纖維增強混凝土電桿應用研究

張立力，駱靜靜，陳晶晶，田寅，王濤，宋秋磊

（1.蘇州混凝土水泥制品研究院有限公司，江蘇 蘇州 215026；2.貴州長通集團智造有限公司，貴州 貴陽 550000）

0 引言

混凝土電桿具有運行維護方便、 節(jié)約鋼材等優(yōu)點，大量應用在輸變電工程、 鐵路電氣化工程及通信領域， 尤其在我國平原和運輸條件好的地區(qū)得到廣泛應用，然而，也存在重量大、容易開裂、耐久性較差等缺點，在電網(wǎng)運行中存在安全隱患。 針對上述缺點， 采取纖維增強的方式解決是目前較為合適的方法。

纖維混凝土是指以水泥基材料作為基體，以各種纖維作為增強材料組成的復合材料。 在混凝土中摻入不同類別的纖維， 綜合對比不同摻量各類纖維對混凝土的作用， 從混凝土原材料及配合比入手，結合現(xiàn)場的生產(chǎn)工藝及養(yǎng)護制度，嘗試制備出符合混凝土電桿標準的產(chǎn)品。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

P·Ⅱ52.5 級水泥、硅灰、礦粉、級配機制砂、減水劑、鋼纖維耐堿玻璃纖維、玄武巖纖維、聚丙烯纖維。

1.2 試驗方法

抗壓強度參照GB/T50107—2010《混凝土強度檢測評定標準》進行檢測。

電桿外觀質量參照GB/T 4623—2014《環(huán)形混凝土電桿》進行檢測。

保護層厚度參照GB/T 4623—2014《環(huán)形混凝土電桿》進行檢測。

電桿力學性能參照GB/T 4623—2014《環(huán)形混凝土電桿》進行檢測，包括承載力檢驗彎矩、抗裂檢驗系數(shù)、 開裂彎矩-最大裂縫寬度及開裂檢驗荷載-撓度等。

1.3 養(yǎng)護制度

常溫養(yǎng)護24 h 后，進養(yǎng)護池內養(yǎng)護16 h，環(huán)境溫度升溫至75 ℃持續(xù)2 h 后緩慢降溫， 養(yǎng)護結束開蓋檢測溫度為55 ℃。 繼續(xù)常溫養(yǎng)護至28 d。

2 試驗結果

2.1 混凝土基礎試驗

試驗每次攪拌24L，空白組C 原材料基礎配合比如表1 所示。 鋼纖維三組摻量分別為G1（60 kg/m3）、G2（80 kg/m3）和G3（100 kg/m3），耐堿玻纖三組摻量分別為B1（3 kg/m3）、B2（5 kg/m3）和B3（8 kg/m3），玄武巖纖維三組摻量分別為X1 （3 kg/m3）、X2（5 kg/m3）和X3（8 kg/m3），聚丙烯纖維三組摻量分別為P1（0.6 kg/m3）、P2（0.9 kg/m3）和P3（1.2 kg/m3），所有纖維均為外摻。

表1 基礎配合比 單位：kg

1 d、3 d 及7 d 抗壓強度試驗結果如圖1 所示，由圖1 可知，在養(yǎng)護早期，鋼纖維對體系強度的增加幅度并不明顯，但是隨著養(yǎng)護齡期的增加，特別是養(yǎng)護7 d 后，鋼纖維的摻入顯著增加了混凝土的抗壓強度，當鋼纖維摻量達到80 kg/m3以上時，混凝土7 d 抗壓強度與空白樣相比提高了20.4%，抗壓強度可達135.7 MPa；在養(yǎng)護7 d 全齡期，耐堿玻璃纖維、玄武巖纖維和聚丙烯纖維的摻入對體系抗壓強度的改變不夠顯著。

圖1 各類纖維混凝土抗壓強度

抗壓強度初步反映了各類纖維與混凝土之間的匹配性，其中，鋼纖維對體系強度增加幅度最大，耐堿玻纖相對玄武巖纖維和聚丙烯纖維在混凝土體系內相對具有稍好的匹配性，正面效應更多。

3 d、7 d 抗折強度試驗結果見圖2， 由折線圖的規(guī)律大致可知，同樣是鋼纖維對抗折強度的提升最為顯著，當摻量達到100 kg/m3時，無論是3 d 還是7 d，其抗折強度與空白樣相比均提高近70%，而在其他纖維的折線圖中可以觀察到， 所有樣品3 d抗折強度勉強能與空白樣品基本一致， 而7 d 強度相較3 d 強度均提升不大，不少樣品出現(xiàn)負增長。在聚丙烯纖維摻量為0.9 kg/m3時， 與空白樣品相比，其抗折強度降低了29.3%。由此可見，除了鋼纖維以外，其他纖維對抗折強度基本為負面影響。

