新型纖維增強混凝土在水利工程中的應用研究

劉秀華，萬兆鑫

（1河南黃河河務局信息中心，河南鄭州 450003；2河南黃河河務局鄭州黃河河務局，河南鄭州 450003）

水利工程泛指各種輸水、儲水構筑物或建筑物，主要包括大壩、渡槽、水閘、泵房、護坦、海曼等，是用于防洪、灌溉、供水等居民生活中極為重要的一類設施工程。水利工程設施主要采用水泥混凝土修筑，與普通的水泥混凝土不同，水利工程設施中的水泥混凝土須具備防滲、高韌、高強度、抗裂等性能要求[1]。這是因為水利工程設施在使用過程中將長期受到水流的侵蝕沖擊，水流中無時無刻都存在有無數個大小不等的運動旋渦，這些運動漩渦組成的高速紊流會持續地作用于水利工程設施位于水中的結構部分，造成對水利工程設施產生滲透、磨損、淘刷、沖擊等破壞，尤其是沖擊水流中常夾雜有大量的泥沙等懸濁物，使得水利工程設施的過流面受到的破壞加劇。因此，在水利工程設施中采用的水泥混凝土，相比常規使用工況下的混凝土應具有更好的抗沖擊和抗磨蝕性能。

目前，水利工程中應用的混凝土材料已從傳統的強度主導逐漸過渡到以耐久性為主導。在這期間，基于纖維增強的新型混凝土材料應用起到了關鍵性作用[2]。本文就當前常見的幾種新型纖維增強混凝土材料的功能機理進行介紹，并從擋水建筑物、取（進）水建筑物、專門建筑物與泄水建筑物等角度出發，總結闡述了補償收縮混凝土、纖維高韌混凝土以及防滲高塑混凝土等新型纖維增強混凝土在現代水利工程中的應用情況，同時指出了新型纖維增強混凝土在未來水利工程應用中的發展趨勢。

1 常見纖維增強混凝土的功能機理

1.1 補償收縮混凝土材料

補償收縮混凝土是指添加了各種膨脹劑（如高分子聚合物、纖維膨脹劑等）的水泥混凝土。在混凝土強度形成初期，水化產生體積膨脹，可補償強度形成后期的混凝土干縮，同時抗拉性能優異的纖維在混凝土中亂向分布，形成立體網狀結構，進一步提高抗收縮和抗開裂能力。在使用時，砂石料備好后，再將纖維膨脹劑加入，然后將集料連同纖維膨脹劑一起加入攪拌機，加水攪拌均勻即可。其中，纖維膨脹劑與混凝土骨料、外加劑、摻合料和水泥都不會有任何沖突，對攪拌及施工工藝沒有特別的要求，只要適當保證攪拌時間即可使用。

補償收縮混凝土的性能優劣主要取決于膨脹劑[3]。膨脹劑的膨脹效應由可膨脹水化產物類型及其產生的體積膨脹量所決定。在實踐應用中，摻加纖維膨脹劑的補償收縮混凝土主要被用于壩體等對防滲抗裂要求比較高的水利結構體中。

1.2 纖維高韌混凝土材料

纖維增韌混凝土的工作原理可以歸納為纖維產生的亂向分布作用、纖維的橋接作用以及纖維的加筋作用。首先，大量的纖維亂向分布于水泥混凝土的內部，如同微細加筋，可以消弭溫度變化產生的應力，從而達到阻止裂縫發生的作用[4]；其次，摻入的纖維彈性模量比水泥混凝土材料大很多，通過橋接作用可彌合混凝土內部微小孔隙，減小受力狀態下的應力集中現象，宏觀上表現為抑制裂縫的發展，從而提高混凝土抗拉、抗壓、抗彎、抗剪強度等[5]。再次，纖維的加筋作用使得混凝土內部受到荷載作用時形成微力場，在有效地抵抗裂縫發展的同時，進一步促進裂縫的收縮閉合，使混凝土表現出高韌性。最后，纖維在混凝土內部發揮出微骨架的作用，阻止混凝土粗骨料下沉和混凝土的離析，從而減少因干縮引起的裂縫[6]。

綜上所述，將纖維摻入到混凝土內部，能夠使混凝土具有更高的韌性、更好的抗裂性能和更強的抗滲性能[7]。在作為外摻劑摻入到混凝土內部的纖維選擇方面，應考慮材料性質、制備的難易程度、取材是否方便以及混凝土造價增加幅度等幾個維度。綜合考量下，當前應用于水利工程中的纖維增韌混凝土的纖維材料主要有鋼纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維等。

