鋼纖維混凝土及其在水利工程中的應(yīng)用

□張祥振□張利峰

（1河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司；2鄭州市金水區(qū)建設(shè)投資開發(fā)公司)

鋼纖維混凝土及其在水利工程中的應(yīng)用

□張祥振1□張利峰2

（1河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司；2鄭州市金水區(qū)建設(shè)投資開發(fā)公司)

文章介紹了土建工程常用鋼纖維混凝土（St eel Fi ber Rei nforced Concret e，簡稱SFRC）中鋼纖維的種類及幾何參數(shù)，簡單探討SFRC的物理力學(xué)性能指標(biāo)及增強增韌機理，總結(jié)了SFRC在渠道襯砌、抗沖刷部位等常見水利水電工程中的使用情況及工程效果，并重點以水閘閘室磨損破壞修補為例，闡述了SFRC在閘室加固改造中的施工工藝，最終實踐表明，SFRC獲得了較好的工程效果，社會經(jīng)濟效益明顯。

鋼纖維混凝土；施工工藝；水利工程應(yīng)用

0 引言

自普通混凝土問世，一直存在抗拉強度低、韌性差等缺點，為解決這一系列問題，需要不斷提出各種方法和途徑在改善普通混凝土的抗拉、抗韌等物理力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，同時保持其抗壓強度高等自身優(yōu)點。其中，在普通混凝土中均勻加入一定比例的纖維增強聚合物材料形成的纖維混凝土，是上述優(yōu)化普通混凝土物理力學(xué)性能的有效方法之一。目前纖維混凝土的科學(xué)研究及工程應(yīng)用中，鋼纖維混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete，簡稱SFRC）占有比較大的比重，是研究的重點及熱點。

相對于普通混凝土，SFRC明顯改善了其脆性差的缺點，顯著提高了抗拉、抗韌、抗?jié)B及抗沖擊性能，這一點對于水利工程意義尤其重大。原因很簡單，復(fù)雜多變的不利水流條件對水利工程用混凝土的抗沖刷、抗沖擊及抗?jié)B等力學(xué)和耐久性能提出了更高的要求，而將具有優(yōu)良物理力學(xué)性能和耐久性能的SFRC用在水利工程中的某些關(guān)鍵部位，定能取得事半功倍的工程效果。

1 SFRC基本理論

1.1 常用鋼纖維的種類及幾何參數(shù)

SFRC的粗細集料等質(zhì)量要求與普通混凝土基本一致，其良好的增強增韌等效果主要由鋼纖維（Steel Fibre）的種類及幾何參數(shù)來決定。以外型劃分，鋼纖維主要有平直型、波浪型、啞鈴型、彎鉤型、不規(guī)則型等；以制造工藝劃分，鋼纖維主要有剪斷型、剪切型及銑削型等。

鋼纖維的幾何參數(shù)主要包括纖維直徑、長度、長徑比等。鋼纖維直徑常以等效直徑來表達，工程用基本在0.40～1.30 mm。長度方面，根據(jù)采用粗骨料的不同，范圍基本在20～40 mm。鋼纖維長度與直徑的比值，定義為鋼纖維的長徑比。研究表明，考慮到SFRC的增強增韌效果最大化，鋼纖維的長徑比應(yīng)保持在40～100。

1.2 SFRC的基本力學(xué)性能

SFRC對于普通混凝土力學(xué)性能的改善主要體現(xiàn)在抗拉、抗韌方面。《鋼纖維混凝土基本理論》指出：鋼纖維對混凝土基體的抗拉強度和主要由拉應(yīng)力控制的抗彎、抗剪、抗扭強度有明顯的改善作用[4]。

