新型纖維增強(qiáng)混凝土在水利工程中的應(yīng)用研究

劉秀華，萬兆鑫

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

水利工程泛指各種輸水、儲(chǔ)水構(gòu)筑物或建筑物，主要包括大壩、渡槽、水閘、泵房、護(hù)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(shè)施工程。水利工程設(shè)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(shè)施中的水泥混凝土須具備防滲、高韌、高強(qiáng)度、抗裂等性能要求[1]。這是因?yàn)樗こ淘O(shè)施在使用過程中將長(zhǎng)期受到水流的侵蝕沖擊，水流中無時(shí)無刻都存在有無數(shù)個(gè)大小不等的運(yùn)動(dòng)旋渦，這些運(yùn)動(dòng)漩渦組成的高速紊流會(huì)持續(xù)地作用于水利工程設(shè)施位于水中的結(jié)構(gòu)部分，造成對(duì)水利工程設(shè)施產(chǎn)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(shè)施的過流面受到的破壞加劇。因此，在水利工程設(shè)施中采用的水泥混凝土，相比常規(guī)使用工況下的混凝土應(yīng)具有更好的抗沖擊和抗磨蝕性能。

目前，水利工程中應(yīng)用的混凝土材料已從傳統(tǒng)的強(qiáng)度主導(dǎo)逐漸過渡到以耐久性為主導(dǎo)。在這期間，基于纖維增強(qiáng)的新型混凝土材料應(yīng)用起到了關(guān)鍵性作用[2]。本文就當(dāng)前常見的幾種新型纖維增強(qiáng)混凝土材料的功能機(jī)理進(jìn)行介紹，并從擋水建筑物、?。ㄟM(jìn)）水建筑物、專門建筑物與泄水建筑物等角度出發(fā)，總結(jié)闡述了補(bǔ)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(qiáng)混凝土在現(xiàn)代水利工程中的應(yīng)用情況，同時(shí)指出了新型纖維增強(qiáng)混凝土在未來水利工程應(yīng)用中的發(fā)展趨勢(shì)。

1 常見纖維增強(qiáng)混凝土的功能機(jī)理

1.1 補(bǔ)償收縮混凝土材料

補(bǔ)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(qiáng)度形成初期，水化產(chǎn)生體積膨脹，可補(bǔ)償強(qiáng)度形成后期的混凝土干縮，同時(shí)抗拉性能優(yōu)異的纖維在混凝土中亂向分布，形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高抗收縮和抗開裂能力。在使用時(shí)，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(jī)，加水?dāng)嚢杈鶆蚣纯伞Ｆ渲?，纖維膨脹劑與混凝土骨料、外加劑、摻合料和水泥都不會(huì)有任何沖突，對(duì)攪拌及施工工藝沒有特別的要求，只要適當(dāng)保證攪拌時(shí)間即可使用。

補(bǔ)償收縮混凝土的性能優(yōu)劣主要取決于膨脹劑[3]。膨脹劑的膨脹效應(yīng)由可膨脹水化產(chǎn)物類型及其產(chǎn)生的體積膨脹量所決定。在實(shí)踐應(yīng)用中，摻加纖維膨脹劑的補(bǔ)償收縮混凝土主要被用于壩體等對(duì)防滲抗裂要求比較高的水利結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(nèi)部，如同微細(xì)加筋，可以消弭溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力，從而達(dá)到阻止裂縫發(fā)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(nèi)部微小孔隙，減小受力狀態(tài)下的應(yīng)力集中現(xiàn)象，宏觀上表現(xiàn)為抑制裂縫的發(fā)展，從而提高混凝土抗拉、抗壓、抗彎、抗剪強(qiáng)度等[5]。再次，纖維的加筋作用使得混凝土內(nèi)部受到荷載作用時(shí)形成微力場(chǎng)，在有效地抵抗裂縫發(fā)展的同時(shí)，進(jìn)一步促進(jìn)裂縫的收縮閉合，使混凝土表現(xiàn)出高韌性。最后，纖維在混凝土內(nèi)部發(fā)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(nèi)部，能夠使混凝土具有更高的韌性、更好的抗裂性能和更強(qiáng)的抗?jié)B性能[7]。在作為外摻劑摻入到混凝土內(nèi)部的纖維選擇方面，應(yīng)考慮材料性質(zhì)、制備的難易程度、取材是否方便以及混凝土造價(jià)增加幅度等幾個(gè)維度。綜合考量下，當(dāng)前應(yīng)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(fù)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(yīng)變硬化特性的水泥基材料[8]，其設(shè)計(jì)原理是微觀斷裂力學(xué)參數(shù)與纖維橋聯(lián)理論。在工程實(shí)踐應(yīng)用中，ECC材料中的纖維呈現(xiàn)短切亂向分布，在受拉過程中與基質(zhì)協(xié)同作用，表現(xiàn)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(shí)，ECC不含粗骨料，低水灰比設(shè)計(jì)，且不同粒徑的細(xì)骨料根據(jù)最大密實(shí)度原則堆積，導(dǎo)致材料內(nèi)部密實(shí)度大，抗沖擊與耐磨性強(qiáng)；大量短纖維能有效抑制結(jié)構(gòu)體的早期收縮與裂紋發(fā)展，并作為支撐骨料大幅降低孔隙率，避免毛細(xì)孔連通，從而使得ECC的抗?jié)B性能遠(yuǎn)超普通混凝土，抗?jié)B能力提高幅度可達(dá)70%。

