纖維混凝土在水利水電工程的應(yīng)用研究

李永歡

(遼寧省燈塔市水利灌溉服務(wù)中心，遼寧 遼陽 111300)

從1980s美國(guó)學(xué)者最先以合適的比例混合使用水泥混凝土與FIBER MESH纖維絲以來，各國(guó)學(xué)者積極開展了工程應(yīng)用探索和結(jié)構(gòu)及材料性能試驗(yàn)研究[1]。纖維混凝土是一種由粗細(xì)骨料、外加劑、水、水泥和纖維按適當(dāng)比例混合而成的復(fù)合材料，憑借其獨(dú)特的抗凍融、抗沖擊、抗?jié)B透、抗振動(dòng)、增強(qiáng)增韌、阻裂耐磨等性能，在道路橋梁、市政、建筑、水利、海岸、隧道等多個(gè)工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]。由于復(fù)雜的環(huán)境條件水工構(gòu)筑物長(zhǎng)期受到水流沖擊、淘刷、滲透、磨損等作用，所以實(shí)際工程中對(duì)混凝土性能要求更高，特別是重要部位使用性能優(yōu)異的纖維混凝土必將發(fā)揮較好的效果。

1 纖維性能機(jī)理

1.1 工程用纖維的種類

選擇不同類型的纖維所制成的纖維混凝土性能和種類不同，借鑒現(xiàn)有研究資料將纖維混凝土中的纖維按彈性模量和材質(zhì)可以劃分成多種類型，如表1。

表1 工程用纖維分類

由于能夠有效解決混凝土的部分缺陷問題，加之其力學(xué)性能優(yōu)良，有機(jī)合成纖維混凝土逐漸成為當(dāng)前研究與應(yīng)用的主要材料，其使用價(jià)值和應(yīng)用前景廣泛。本文結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用情況和國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究資料，收集整理了不同工程中合成纖維的摻量區(qū)間，旨在為工程實(shí)際應(yīng)用提供一定參考，如表2。

表2 不同工程中合成纖維的推薦摻量

1.2 纖維混凝土性能機(jī)理

纖維具有增強(qiáng)增韌、阻裂抗?jié)B等多種功能，有必要探討纖維改善混凝土性能的作用機(jī)理，具體如下。

1.2.1 抗?jié)B性能

實(shí)踐表明，摻入適量的纖維能夠有效改善混凝土的抗?jié)B性。線彈性斷裂力學(xué)認(rèn)為，纖維有利于促使應(yīng)力裂縫的閉合，控制纖維分布間距在7.6 mm以內(nèi)時(shí)能夠顯著改善混凝土初期的抗拉彎強(qiáng)度。所以，在混凝土失水干縮出現(xiàn)裂縫的條件下，纖維的摻入既能減小裂縫的尺寸大小，又能明顯減少初始裂縫以及貫通裂縫的數(shù)量。研究認(rèn)為，滲水量與細(xì)化裂縫根數(shù)呈正比。因此，單位體積上纖維分布越密集則裂縫的細(xì)化度越高，這是纖維改善混凝土抗?jié)B性的作用機(jī)理。

1.2.2 增韌性能

一般地，材料的韌性是指保持其足夠抗力的性能，即抵抗材料塑性變形的作用，而韌性的提高是纖維最為顯著的特征。

在外力沖擊作用下纖維有利于延長(zhǎng)裂縫出現(xiàn)時(shí)間，通過改善破壞前的變形能力達(dá)到抑制混凝土脆性破壞的作用，即較好的塑性變形可以消耗沖擊所產(chǎn)生的能量。此外，對(duì)于作用在混凝土基體上的沖擊能量大量亂向分布于混凝土內(nèi)部的纖維本身就可以吸收，在外力作用下纖維能夠提高混凝土的塑性變形性能。

1.2.3 增強(qiáng)作用

纖維的增強(qiáng)作用主要是提高混凝土基體的抗拉強(qiáng)度，對(duì)抗剪、彎拉強(qiáng)度等也有改善作用，摻入含量較高、彈性模量較高的纖維可以大大增強(qiáng)抗壓強(qiáng)度。

