閘門的性能存在多樣性，在不同應(yīng)用場合可選擇不同的纖維增強(qiáng)混凝土，如在堿性環(huán)境時可選擇耐堿玻璃纖維增強(qiáng)混凝土，須降低其質(zhì)量時可選用芳綸纖維增強(qiáng)混凝土，須增加其強(qiáng)度時，可選用高強(qiáng)度碳纖維增強(qiáng)混凝土。因此，可以在水利工程中廣泛推廣使用纖維混凝土閘門。