新型纤维增强混凝土在水利工程中的应用研究

　　摘要：纤维增强混凝土能改善普通混凝土的抗冲击和抗磨蚀性能，成为水利工程中结构体材料的新选择。在总结几种新型纤维增强混凝土材料性能及应用特点的基础上，从不同功能属性的水利建筑物出发，归纳了水利工程中纤维增强混凝土材料的应用情况。基于水利工程中大体积混凝土一次连续浇筑成型的特点，指出未来纤维增强混凝土材料中的矿物掺合料将形成地缘化的发展趋势。

　　关键词：水利工程；增强混凝土；纤维增韧；补偿收缩；防渗抗裂

　　水利工程泛指各种输水、储水构筑物或建筑物，主要包括大坝、渡槽、水闸、泵房、护坦、海曼等，是用于防洪、灌溉、供水等居民生活中极为重要的一类设施工程。水利工程设施主要采用水泥混凝土修筑，与普通的水泥混凝土不同，水利工程设施中的水泥混凝土须具备防渗、高韧、高强度、抗裂等性能要求[1]。这是因为水利工程设施在使用过程中将长期受到水流的侵蚀冲击，水流中无时无刻都存在有无数个大小不等的运动旋涡，这些运动漩涡组成的高速紊流会持续地作用于水利工程设施位于水中的结构部分，造成对水利工程设施产生渗透、磨损、淘刷、冲击等破坏，尤其是冲击水流中常夹杂有大量的泥沙等悬浊物，使得水利工程设施的过流面受到的破坏加剧。因此，在水利工程设施中采用的水泥混凝土，相比常规使用工况下的混凝土应具有更好的抗冲击和抗磨蚀性能。

　　目前，水利工程中应用的混凝土材料已从传统的强度主导逐渐过渡到以耐久性为主导。在这期间，基于纤维增强的新型混凝土材料应用起到了关键性作用[2]。本文就当前常见的几种新型纤维增强混凝土材料的功能机理进行介绍，并从挡水建筑物、取(进)水建筑物、专门建筑物与泄水建筑物等角度出发，总结阐述了补偿收缩混凝土、纤维高韧混凝土以及防渗高塑混凝土等新型纤维增强混凝土在现代水利工程中的应用情况，同时指出了新型纤维增强混凝土在未来水利工程应用中的发展趋势。

　　1 常见纤维增强混凝土的功能机理

　　1.1 补偿收缩混凝土材料

　　补偿收缩混凝土是指添加了各种膨胀剂(如高分子聚合物、纤维膨胀剂等)的水泥混凝土。在混凝土强度形成初期，水化产生体积膨胀，可补偿强度形成后期的混凝土干缩，同时抗拉性能优异的纤维在混凝土中乱向分布，形成立体网状结构，进一步提高抗收缩和抗开裂能力。在使用时，砂石料备好后，再将纤维膨胀剂加入，然后将集料连同纤维膨胀剂一起加入搅拌机，加水搅拌均匀即可。其中，纤维膨胀剂与混凝土骨料、外加剂、掺合料和水泥都不会有任何冲突，对搅拌及施工工艺没有特别的要求，只要适当保证搅拌时间即可使用。

　　补偿收缩混凝土的性能优劣主要取决于膨胀剂[3]。膨胀剂的膨胀效应由可膨胀水化产物类型及其产生的体积膨胀量所决定。在实践应用中，掺加纤维膨胀剂的补偿收缩混凝土主要被用于坝体等对防渗抗裂要求比较高的水利结构体中。

　　1.2 纤维高韧混凝土材料

　　纤维增韧混凝土的工作原理可以归纳为纤维产生的乱向分布作用、纤维的桥接作用以及纤维的加筋作用。首先，大量的纤维乱向分布于水泥混凝土的内部，如同微细加筋，可以消弭温度变化产生的应力，从而达到阻止裂缝发生的作用[4]；其次，掺入的纤维弹性模量比水泥混凝土材料大很多，通过桥接作用可弥合混凝土内部微小孔隙，减小受力状态下的应力集中现象，宏观上表现为抑制裂缝的发展，从而提高混凝土抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度等[5]。再次，纤维的加筋作用使得混凝土内部受到荷载作用时形成微力场，在有效地抵抗裂缝发展的同时，进一步促进裂缝的收缩闭合，使混凝土表现出高韧性。最后，纤维在混凝土内部发挥出微骨架的作用，阻止混凝土粗骨料下沉和混凝土的离析，从而减少因干缩引起的裂缝[6]。