研究表明，SFRC的抗韌抗沖擊性能是普通混凝土的2～7倍。SFRC的耐久性能相對普通混凝土亦有明顯改善，且隨著鋼纖維體積率的提高，其各方面力學(xué)性能指標(biāo)提高幅度隨之增大。此外，SFRC應(yīng)用在節(jié)點、剪力墻等抗震構(gòu)件中，能明顯遲滯裂縫產(chǎn)生，改善構(gòu)件裂縫形態(tài)，提高構(gòu)件的承載力、延性及耗能能力，顯著改善構(gòu)件抗震性能，增強建筑物整體抗震能力。

綜上所述，SFRC憑借其自身優(yōu)越的性能，在工程結(jié)構(gòu)關(guān)鍵、復(fù)雜部位具有良好的工程效果以及較高的社會經(jīng)濟效益。且在構(gòu)件關(guān)鍵、復(fù)雜應(yīng)力區(qū)域部分采用SFRC，既控制了成本，又實現(xiàn)了局部增強增韌，達到了利益最大化，利于SFRC在工程一線的大范圍推廣利用。

1.3 SFRC的增強機理

截止到目前，主要從復(fù)合力學(xué)和纖維間距兩種角度，對SFRC的增強增韌機理的解釋。

在復(fù)合材料力學(xué)理論中，英國學(xué)者Swamy及美國學(xué)者Naaman、Hannat等將SFRC看做多相體系，其性能是鋼纖維、混凝土基體等各相組成成分的疊加。

在纖維間距理論中，美國學(xué)者J.P.Romualdi和G.B.Batson認為在普通混凝土中摻入鋼纖維以后，對混凝土微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展有一定約束作用，對混凝土宏觀裂縫的出現(xiàn)有一定遲滯作用。

復(fù)合材料力學(xué)以及纖維間距理論雖然出發(fā)點不一致，但最終落腳點均為鋼纖維的阻裂增韌效果，是從不同的切入點討論了SFRC的增強增韌阻裂內(nèi)在機理，存在著固有的內(nèi)在統(tǒng)一性。同時需要引起注意的是，兩種學(xué)說均明確指出SFRC的物理力學(xué)性能主要取決于鋼纖維體積率、鋼纖維長徑比、混凝土基體強度等因素。

2 SFRC在水利工程中的應(yīng)用

水流情況復(fù)雜多變，河床、渠道干濕循環(huán)明顯，水流作用時間持續(xù)強烈，是水利工程的顯著特點，由此對水工混凝土的抗沖擊、抗磨、抗?jié)B等性能提出了更高的要求。當(dāng)水流中泥沙含量較大時，上述問題更加明顯、突出，顯然此時普通混凝土已不能滿足工程需要，必須另辟蹊徑。而SFRC對普通混凝土優(yōu)異的增強增韌效果，恰好滿足了水工建筑物的某些部位要求較強的抗沖擊、抗淘刷等要求。目前，SFRC正逐步應(yīng)用在渠道整治、閘室加固修補、溢流壩等水利工程中，并取得良好的工程效果，社會經(jīng)濟效益明顯，綜合優(yōu)勢顯著。

2.1 抗沖刷、抗沖磨部位

溢流壩的溢流面、消力池、溢洪道泄流槽、閘室門槽和閘墩等水利工程中，水流流速高，水流持續(xù)時間長，對混凝土表面的磨損力大，且往往還存在嚴重的氣蝕問題，混凝土使用條件苛刻。為滿足工程要求，獲得良好的工程效果，常采用高強混凝土、硅粉混凝土等提高普通混凝土的物理力學(xué)性能。但上述2種措施不但施工困難而且成本較高，不利于大規(guī)模推廣利用。SFRC的出現(xiàn)，較好的解決了這一問題，在不需要提高混凝土基體強度的情況下，大幅增強了混凝土的抗沖耐磨、抗沖擊性能。