目前，學(xué)術(shù)界逐漸形成“纖維間距”和“復(fù)合材料”兩種不同觀點(diǎn)。纖維間距又稱為纖維阻裂機(jī)理，該理論提出多種空隙、裂縫等分布于混凝土內(nèi)部，這些缺陷部位受外力作用出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致裂縫不斷擴(kuò)展直至結(jié)構(gòu)整體的破壞，對(duì)此增強(qiáng)抑制裂縫延伸與擴(kuò)展的能力、縮小裂縫尺度、減少裂縫數(shù)量以及提高材料的抗拉強(qiáng)度是非常重要的。復(fù)合材料機(jī)理以材料性能混合為出發(fā)點(diǎn)，通過計(jì)算推導(dǎo)明確纖維摻量、粘結(jié)力、長(zhǎng)徑比、方向與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系，并推算其抗彎與抗拉強(qiáng)度。因此，將纖維摻入脆性材料中形成復(fù)合材料，可以明顯增強(qiáng)脆性材料的抗裂能力，從而實(shí)現(xiàn)纖維增強(qiáng)混凝土的目標(biāo)。

1.2.4 阻裂作用

阻裂作用是指纖維抑制收縮裂縫的形成與擴(kuò)展作用，均勻分布的纖維發(fā)揮著支撐骨架作用，可有效抑制了粗細(xì)骨料的沉降?；炷岭x析時(shí)表面出現(xiàn)水泥砂漿或凈漿，因失水過多使表面出現(xiàn)過大的收縮，并進(jìn)一步發(fā)展形成較多的裂縫。將纖維摻入到混凝土中能夠有效控制表面析水，對(duì)混凝土離析起到很好的抑制和防止作用，可有效控制裂縫的出現(xiàn)?；炷劣不€會(huì)產(chǎn)生干縮或收縮應(yīng)力，當(dāng)抗拉強(qiáng)度不足以抵抗這些應(yīng)力就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部微裂縫的形成，而這些微裂縫往往是混凝土破壞的起點(diǎn)，受外力作用時(shí)微裂縫會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展生成貫通的網(wǎng)絡(luò)，從而破壞結(jié)構(gòu)整體性。內(nèi)部亂向均勻分布的大量纖維，如同微細(xì)筋發(fā)揮阻裂作用，通過消耗部分能量達(dá)到阻裂抗裂的目的。

研究表明，纖維可以改善混凝土抗裂性，而改性纖維可以減少約90%的裂縫，可見纖維可顯著提高混凝土的抗裂性。

2 水利水電工程中纖維混凝土的應(yīng)用

由無數(shù)個(gè)大小不等運(yùn)動(dòng)著的漩渦組成的高速紊流持續(xù)作用于水工建筑物的某些部位，而漩渦有隨水流震蕩、旋轉(zhuǎn)、運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，該過程中各質(zhì)點(diǎn)也發(fā)生運(yùn)動(dòng)，這種紊動(dòng)導(dǎo)致水流質(zhì)點(diǎn)形成動(dòng)水壓強(qiáng)以及流速脈動(dòng)。因此，水工建筑物的某些部位受高速紊流和復(fù)雜多變的水流作用產(chǎn)生嚴(yán)重的滲透、磨損、淘刷、沖擊等問題，尤其是水流中含泥沙時(shí)產(chǎn)生了更為嚴(yán)重的問題。因此，為了增強(qiáng)抗沖擊和抗磨蝕性能，一般采用纖維混凝土澆筑重要部位。目前，水利工程中越來越多的應(yīng)用纖維混凝土，并取得了顯著的成效。

