纤维混凝土在水工建筑中的应用

纤维混凝土在水工建筑中的应用

摘要：近年，随着大型、多功能水利工程的建设，大量新材料、新工艺、新技术应运而生。而且随着水利工程的普及与重视，如何运用高科技元素来提高水利工程的性能，如何实现大型、多功能多样化的水利工程，便成为水利系统的展望目标，同时也成为水利事业的一项重点工作。可是在实际的水工建筑中经常会出现混凝土结构裂缝以及被腐蚀和碳化等缺陷，从而影响了水利工程的安全与建设。针对此问题，一种新材料破壳而出——纤维混凝土，将纤维混凝土运用于水工建筑中，在很大程度上改善了混凝土结构裂缝等缺陷。

关键词：水利工程；钢纤维；聚丙烯纤维；异型塑钢粗合成纤维；丙乳硅粉钢纤维

1 钢纤维混凝土在水工建筑中的应用

1.1 钢纤维混凝土的特性

钢纤维混凝土的物理和力学性能与普通混凝土相比具有很大优越性，比如具有较高的抗弯、抗拉、抗剪和抗扭强度。尤其是强度和重量比值增大，这是钢纤维混凝土优越经济性的重要标志（如表1所示）[1]。

在普通混凝土中加入适当的钢纤维，其抗剪强度提高50%～100%，抗拉强度提高25%～50%，抗弯强度提高40%～80%；其收缩性能也能得到明显改善，收缩值一般会降低7%～9%；同时，具有优良的冲击韧性（即抗冲击性能材料抵抗冲击或震动荷载作用的性能），一般可提高2～7倍；其耐久性能、耐冻融性、耐热性、耐磨性、抗气蚀性和抗腐蚀性都能得到显著提高。但是在抗渗性能上与普通混凝土相比没有明显变化。

1.2 钢纤维混凝土在水利水电工程中的应用

1.2.1 在支护工程中的应用

钢纤维混凝土之所以在支护工程中得到应用，是由缘于其较高的抗拉、抗弯、抗剪强度，能围岩和土体的较大变形作用下保持优良的整体性能。如若使用钢纤维混凝土喷射衬砌，可使围岩减少衬砌厚度。

1.2.2 在储水、防渗、输水管道工程中的应用

钢纤维混凝土之所以可在在储水、防渗、输水管道工程中的应用是因为其具有良好的抗裂性能、较低的收缩率。一般钢纤维混凝土运用在储水和防渗结构中可用作防水层，必要时也可代替钢筋混凝土用于结构层中。

1.2.3 在溢洪道等承受高速水流工程中的应用

因钢纤维混凝土具有良好的抗冲磨、抗气蚀能力，所以运用在高速水流冲刷磨损部位，比如溢洪道、消力池、闸底板等。

1.2.4 在水工构件的防蚀层或结构层中的应用

由于钢纤维混凝土优越的耐腐蚀性能，可用在处于腐蚀环境中的水工构件，尤其是海水等腐蚀环境中的水工构件，比如闸门、输水管道等的防蚀层或结构层。

1.2.5 在抗震结构节点和动力荷载作用部位中的应用

一般将钢纤维混凝土运用于动力荷载的机墩或抗震结构的框架节点等部位，是由于钢纤维混凝土较高的抗拉强度、断裂韧性和抗疲劳等性能，能够承受巨大的动力荷载。

1.2.6 在水工结构复杂的应力区中的应用

通常来说，钢纤维混凝土还可以应用到大坝内廊道、泄水孔等孔口复杂应力区和牛腿等受弯构件的抗剪以及板的抗冲切部位等水工结构复杂的应力部位，是因为其在钢纤维混凝土中的独特形态分布，一般呈三维乱向分布，可起到向每个方向增强和增韧的作用。也正因此特性，使得其更能适应各种复杂的构造形式，也比较容易浇筑成型。同时，因为钢纤维具有限制混凝土裂缝的性能。

2 聚丙烯纤维混凝土在水工建筑中的应用

2.1 聚丙烯纤维的性能特点

聚丙烯纤维与其他纤维相比具有众多良好的优越性。比如，加入适量聚丙烯纤维可提高混凝土的抗渗性，抑制混凝土裂缝的产生和发展，也可增强混凝土的韧性、抗疲劳性、抗冲磨性和耐久性能，同时可提高混凝土抗御冻融破坏能力[2]。更重要的是，其性能稳定、安全无毒、抗辐射。当然，其施工简单，经济适用更吸引施工方的眼球，这体现在聚丙烯纤维的使用一般不需改变原设计的配合比，也不取代原设计的受力钢筋等。