1.3 防滲高塑混凝土材料

高塑水泥基復合材料（ECC）是一種低纖維摻量、容易拌和、高塑性、高裂縫控制、具有應變硬化特性的水泥基材料[8]，其設計原理是微觀斷裂力學參數與纖維橋聯理論。在工程實踐應用中，ECC材料中的纖維呈現短切亂向分布，在受拉過程中與基質協同作用，表現出高抗裂性能和高抗彎曲變形能力。

ECC材料中一般使用摻量低于2%的PVA纖維（聚乙烯醇纖維）材料，由于PVA纖維具有高彈性模量，使得在ECC中摻入低于2%的纖維便能獲得極大的抗拉、高塑性能。同時，ECC不含粗骨料，低水灰比設計，且不同粒徑的細骨料根據最大密實度原則堆積，導致材料內部密實度大，抗沖擊與耐磨性強；大量短纖維能有效抑制結構體的早期收縮與裂紋發展，并作為支撐骨料大幅降低孔隙率，避免毛細孔連通，從而使得ECC的抗滲性能遠超普通混凝土，抗滲能力提高幅度可達70%。

2 新型纖維增強混凝土在水利工程中的應用

水利水電建（構）筑物從功能屬性的角度出發，可分為擋水建筑物、泄水建筑物、輸水建筑物、取（進）水建筑物、專門建筑物等。擋水建筑物主要有堤防、順壩、丁壩、垛壩等。泄水建筑物主要有泄洪道、泄水洞、沖砂洞等；輸水建筑物主要有渡槽、水渠等；取（進）水建筑物主要有水閘、機電排灌、泵房等；專門建筑物主要有船閘、護坦、海曼、消力池、魚道等。

在工程實踐中，不同的水利工程建筑物往往具有不同的功能需求。因此，對應要求所采用混凝土材料具備特定的性能，以針對性地滿足使用功能的要求。

2.1 擋水建筑物中的纖維增強混凝土

水利工程中擋水建筑物的主要作用是攔截水流，保護岸邊不受水流漫溢侵蝕。這對于水利工程設施周邊的土壤保持具有重要的意義。

新型纖維增強混凝土應用于擋水建筑物中時，主要采用補償收縮混凝土修筑。相較于普通混凝土，補償收縮混凝土能夠更好地發揮擋水防滲作用，保證水利工程設施周邊土地含水量保持在正常水平區間，使得土地耕種照常進行，對于鹽堿地和高寒凍脹地區以及濕陷性黃土地區具有重要意義。覃輝煌[9]針對大型堤防混凝土結構易產生溫度裂縫的問題，提出一種基于UEA補償收縮混凝土的設計方案，借助其水化膨脹的特性，彌補混凝土干縮現象，最終有效控制了大體積擋水混凝土結構的溫度裂縫，實現無縫設計，避免因裂縫滲水影響周邊環境。趙世敏等[10]總結了補償收縮混凝土在南水北調水利工程擋水墻結構中的配比設計與施工管理，針對裂縫問題提出了處理建議。

2.2 取（進）水建筑物中的纖維增強混凝土

水利工程的進（取）水建筑物主要功能是通過使用內燃機、電動機等動力裝置帶動水泵工作提水，從而進行排澇或者灌溉等工作。水電站的主廠房、機房、泵房等半地下結構的地下部分長期處于高水位以下，為保證機房等帶電作業設備設施的正常運轉，主廠房、機房等結構的抗滲要求需要高于一般的建筑結構。

防滲高塑混凝土材料的應用完美地契合這一要求。防滲高塑混凝土材料在纖維的橋接、微加筋、自密實等作用下，能抑制微小裂縫發展，在提高混凝土強度的同時，提高了混凝土的密實度，使混凝土抗滲、防裂、耐潮濕環境腐蝕等性能大幅提升，有效抑制裂縫發展，提高結構物的使用壽命和安全系數。高峰[11]依托某水電站地下機房的塑性混凝土防滲墻施工案例，闡述了防滲高塑混凝土的施工流程、技術要點與質量控制，驗證了防滲高塑混凝土良好的防滲效果。彭劍等[12]介紹了海南某取水泵站中塑性混凝土防滲墻的應用工藝；夏祥等[13]分析了遼寧紅沿河核電站取水口防滲高塑混凝土墻在爆炸振動作用下的損傷情況。

2.3 專門建筑物中的纖維增強混凝土

護坦、海曼、消力池等水利設施的共同特點是均與基巖直接接觸，是水利工程中主要用于承受外力的一類板式結構。這些直接承載外力的專門水利建筑體往往要求具有高強度、高韌性以及強抗裂性能等。