2.1 渠道襯砌

我國(guó)早期修建的渠道大多屬于土渠，經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行輸水滲漏問題比較突出，對(duì)此近期興建了許多防滲襯砌工程，將改性纖維與土工膜相結(jié)合做成的混凝土襯砌發(fā)揮著良好的防滲作用。經(jīng)檢驗(yàn)，纖維混凝土的抗?jié)B、抗裂和抗壓強(qiáng)度等性能均達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，纖維能夠有效減少滲漏損失，發(fā)揮較好的抗?jié)B作用，保證渠床的較低含水運(yùn)行，對(duì)消除或減輕嚴(yán)寒地區(qū)基土的凍脹問題也具有積極作用。

2.2 水下結(jié)構(gòu)

由于混凝土的開裂以及內(nèi)部微裂紋較多，采用普通混凝土澆筑的水電站主廠房水下結(jié)構(gòu)抗?jié)B能力較差，從而導(dǎo)致下層結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于潮濕的環(huán)境中，在不同程度上影響到機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行。因此，對(duì)于碼頭、倉(cāng)庫(kù)、水池、地下室、水利工程等建筑物都使用了纖維混凝土，對(duì)改善結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能和抑制塑性龜裂等發(fā)揮著重要作用。

2.3 板式結(jié)構(gòu)

對(duì)于船閘底板、護(hù)坦、消力池等與基巖直接接觸的水工底板混凝土，受外力作用極易出現(xiàn)裂縫。纖維的摻入能夠有效控制初凝過程中收縮裂縫的形成，加之其干縮量較低使得開裂問題得以徹底解決。相對(duì)于表層設(shè)置鋼筋網(wǎng)采用纖維混凝土使用更簡(jiǎn)便、快捷，成本也耕地。例如，白溪水庫(kù)大壩二期面板處于干濕交替區(qū)，為增強(qiáng)其變形能力以及控制裂縫的出現(xiàn)，經(jīng)專家評(píng)審一致同意使用聚丙烯纖維混凝土技術(shù)。

2.4 施工道路路面

建設(shè)過程中水利工程通常裝配超重型或者重型汽車，對(duì)施工路面有較高的抗沖擊、抗裂、抗磨性能要求。因此，一般選用聚丙烯纖維混凝土鋪路，從而滿足各種施工運(yùn)輸要求。值得一提的是，該過程不得使用金屬纖維混凝土，因?yàn)槠囕喬ヒ资苣p，并且這種路面的成本較高。在水利工程施工路面鋪設(shè)時(shí)成功使用纖維混凝土的案例也較多，例如利用聚丙烯纖維混凝土鋪筑的三峽大壩120棧橋墊層，不僅大大降低了投資成本而且保證了耐久性要求。

2.5 易沖磨、沖刷部位

泄洪洞、消力池、排沙孔道、閘門門槽和溢流槽等水工建筑物長(zhǎng)期受到氣蝕和水流磨蝕作用，為解決這些問題通常選用硅粉混凝土和高強(qiáng)混凝土，其成本高且施工難度大，對(duì)改善混凝土抗磨損、抗沖蝕性能不明顯。因此，針對(duì)以上工程的相應(yīng)部位利用抗沖擊、抗沖耐磨性能優(yōu)良的纖維混凝土成為最佳選擇，并且無需提高其強(qiáng)度等級(jí)。

3 結(jié)語

纖維混凝土因其增韌增韌、抗?jié)B阻裂、耐磨抗沖等優(yōu)良性能越來越引起研究者的重點(diǎn)關(guān)注，并成功應(yīng)用于實(shí)際工程領(lǐng)域。然而，在研究和應(yīng)用過程中纖維混凝土還存在一些不足之處，如纖維混凝土施工程序繁瑣、缺少國(guó)家技術(shù)規(guī)程以及相關(guān)研究不夠深入。因此，尚需加強(qiáng)纖維混凝土的實(shí)用技術(shù)研究，對(duì)于海岸、水利、隧洞等盡快頒布切實(shí)可行的技術(shù)規(guī)范，逐步優(yōu)化施工流程，從而充分發(fā)揮新型復(fù)合材料的優(yōu)良性能，為推動(dòng)水利事業(yè)發(fā)展和國(guó)家建設(shè)提供更好的服務(wù)。