2.2 渠道襯砌

鑒于歷史原因、條件限制，新中國早期修建的渠道，較多為無襯砌土渠，在輸水的過程中水滲漏、渠道沖刷損失等現(xiàn)象突出。為了改善渠道的輸水過水能力，提高渠道抗沖刷能力，近年來，渠道新建、改建中較多實施了防滲襯砌工程。其中襯砌結(jié)構(gòu)采用的是復(fù)合土工膜加現(xiàn)澆鋼纖維混凝土板做防滲結(jié)構(gòu)，防滲抗沖刷效果良好，可以推廣應(yīng)用。

3 鋼纖維混凝土的施工工藝

以某工程閘底板、閘墩維修改建為例。由于水閘建成運行多年，下部沖磨較嚴重。鑒于SFRC增強增韌效果好、施工工藝簡單、施工速度快、綜合投資較少等優(yōu)點，擬對損壞突出的閘底板及閘墩1.50 m高范圍采用SFRC加固修補，1.50 m以上部位采用M20水泥砂漿抹面。

3.1 施工工藝

3.1.1 閘墩表面清理

SFRC澆筑前，首先檢查、清除閘墩表面污物及松動混凝土。其次，清理基底表層，增強新舊混凝土的粘結(jié)。

3.1.2 基底表面清洗

采用高壓風(fēng)吹和高壓水沖洗2種方式結(jié)合使用，清除破碎混凝土表面。同時注意，澆筑SFRC時，基底表面保持一定濕度，增強新舊混凝土粘結(jié)能力。

3.1.3 埋設(shè)標(biāo)識

澆筑SFRC前，在閘墩表面埋設(shè)短鋼筋，并用鋼絲網(wǎng)與短鋼筋進行焊接，便于控制混凝土厚度。短鋼筋可按50 cm的間距布置，露出閘墩的長度略大于設(shè)計混凝土層厚度。

3.1.4 混凝土拌制

為保證鋼纖維在混凝土中均勻分散，應(yīng)嚴格注意投料次序，先將鋼纖維及粗骨料投入拌和機攪拌30 s使鋼纖維分散在石子中，保證鋼纖維充分分散；然后將砂和水泥等細集料投入拌和機干攪拌至少30 s，再在轉(zhuǎn)動著的攪拌機中加水，再攪拌2.50 min左右。

3.1.5 澆筑

SFRC的澆筑施工與普通混凝土基本相同。在對閘墩表面進行鑿除，超欠挖是不可避免的，因此在澆筑SFRC前，先澆素混凝土找平，再澆筑SFRC，降低回彈率。

3.16 養(yǎng)護

養(yǎng)護可采用噴水及噴霧的方法，使SFRC表面保持一定濕度，噴水養(yǎng)護時間應(yīng)達到15 d以上。

3.2 工程效果

本水閘改造工程施工結(jié)束運行3 a以來，閘墩表面平整，無變形、裂縫產(chǎn)生。閘門改造工程完工后，徹底解決了困擾多年的停水檢修閘門的問題，使灌區(qū)供水恢復(fù)正常，社會經(jīng)濟效益顯著。

4 結(jié)語

SFRC作為一種新型建材，鋼纖維的摻入不但使其具有普通混凝土的優(yōu)良性能，還明顯增強改善了其抗拉、抗韌等性能，擴展了普通混凝土的工程應(yīng)用范圍。然而，鋼纖維混凝土在研究和應(yīng)用方面仍存在一些有待進一步解決的問題，如缺少國家技術(shù)規(guī)程、施工程序不夠簡化等。因此，應(yīng)結(jié)合工程實際，深入充分研究，加強各單位協(xié)調(diào)配合，盡早制定完善相關(guān)技術(shù)規(guī)范、簡化鋼纖維混凝土的施工程序，進而為SFRC的使用提供依據(jù)，擴大使用范圍。

[1]尤培波.鋼纖維高強混凝土框架中節(jié)點抗震性能試驗研究[D].鄭州大學(xué)，2011.

TU 528

A

1673-8853（2016）11-0072-02

2016-09-23

（責(zé)任編輯：左英勇）

張祥振(1980-)，男，工程師，主要從事水利工程監(jiān)理和施工管理工作。