鋼纖維混凝土在溢洪道挑坎工程中的應(yīng)用

王桂青

（唐山市陡河水庫(kù)管理處，河北唐山 063021）

1 概述

陡河水庫(kù)溢洪道為正槽式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)泄洪流量1 190 m3/s，堰型為開敞式實(shí)用堰，采用挑流消能方式，消能防沖設(shè)施建于1989年8月。溢洪道挑坎在泄洪時(shí)承受高速脈動(dòng)力水流的沖擊，不時(shí)有強(qiáng)烈的空蝕現(xiàn)象發(fā)生，冬季還要經(jīng)過反復(fù)的凍融循環(huán)，該部位對(duì)混凝土的要求較高。鋼纖維混凝土具有較高的抗拉、抗彎、抗剪和抗疲勞能力，陡河水庫(kù)溢洪道挑坎工程施工中使用了鋼纖維混凝土。實(shí)踐證明，鋼纖維混凝土的應(yīng)用滿足了溢洪道挑坎的結(jié)構(gòu)和力學(xué)要求，延長(zhǎng)了挑坎的使用壽命。

2 力學(xué)原理

鋼纖維混凝土中水泥基體結(jié)構(gòu)與鋼纖維結(jié)構(gòu)是不相同的，使鋼纖維與基體之間產(chǎn)生界面層，鋼纖維混凝土的性能主要由混凝土、鋼纖維以及它們之間的界面特性所決定。挑坎部位在高速水流的沖擊下，使混凝土受到拉力，通過纖維—基體界面把一部分荷載傳遞給鋼纖維，使纖維和混凝土基體共同承擔(dān)荷載，減緩受力處混凝土的應(yīng)力集中程度。加入適當(dāng)體積的鋼纖維，可使應(yīng)力集中現(xiàn)象消失。鋼纖維在混凝土中均勻散亂地分布著，對(duì)混凝土每個(gè)方向都起到增強(qiáng)與增韌作用。鋼纖維的加入對(duì)混凝土的性能有如下改善：①減少混凝土中裂縫的產(chǎn)生，減少面層厚度，降低混凝土的用量；②加長(zhǎng)伸縮縫間距，提高構(gòu)件的使用性能；③鋼纖維在混凝土中起到箍筋約束混凝土的作用，不僅能提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗剪能力，還能減少箍筋用量，解決結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)域因鋼筋密集使混凝土難于澆注的問題。

3 混凝土配合比確定及材料選用

3.1 混凝土配合比確定

鋼纖維混凝土中鋼纖維體積率選用1.0%，水泥采用普通硅酸鹽水泥。在施工前做了混凝土配合比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。根據(jù)表1的試驗(yàn)結(jié)果，采用第三種配合比，1m3混凝土中各種材料用量分別為：水泥295 kg，水180 kg，砂674 kg，鋼纖維79 kg，碎石1 251 kg，水泥、水、砂、鋼纖維、碎石的比值1∶0.61∶2.28∶0.27∶4.24，水灰比0.61，28 d齡期混凝土抗壓強(qiáng)度210 kg/cm2。采用素混凝土施工的邊墻護(hù)坡段，1 m3混凝土中各種材料用量分別為：水泥400 kg，水200 kg，砂612 kg，碎石1 188 kg，28 d齡期混凝土抗壓強(qiáng)度207 kg/cm2。經(jīng)試驗(yàn)，鋼纖維混凝土的抗凍性、抗?jié)B性、抗碳化性能均高于邊墻護(hù)坡段的素混凝土。兩者相比，挑坎段混凝土中加入鋼纖維，在減少水泥用量26.3%的情況下，同樣可以達(dá)到設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度。