2 新型纖維增強(qiáng)混凝土在水利工程中的應(yīng)用

水利水電建（構(gòu)）筑物從功能屬性的角度出發(fā)，可分為擋水建筑物、泄水建筑物、輸水建筑物、取（進(jìn)）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；?。ㄟM(jìn)）水建筑物主要有水閘、機(jī)電排灌、泵房等；專門建筑物主要有船閘、護(hù)坦、海曼、消力池、魚道等。

在工程實(shí)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(duì)應(yīng)要求所采用混凝土材料具備特定的性能，以針對(duì)性地滿足使用功能的要求。

2.1 擋水建筑物中的纖維增強(qiáng)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(hù)岸邊不受水流漫溢侵蝕。這對(duì)于水利工程設(shè)施周邊的土壤保持具有重要的意義。

新型纖維增強(qiáng)混凝土應(yīng)用于擋水建筑物中時(shí)，主要采用補(bǔ)償收縮混凝土修筑。相較于普通混凝土，補(bǔ)償收縮混凝土能夠更好地發(fā)揮擋水防滲作用，保證水利工程設(shè)施周邊土地含水量保持在正常水平區(qū)間，使得土地耕種照常進(jìn)行，對(duì)于鹽堿地和高寒凍脹地區(qū)以及濕陷性黃土地區(qū)具有重要意義。覃輝煌[9]針對(duì)大型堤防混凝土結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生溫度裂縫的問題，提出一種基于UEA補(bǔ)償收縮混凝土的設(shè)計(jì)方案，借助其水化膨脹的特性，彌補(bǔ)混凝土干縮現(xiàn)象，最終有效控制了大體積擋水混凝土結(jié)構(gòu)的溫度裂縫，實(shí)現(xiàn)無縫設(shè)計(jì)，避免因裂縫滲水影響周邊環(huán)境。趙世敏等[10]總結(jié)了補(bǔ)償收縮混凝土在南水北調(diào)水利工程擋水墻結(jié)構(gòu)中的配比設(shè)計(jì)與施工管理，針對(duì)裂縫問題提出了處理建議。

2.2 ?。ㄟM(jìn)）水建筑物中的纖維增強(qiáng)混凝土

水利工程的進(jìn)（?。┧ㄖ镏饕δ苁峭ㄟ^使用內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)等動(dòng)力裝置帶動(dòng)水泵工作提水，從而進(jìn)行排澇或者灌溉等工作。水電站的主廠房、機(jī)房、泵房等半地下結(jié)構(gòu)的地下部分長(zhǎng)期處于高水位以下，為保證機(jī)房等帶電作業(yè)設(shè)備設(shè)施的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，主廠房、機(jī)房等結(jié)構(gòu)的抗?jié)B要求需要高于一般的建筑結(jié)構(gòu)。

防滲高塑混凝土材料的應(yīng)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(shí)等作用下，能抑制微小裂縫發(fā)展，在提高混凝土強(qiáng)度的同時(shí)，提高了混凝土的密實(shí)度，使混凝土抗?jié)B、防裂、耐潮濕環(huán)境腐蝕等性能大幅提升，有效抑制裂縫發(fā)展，提高結(jié)構(gòu)物的使用壽命和安全系數(shù)。高峰[11]依托某水電站地下機(jī)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(shù)要點(diǎn)與質(zhì)量控制，驗(yàn)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(yīng)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(dòng)作用下的損傷情況。

2.3 專門建筑物中的纖維增強(qiáng)混凝土

護(hù)坦、海曼、消力池等水利設(shè)施的共同特點(diǎn)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(jié)構(gòu)。這些直接承載外力的專門水利建筑體往往要求具有高強(qiáng)度、高韌性以及強(qiáng)抗裂性能等。