　　综上所述，将纤维掺入到混凝土内部，能够使混凝土具有更高的韧性、更好的抗裂性能和更强的抗渗性能[7]。在作为外掺剂掺入到混凝土内部的纤维选择方面，应考虑材料性质、制备的难易程度、取材是否方便以及混凝土造价增加幅度等几个维度。综合考量下，当前应用于水利工程中的纤维增韧混凝土的纤维材料主要有钢纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等。

　　1.3 防渗高塑混凝土材料

　　高塑水泥基复合材料(ECC)是一种低纤维掺量、容易拌和、高塑性、高裂缝控制、具有应变硬化特性的水泥基材料[8]，其设计原理是微观断裂力学参数与纤维桥联理论。在工程实践应用中，ECC材料中的纤维呈现短切乱向分布，在受拉过程中与基质协同作用，表现出高抗裂性能和高抗弯曲变形能力。

　　ECC材料中一般使用掺量低于2%的PVA纤维(聚乙烯醇纤维)材料，由于PVA纤维具有高弹性模量，使得在ECC中掺入低于2%的纤维便能获得极大的抗拉、高塑性能。同时，ECC不含粗骨料，低水灰比设计，且不同粒径的细骨料根据最大密实度原则堆积，导致材料内部密实度大，抗冲击与耐磨性强；大量短纤维能有效抑制结构体的早期收缩与裂纹发展，并作为支撑骨料大幅降低孔隙率，避免毛细孔连通，从而使得ECC的抗渗性能远超普通混凝土，抗渗能力提高幅度可达70%。

　　2 新型纤维增强混凝土在水利工程中的应用

　　水利水电建(构)筑物从功能属性的角度出发，可分为挡水建筑物、泄水建筑物、输水建筑物、取(进)水建筑物、专门建筑物等。挡水建筑物主要有堤防、顺坝、丁坝、垛坝等。泄水建筑物主要有泄洪道、泄水洞、冲砂洞等；输水建筑物主要有渡槽、水渠等；取(进)水建筑物主要有水闸、机电排灌、泵房等；专门建筑物主要有船闸、护坦、海曼、消力池、鱼道等。

　　在工程实践中，不同的水利工程建筑物往往具有不同的功能需求。因此，对应要求所采用混凝土材料具备特定的性能，以针对性地满足使用功能的要求。

　　2.1 挡水建筑物中的纤维增强混凝土

　　水利工程中挡水建筑物的主要作用是拦截水流，保护岸边不受水流漫溢侵蚀。这对于水利工程设施周边的土壤保持具有重要的意义。

　　新型纤维增强混凝土应用于挡水建筑物中时，主要采用补偿收缩混凝土修筑。相较于普通混凝土，补偿收缩混凝土能够更好地发挥挡水防渗作用，保证水利工程设施周边土地含水量保持在正常水平区间，使得土地耕种照常进行，对于盐碱地和高寒冻胀地区以及湿陷性黄土地区具有重要意义。覃辉煌[9]针对大型堤防混凝土结构易产生温度裂缝的问题，提出一种基于UEA补偿收缩混凝土的设计方案，借助其水化膨胀的特性，弥补混凝土干缩现象，最终有效控制了大体积挡水混凝土结构的温度裂缝，实现无缝设计，避免因裂缝渗水影响周边环境。赵世敏等[10]总结了补偿收缩混凝土在南水北调水利工程挡水墙结构中的配比设计与施工管理，针对裂缝问题提出了处理建议。

