纖維在南水北調(diào)中線渠道襯砌試驗(yàn)分析

商東波

（河北省南水北調(diào)工程建設(shè)管理局，石家莊 050011）

1 工程概況

南水北調(diào)中線工程是一項(xiàng)跨流域大型調(diào)水工程，是改善我國水資源配置的重大基礎(chǔ)性戰(zhàn)略工程。為緩解北京日趨嚴(yán)峻的缺水現(xiàn)狀，2003年底，南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程首批大型建筑物項(xiàng)目開工建設(shè)。2006年汛后，渠道工程相繼開工。南水北調(diào)中線工程以明渠為主，在京石段工程中，明渠長度為總長度的88.5%。為減少渠道過水?dāng)嗝娌诼剩_保邊坡、底板穩(wěn)定并輔助防滲，渠道過水?dāng)嗝孢吰隆⒌装宀扇?～10cm厚混凝土襯砌防護(hù)型式。渠道襯砌混凝土的特點(diǎn)是渠道斷面尺寸大、薄壁素混凝土結(jié)構(gòu)、混凝土襯砌板抗裂、防滲、減糙要求高。

2 施工難點(diǎn)分析

過去，我國混凝土工程的耐久性問題長期不受重視，混凝土結(jié)構(gòu)沒有達(dá)到預(yù)期的使用壽命，受環(huán)境作用過早破壞的實(shí)例很多，由此造成的經(jīng)濟(jì)損失也很大。由于許多工程設(shè)計(jì)只滿足荷載要求，而沒有提出耐久性的要求，使已建成的混凝土構(gòu)筑物存在耐久性隱患。

目前，我國相關(guān)部門已經(jīng)認(rèn)識到混凝土耐久性問題的嚴(yán)重性，相繼出臺了多項(xiàng)有關(guān)提高混凝土耐久性的設(shè)計(jì)規(guī)范、技術(shù)規(guī)范。其中我國GB 50010—2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，混凝土的耐久性設(shè)計(jì)應(yīng)按照環(huán)境類別和設(shè)計(jì)使用年限進(jìn)行，分為50年和100年2個耐久性預(yù)期目標(biāo)，對于重大、重要工程應(yīng)按照100年壽命來設(shè)計(jì)混凝土。

南水北調(diào)中線渠道工程多為混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，由于其渠道斷面尺寸大、屬于薄壁素混凝土結(jié)構(gòu)，因此要達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命100年的要求，解決混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的抗裂、防滲、抗凍融、抗地下水侵蝕等問題是關(guān)鍵，也是本項(xiàng)工程的最大難點(diǎn)。

3 存在的問題

在南水北調(diào)中線工程京石段施工過程中，各參建單位對確保襯砌混凝土施工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)各項(xiàng)指標(biāo)要求，采取了多項(xiàng)應(yīng)對措施，包括優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)、加強(qiáng)施工過程控制與混凝土的后期保護(hù)等。

雖然采取了上述措施，但已完成的渠道混凝土襯砌面板經(jīng)過一個冬季后，面板表面出現(xiàn)了凍融剝蝕、裂縫等質(zhì)量缺陷，嚴(yán)重影響了混凝土耐久性。該缺陷修補(bǔ)歷時(shí)長、費(fèi)用高，且嚴(yán)重影響渠道外觀整體效果。因此在部分標(biāo)段引進(jìn)纖維混凝土進(jìn)行試驗(yàn)。

所謂纖維混凝土就是在混凝土拌合過程中加入一定比例的纖維，以提高混凝土抗裂性能、抗凍融性能、抗氯離子滲透、抗硫酸鹽侵蝕等性能，從而顯著提高混凝土的耐久性。試驗(yàn)所選用的纖維為纖維素纖維，該纖維是建筑工程用低彈模纖維的第三代產(chǎn)品。

4 試驗(yàn)方案

4.1 纖維素纖維技術(shù)指標(biāo)要求

表1 纖維素纖維技術(shù)指標(biāo)

4.2 試驗(yàn)方案

4.2.1 試驗(yàn)區(qū)段選擇

試驗(yàn)區(qū)段選擇在橋梁附近，該區(qū)段水流變化相對較大，地質(zhì)條件不均，屬于易發(fā)生質(zhì)量問題的區(qū)段。

4.2.2 試驗(yàn)區(qū)段長度與纖維素纖維摻量的確定

根據(jù)預(yù)期試驗(yàn)要求，選取試驗(yàn)長度為40m，纖維素?fù)搅繛?.9kg/m3。纖維混凝土襯砌完成后，根據(jù)其強(qiáng)度，選擇適當(dāng)時(shí)機(jī)，分別按4，8，12，16m進(jìn)行切縫。