采用玄武巖纖維或者鋼纖維復(fù)合增強(qiáng)混凝土砌筑的相關(guān)結(jié)構(gòu)，能夠滿足高強(qiáng)、高韌、抗裂的要求。相較于采用鋼筋網(wǎng)加固普通水泥混凝土的提高強(qiáng)度方式，采用纖維復(fù)合形式增強(qiáng)的混凝土則不受鋼筋易被環(huán)境銹蝕的困擾，結(jié)構(gòu)服役期長(zhǎng)，施工造價(jià)低、施工難度小，在實(shí)際中的運(yùn)用效率高、效果好。李永歡[14]揭示了纖維混凝土的抗裂、抗?jié)B與增強(qiáng)作用機(jī)理，分析總結(jié)了其在水下結(jié)構(gòu)、渠道襯砌以及受水流沖刷的消力池等專門設(shè)施中的具體工藝和實(shí)施效果，并指出了纖維混凝土在水利專門建筑物中的應(yīng)用效益以及未來的研究方向。李書鋒等[15]針對(duì)河北黃碧莊水庫溢洪道護(hù)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(yù)期的實(shí)施效果。

2.4 泄水建筑物中的纖維增強(qiáng)混凝土

在水利工程中，有一類構(gòu)筑物的特點(diǎn)是長(zhǎng)期受到氣蝕和水流磨蝕作用，容易被沖刷磨損，這類構(gòu)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(tǒng)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(jià)高，拌和困難、施工的和易性差，且對(duì)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(fù)合增強(qiáng)混凝土則能夠有效解決這一問題，在同等強(qiáng)度等級(jí)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(duì)于硅粉，玄武巖纖維的造價(jià)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(duì)比分析了金屬鋼纖維、有機(jī)合成纖維以及玄武巖纖維等增強(qiáng)水工混凝土的性能和作用機(jī)理，為水工混凝土的抗沖磨性能提升提供了復(fù)合化的應(yīng)用理論。計(jì)濤等[17]為保證泄水建筑物的運(yùn)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(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，相比聚乙烯纖維，聚乙烯醇纖維對(duì)抗沖磨混凝土的抗裂性能改善效果更佳。

3 新型纖維增強(qiáng)混凝土發(fā)展趨勢(shì)

水利工程用混凝土對(duì)所需材料的要求不同于常規(guī)混凝土，其應(yīng)當(dāng)具備抗沖刷、抗磨、抗裂防滲、高韌性、高塑性等要求。通常會(huì)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(guó)傳統(tǒng)摻合料的產(chǎn)地產(chǎn)量分布不均勻是水利工程混凝土在材料生產(chǎn)環(huán)節(jié)中面臨的重要問題。

同時(shí)，水利工程往往具有大型化、功能化與長(zhǎng)期性特點(diǎn)，而混凝土澆筑過程則需要全面考慮混凝土運(yùn)輸時(shí)間、坍落度控制、初凝與終凝時(shí)間以及大體積混凝土一次連續(xù)澆筑等要求，一般情況下無法滿足混凝土長(zhǎng)途調(diào)運(yùn)的條件。因此，“就地取材”成為這一問題最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的解決辦法，也將是未來水利工程中新型纖維增強(qiáng)混凝土發(fā)展和研究的熱點(diǎn)。

目前，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間研究，水利工程科研工作者從不同地區(qū)的工程實(shí)踐應(yīng)用出發(fā)，已逐步開發(fā)出了可部分或完全替代傳統(tǒng)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(tǒng)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(yīng)用于寒冷地區(qū)；而在西藏，采用當(dāng)?shù)靥烊换鹕交彝耆娲鷤鹘y(tǒng)混凝土摻合料也已取得成功，工程應(yīng)用效果良好。

4 結(jié)語

與一般的土建工程相比，除工程量大外，水利工程的建設(shè)特點(diǎn)還包括服役期限長(zhǎng)、自然環(huán)境復(fù)雜、施工難度大、施工任務(wù)艱巨等，這些都對(duì)傳統(tǒng)水利工程的應(yīng)用材料提出了更高的要求?；诶w維增強(qiáng)的補(bǔ)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(yīng)用，相比傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)的耐久性，是水利工程的重大進(jìn)步和發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，結(jié)合不同地區(qū)的產(chǎn)地特征，選用針對(duì)性的新型混凝土礦物摻合料將是未來研究和發(fā)展的一大熱點(diǎn)。