2.2 聚丙烯纤维混凝土在防水工程中的应用实例

聚丙烯纤维混凝土一般掺量为每立方米混凝土0.6～1.2kg。此种混凝土被广泛应用于：水利水电、道路、桥梁、隧道、海港、码头、机场、泳池、人防工程和民用建筑工程等。

2.2.1 地下室外墙工程

下面以某地下室工程为例。本工程施工面积为1000m2，基础埋深为-1m。因本工程地处于地铁附近，方案制定为分两期施工。工程第1期，外墙总长约

260延米，使用普通的防水混凝土C50，几个月后墙体出现渗入，发现垂直细裂缝数十条。工程第2期，外墙总长约60延米，混凝土设计强度等级C50。结合第1期工程的经验教训，本期使用42.5R普通硅酸盐水泥、中砂、5～25mm连续级配碎石，并掺加一定量的Ⅱ级粉煤灰和聚丙烯纤维及混凝土外加剂制备生产纤维混凝土。几个月后掺加纤维材料的混凝土墙体未出现裂缝，事实证明，纤维混凝土可以有效抑制墙体细裂缝的出现。纤维混凝土的抗裂性能得到证明后，又用在本工程的水箱、污水池等容易出现渗入的结构中，时至今日，这批纤维混凝土构筑物均未发现因干缩而引起的微细裂缝，无渗漏现象。

2.2.2 地下室基坑支护工程

下面以某地下室基坑工程为例。该地下室基坑支护临江而建，对抗裂抗渗要求较高，故采用喷锚网工艺。施工方案中明确仅在临江的一面的喷射混凝土材料中加入0.07%体积掺量的聚丙烯纤维，其他三面喷射普通混凝土。工程结束，尽管临江的一面水压较高，但未有裂纹出现，只是在两边锚头处略有渗水；而其他未掺入聚丙烯纤维的三面墙体中却呈现出程度不一的裂纹和裂缝，同时在多处锚点都有不同程度的渗漏且小部分渗漏较严重。故此说明聚丙烯纤维对抑制混凝土的塑性收缩裂缝、提高抗渗性有显著功效。3 异型塑钢粗合成纤维混凝土在道桥工程中的应用

近年来，我国的粗合成纤维材料发展迅速，在混凝土的路桥面上，以及机场的跑道，都将其加以应用[3]。从实际应用来看，其分散性、耐腐蚀性，以及对于提高混凝土的柔韧性、耐疲劳和耐冲击性、抗弯性等都表现良好，而且使用成本较低，易于采用和推广，同时对环境要求也较低，即使在恶劣的环境下，也能加以应用（如表2和表3）。粗合成纤维可以在多个领域中加以应用，尤其在喷射混凝土中，其优势非常明显。因为粗合成纤维的根数较多，在混凝土中使用，分散迅速，可以明显的提高混凝土的柔韧性和阻止裂缝的产生。

根据粗合成纤维混凝土在我国近几年的应用情况来看，在我国道桥面层的结构形式主要有两种：一种是全掺式混凝土路面，此种路面施工起来非常方便，简单易行，而且对于整体的面层来说，其综合表现良好，且性能平稳，但是造价较高，适合用于重要的一级道桥工程。另一种是层布式纤维混凝土路面，此种路面对于施工来说具有较大的变异性，但是相对成本较低。

4 丙乳硅粉钢纤维混凝土在水工混凝土缺陷处理工程中的应用

丙乳硅粉钢纤维混凝土与以上各种纤维混凝土相比，似乎汲取了它们的全部优点，比如较高的抗拉强度、抗裂抗渗性、耐疲劳、耐老化等。某电厂水工建筑物的普通混凝土结构中掺入了丙乳硅粉钢纤维，在汛期过后，进行了水下摄像检测，检测发现数道泄洪闸门槽下游侧有不同程度的冲损，大约有十几处，最大处为的破损为2.6m×1.4m；而该电厂船闸右泄水廊道出水口，因长期被水流冲击，底板、侧墙、中墩冲刷、露筋非常严重，比如，有掏空或露筋的地方也有十几处，近50m2，最大的掏空为2.3m×1.6m且钢筋已被冲断。在汲取经验教训后，对该电厂泄洪闸门槽、船闸下游泄水廊道出水口混凝土缺陷采用丙乳硅粉钢纤维混凝