4.2.3 試驗(yàn)技術(shù)要點(diǎn)

在不改變原有渠道襯砌混凝土配合比的情況下?lián)饺肜w維素纖維。先將計(jì)量后的纖維與粗骨料一起添加，然后再添加細(xì)骨料、水泥、摻合料用強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌均勻，最后加水?dāng)嚢瑁韬蠒r(shí)間適當(dāng)加長，加長時(shí)間宜控制在20~30s，使纖維素纖維在混凝土中分散均勻。拌合好的混凝土進(jìn)行纖維分散性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)方法如下。

（1）器具：一個8~10L容器，一個插搗棒，一個100目砂篩，一個可以調(diào)整水壓的蓮蓬水龍頭。

（2）將完全拌合好的纖維混凝土拌合物取出10~15kg放入容器中，用高壓水龍頭沖洗混凝土拌合物，并使水面高出混凝土拌合物15cm以上，注意沖洗時(shí)水不要外濺。

（3）用插搗棒用力攪拌容器中混凝土拌合物。

（4）攪拌1min后，立即小心將容器中渾濁的水泥漿慢慢倒在砂篩上，注意不要將容器中的砂石倒出。

（5）用低壓水龍頭小心沖洗砂篩上的殘留物，直至將殘留物表層的灰漿沖洗干凈。

（6）觀察砂篩上的殘留物，若明顯看出纖維，且纖維沒有結(jié)塊，則纖維分散性合格，否則應(yīng)調(diào)整混凝土拌合時(shí)間，直至纖維分散性滿足要求為止。

5 試驗(yàn)效果

5.1 強(qiáng)度對比

從表2～表3中看出， 在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3，7，28d齡期情況下，摻入纖維素纖維的混凝土抗壓強(qiáng)度與比普通混凝土均略低，但其抗拉強(qiáng)度比普通混凝土均顯著增大，特別是早期強(qiáng)度增大更加明顯，利于混凝土的早期抗裂。

表2 普通混凝土抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度（C20）

表3 摻入纖維素纖維混凝土抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度（C20）

5.2 外觀效果

試驗(yàn)段完成后，經(jīng)過兩個月的觀察，所有混凝土襯砌塊均無裂縫發(fā)生，纖維混凝土表面密實(shí)光滑。在施工完成并實(shí)際使用一年后，現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，普通素混凝土襯砌板經(jīng)過季節(jié)變化，部分區(qū)段出現(xiàn)了較嚴(yán)重的凍融破壞，表面剝落嚴(yán)重，且有裂縫產(chǎn)生。而試驗(yàn)區(qū)段纖維混凝土表面無任何剝蝕現(xiàn)象和裂縫。

6 結(jié)語

（1）纖維素纖維能均勻地分散在混凝土中，提高了混凝土的粘聚性和抗泌水性，使纖維混凝土和易性良好，便于施工。

（2）纖維素纖維大幅度提高了混凝土的抗拉強(qiáng)度，增加了混凝土的阻裂效應(yīng)和補(bǔ)強(qiáng)效應(yīng)，降低了混凝土的脆性，確保了混凝土的耐久性要求。

（3）纖維混凝土大幅度提高了混凝土的抗凍融性能。

（4）通過試驗(yàn)可以看出，纖維混凝土明顯提高混凝土的抗裂性能，可適當(dāng)增大襯砌混凝土的分塊尺寸，減少混凝土襯砌塊的切縫和填縫費(fèi)用。所節(jié)約的投資，可彌補(bǔ)渠道使用纖維素纖維混凝土所帶來的投資增加，不僅工程投資得到控制，而且渠道混凝土襯砌的施工質(zhì)量得到保障，真正實(shí)現(xiàn)了工程經(jīng)濟(jì)、安全、適用的效果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)成果，在確保工程質(zhì)量前提下，建議根據(jù)渠道襯砌坡長，纖維混凝土襯砌板可采用8~12m寬度進(jìn)行分縫。

（5）該項(xiàng)試驗(yàn)的成功，為南水北調(diào)中線工程石家莊以南渠道襯砌及其他類似抗裂防滲工程施工提供了經(jīng)驗(yàn)。

［1］河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院.南水北調(diào)中線干線工程渠段渠道襯砌試驗(yàn)段試驗(yàn)大綱［R］.

［2］上海羅洋新材料科技有限公司.UF500纖維素纖維在南水北調(diào)中線工程渠道襯砌中的應(yīng)用研究［R］.

［3］河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院.南水北調(diào)中線干線工程京石段應(yīng)急供水工程渠工程施工技術(shù)要求［R］.

［4］DL/5241—2010，水工混凝土耐久性技術(shù)規(guī)范［S］.

［5］DL/5330—2005，水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程［S］.