圖2 各類纖維混凝土抗折強度

鋼纖維具有高的彈性模量以及適中的極限應變，同時與基體之間粘結良好，因此摻入后對混凝土的斷裂能和斷裂韌度呈現(xiàn)最好的增強作用； 相較而言，聚丙烯纖維具有高變形和低彈性模量的特點，主要是在裂縫產(chǎn)生后能夠起到可觀的阻裂作用。

為了進一步反映各類纖維對混凝土韌性的增強效果，計算標準養(yǎng)護28 d 時折壓比數(shù)據(jù)如表2 所示。

由表2 可以看出， 聚丙烯纖維和鋼纖維的折壓比相較空白組均有一定程度的提高，尤其是鋼纖維，隨著摻量的提高，折壓比不斷提升，大幅超出其他組纖維混凝土的折壓比。

表2 各組混凝土折壓比

為了更全面地反應鋼纖維與混凝土之間的作用性能， 驗證其在混凝土制品電桿中的應用效果，優(yōu)選性能表現(xiàn)較為優(yōu)異的鋼纖維進一步開展混凝土電桿試驗。

2.2 混凝土電桿試驗

采取試驗室各方面數(shù)據(jù)均較好的鋼纖維制備混凝土電桿，在現(xiàn)場進行混凝土電桿試驗。 由于現(xiàn)場試驗實際需求， 混凝土電桿試制需要摻入粗骨料，試驗配合比如表3 所示。

表3 試驗配合比

2.2.1 電桿設計

試制電桿設計兩種桿型，桿型如下：

（1）錐形水泥桿,部分預應力，Φ190×12×M-BY。

技術參數(shù)：混凝土等級C100，壁厚35 mm，保護層10 mm。

（2）錐形水泥桿,部分預應力，Φ230×12×O×BY。

技術參數(shù)：混凝土等級C100，壁厚35 mm，保護層10 mm。

2.2.2 試驗原材料及配合比

試驗用原材料：P·O 52.5 水泥、 硅灰、S95 礦粉、級配機制砂、級配碎石（粒徑5~10 mm）、高效減水劑、水、鋼纖維（長度12 mm、直徑0.2 mm）。

考慮實際生產(chǎn)系數(shù)，實際成型兩根電桿配合比見表4。

表4 現(xiàn)場試制電桿實際配合比 單位：kg/m3

2.2.3 試驗結果

2.2.3.1 混凝土電桿外觀質量、尺寸及保護層厚度

對兩根試制桿進行鋼纖維混凝土電桿保護層厚度現(xiàn)場檢測， 結果如表5 所示。 由表5 可知，Φ230×12×O×BY 電桿表面有少量水紋， 兩根電桿均無表面裂縫、漏漿等不良情況發(fā)生。 尺寸檢查均符合標準。 由于本次制備的混凝土電桿壁厚較薄，而各段各檢測點保護層厚度均達到13 mm，滿足標準中混凝土電桿對保護層厚度的要求。

表5 試制電桿各項性能檢測結果

2.2.3.2 混凝土電桿力學性能檢測

混凝土電桿力學性能檢測結果如下：

其中鋼纖維Φ190×12×M×BY 桿承載力檢驗彎矩大于140.40 kN·m， 抗裂檢驗系數(shù)為0.9， 開裂彎矩-最大裂縫寬度為0.02 mm，開裂檢驗荷載-撓度為202 mm，均滿足標準規(guī)定內容，力學性能檢驗合格。

鋼纖維Φ230×12×O×BY 桿承載力檢驗彎矩大于187.20 kN·m，抗裂檢驗系數(shù)檢驗結果為未開裂，無開裂彎矩-最大裂縫寬度，開裂檢驗荷載-撓度為156 mm，均滿足標準規(guī)定內容，力學性能檢驗合格。

3 結論

（1）混凝土試驗結果顯示，無論是抗壓強度還是抗折強度，鋼纖維均比其他纖維優(yōu)勢明顯，當摻量達到100 kg/m3時， 其抗壓強度與空白樣相比提高了20.4%， 抗折強度與空白樣相比提高了近70%。 混凝土折壓比試驗數(shù)據(jù)結果表明，鋼纖維對混凝土韌性增強最為顯著，可顯著減緩混凝土易開裂的特性。

（2）現(xiàn)場試制混凝土電桿檢測結果表明，電桿外觀質量、尺寸、保護層厚度及力學性能等指標均符合GB/T 4623—2014《環(huán)形混凝土電桿》標準要求。