表1 混凝土配合比試驗(yàn)結(jié)果

3.2 材料質(zhì)量要求

為了保證溢洪道挑坎段能夠達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，除了嚴(yán)格按材料試驗(yàn)配合比進(jìn)行拌和外，還要嚴(yán)格控制材料質(zhì)量。對(duì)鋼纖維的質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，要求鋼纖維表面質(zhì)量合格，不得含有雜質(zhì)，長(zhǎng)度、直徑和形狀達(dá)到規(guī)范要求，并對(duì)其進(jìn)行抗壓和抗彎試驗(yàn)，能夠達(dá)到規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度等級(jí)。采購(gòu)的水泥要經(jīng)過初凝時(shí)間、終凝時(shí)間、坍落度、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，符合規(guī)范要求才能用于施工。細(xì)集料選用中砂，細(xì)度模數(shù)為2.5，經(jīng)篩分試驗(yàn)符合級(jí)配要求，對(duì)1∶2.5的膠砂經(jīng)過3、7、28 d的抗折、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)均高于規(guī)范要求。《鋼纖維混凝土國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》要求碎石最大粒徑不得大于20 mm，我們選用3種連續(xù)級(jí)配的碎石，1 m3混凝土中、2′～4′、4′～6′碎石含量分別為625.5、250.2、375.3 kg，更有利于提高水泥的利用效率。嚴(yán)格控制碎石和砂子二者雜質(zhì)含量在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

4 施工工藝

4.1 混凝土拌和

鋼纖維的均勻性和混凝土的密實(shí)性決定了構(gòu)件的強(qiáng)度。混凝土采用自落式拌和機(jī)拌和，為了使鋼纖維在混凝土內(nèi)分布均勻，每次拌和要將鋼纖維分3 次投放到拌和機(jī)內(nèi)，采用先干后濕的方法拌制。為了防止鋼纖維攪拌結(jié)團(tuán)及攪斷，攪拌樓一次投料量不宜超過其拌和量的80%，總的拌和時(shí)間比素混凝土延長(zhǎng)20～30 s。

4.2 混凝土攤鋪

為了防止攤鋪時(shí)的沖力造成混凝土骨料分離，混凝土的運(yùn)輸和攤鋪都是由人工完成的。由于有鋼纖維頂托，鋼纖維混凝土的攤鋪高度比相同坍落度下素混凝土高10 mm左右。為了使鋼纖維在混凝土中分布連續(xù)均勻，在一塊面板內(nèi)的澆筑和攤鋪應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，攤鋪過程不能再向混凝土中加水。混凝土采用模外振搗器振搗，搗實(shí)后還要進(jìn)一步將表面整平，以使砂漿厚度均勻，避免鋼纖維外露。混凝土初凝后使用土工布覆蓋養(yǎng)生7 d，再灑水養(yǎng)生14 d，以減少混凝土表面裂紋的產(chǎn)生。

5 運(yùn)用效果

1990年冬陡河電廠跨越溢洪道泄槽的輸灰管道崩裂，管內(nèi)水、灰流入挑坎及防沖齒墻內(nèi)，加上冬季降雪較多，鋼纖維混凝土底板低洼部位積水深0.2 m左右，經(jīng)過冬春的凍融，鋼纖維混凝土挑坎完好無損，沒有發(fā)現(xiàn)被凍壞的部位。實(shí)踐證明，鋼纖維混凝土抵抗凍融破壞的能力高于普通混凝土。陡河水庫(kù)溢洪道挑坎已經(jīng)過20多年的使用，至今挑坎部位還沒有出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，證明其各項(xiàng)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

鋼纖維混凝土在陡河水庫(kù)挑坎中的應(yīng)用，使構(gòu)件使用壽命得到延長(zhǎng)、維修工作量減少，在節(jié)約混凝土和鋼筋用量的情況下，達(dá)到了挑坎的結(jié)構(gòu)和力學(xué)要求。但是，由于鋼纖維的生產(chǎn)成本較高及提高了混凝土造價(jià)，因此鋼纖維混凝土僅用在對(duì)混凝土有特殊要求的挑坎部位。鋼纖維混凝土在水利工程中的普遍應(yīng)用，還有待進(jìn)一步降低其成本。