采用玄武巖纖維或者鋼纖維復合增強混凝土砌筑的相關結構，能夠滿足高強、高韌、抗裂的要求。相較于采用鋼筋網加固普通水泥混凝土的提高強度方式，采用纖維復合形式增強的混凝土則不受鋼筋易被環境銹蝕的困擾，結構服役期長，施工造價低、施工難度小，在實際中的運用效率高、效果好。李永歡[14]揭示了纖維混凝土的抗裂、抗滲與增強作用機理，分析總結了其在水下結構、渠道襯砌以及受水流沖刷的消力池等專門設施中的具體工藝和實施效果，并指出了纖維混凝土在水利專門建筑物中的應用效益以及未來的研究方向。李書鋒等[15]針對河北黃碧莊水庫溢洪道護坦的凍融、剝蝕等病害，闡述了鋼纖維混凝土的加固方案，最終取得了預期的實施效果。

2.4 泄水建筑物中的纖維增強混凝土

在水利工程中，有一類構筑物的特點是長期受到氣蝕和水流磨蝕作用，容易被沖刷磨損，這類構筑物主要有泄水洞、排沙孔道、閘門門槽和泄洪道、溢流槽等。

傳統的解決水流磨蝕的方法是在水泥混凝土中添加硅粉。但硅粉混凝土造價高，拌和困難、施工的和易性差，且對混凝土耐腐蝕性的改善效果較為有限。采用玻璃纖維或玄武巖纖維復合增強混凝土則能夠有效解決這一問題，在同等強度等級的條件下，摻入玻璃纖維或者玄武巖纖維后的水泥混凝土的耐沖擊、耐腐蝕和耐磨蝕性能得到明顯提升，并且相對于硅粉，玄武巖纖維的造價更低。牛軍等[16]為保證大壩溢流面、泄水口等泄水建筑物的抗沖磨性能，對比分析了金屬鋼纖維、有機合成纖維以及玄武巖纖維等增強水工混凝土的性能和作用機理，為水工混凝土的抗沖磨性能提升提供了復合化的應用理論。計濤等[17]為保證泄水建筑物的運行安全，在抗沖磨混凝土中分別摻加聚乙烯醇纖維和聚乙烯纖維進行對比試驗，結果表明，相比聚乙烯纖維，聚乙烯醇纖維對抗沖磨混凝土的抗裂性能改善效果更佳。

3 新型纖維增強混凝土發展趨勢

水利工程用混凝土對所需材料的要求不同于常規混凝土，其應當具備抗沖刷、抗磨、抗裂防滲、高韌性、高塑性等要求。通常會在水利工程混凝土中添加摻合料用以改善混凝土性能，使混凝土滿足上述要求[18]。而我國傳統摻合料的產地產量分布不均勻是水利工程混凝土在材料生產環節中面臨的重要問題。

同時，水利工程往往具有大型化、功能化與長期性特點，而混凝土澆筑過程則需要全面考慮混凝土運輸時間、坍落度控制、初凝與終凝時間以及大體積混凝土一次連續澆筑等要求，一般情況下無法滿足混凝土長途調運的條件。因此，“就地取材”成為這一問題最經濟實惠的解決辦法，也將是未來水利工程中新型纖維增強混凝土發展和研究的熱點。

目前，經過長時間研究，水利工程科研工作者從不同地區的工程實踐應用出發，已逐步開發出了可部分或完全替代傳統摻合料的新型礦物摻合料[19]，包括磷渣粉、石灰石粉、天然火山灰、鈦渣粉、砂板巖粉、花崗巖粉、大理巖粉等。例如：在貴州，用磷渣粉完全取代傳統粉煤灰作為摻合料取得了良好的效果；在新疆，用石灰石粉部分取代粉煤灰已成功應用于寒冷地區；而在西藏，采用當地天然火山灰完全替代傳統混凝土摻合料也已取得成功，工程應用效果良好。

4 結語

與一般的土建工程相比，除工程量大外，水利工程的建設特點還包括服役期限長、自然環境復雜、施工難度大、施工任務艱巨等，這些都對傳統水利工程的應用材料提出了更高的要求。基于纖維增強的補償收縮混凝土、纖維高韌混凝土以及防滲高塑混凝土等新型混凝土材料在不同水利工程建筑物中的應用，相比傳統普通混凝土，更可靠、更有效地保證了水利工程的耐腐蝕性、防水性及工程結構的耐久性，是水利工程的重大進步和發展趨勢。同時，結合不同地區的產地特征，選用針對性的新型混凝土礦物摻合料將是未來研究和發展的一大熱點。