　　2.2 取(进)水建筑物中的纤维增强混凝土

　　水利工程的进(取)水建筑物主要功能是通过使用内燃机、电动机等动力装置带动水泵工作提水，从而进行排涝或者灌溉等工作。水电站的主厂房、机房、泵房等半地下结构的地下部分长期处于高水位以下，为保证机房等带电作业设备设施的正常运转，主厂房、机房等结构的抗渗要求需要高于一般的建筑结构。

　　防渗高塑混凝土材料的应用完美地契合这一要求。防渗高塑混凝土材料在纤维的桥接、微加筋、自密实等作用下，能抑制微小裂缝发展，在提高混凝土强度的同时，提高了混凝土的密实度，使混凝土抗渗、防裂、耐潮湿环境腐蚀等性能大幅提升，有效抑制裂缝发展，提高结构物的使用寿命和安全系数。高峰[11]依托某水电站地下机房的塑性混凝土防渗墙施工案例，阐述了防渗高塑混凝土的施工流程、技术要点与质量控制，验证了防渗高塑混凝土良好的防渗效果。彭剑等[12]介绍了海南某取水泵站中塑性混凝土防渗墙的应用工艺；夏祥等[13]分析了辽宁红沿河核电站取水口防渗高塑混凝土墙在爆炸振动作用下的损伤情况。

　　2.3 专门建筑物中的纤维增强混凝土

　　护坦、海曼、消力池等水利设施的共同特点是均与基岩直接接触，是水利工程中主要用于承受外力的一类板式结构。这些直接承载外力的专门水利建筑体往往要求具有高强度、高韧性以及强抗裂性能等。

　　采用玄武岩纤维或者钢纤维复合增强混凝土砌筑的相关结构，能够满足高强、高韧、抗裂的要求。相较于采用钢筋网加固普通水泥混凝土的提高强度方式，采用纤维复合形式增强的混凝土则不受钢筋易被环境锈蚀的困扰，结构服役期长，施工造价低、施工难度小，在实际中的运用效率高、效果好。李永欢[14]揭示了纤维混凝土的抗裂、抗渗与增强作用机理，分析总结了其在水下结构、渠道衬砌以及受水流冲刷的消力池等专门设施中的具体工艺和实施效果，并指出了纤维混凝土在水利专门建筑物中的应用效益以及未来的研究方向。李书锋等[15]针对河北黄碧庄水库溢洪道护坦的冻融、剥蚀等病害，阐述了钢纤维混凝土的加固方案，最终取得了预期的实施效果。

　　2.4 泄水建筑物中的纤维增强混凝土

　　在水利工程中，有一类构筑物的特点是长期受到气蚀和水流磨蚀作用，容易被冲刷磨损，这类构筑物主要有泄水洞、排沙孔道、闸门门槽和泄洪道、溢流槽等。

　　传统的解决水流磨蚀的方法是在水泥混凝土中添加硅粉。但硅粉混凝土造价高，拌和困难、施工的和易性差，且对混凝土耐腐蚀性的改善效果较为有限。采用玻璃纤维或玄武岩纤维复合增强混凝土则能够有效解决这一问题，在同等强度等级的条件下，掺入玻璃纤维或者玄武岩纤维后的水泥混凝土的耐冲击、耐腐蚀和耐磨蚀性能得到明显提升，并且相对于硅粉，玄武岩纤维的造价更低。牛军等[16]为保证大坝溢流面、泄水口等泄水建筑物的抗冲磨性能，对比分析了金属钢纤维、有机合成纤维以及玄武岩纤维等增强水工混凝土的性能和作用机理，为水工混凝土的抗冲磨性能提升提供了复合化的应用理论。计涛等[17]为保证泄水建筑物的运行安全，在抗冲磨混凝土中分别掺加聚乙烯醇纤维和聚乙烯纤维进行对比试验，结果表明，相比聚乙烯纤维，聚乙烯醇纤维对抗冲磨混凝土的抗裂性能改善效果更佳。

　　3 新型纤维增强混凝土发展趋势

　　水利工程用混凝土对所需材料的要求不同于常规混凝土，其应当具备抗冲刷、抗磨、抗裂防渗、高韧性、高塑性等要求。通常会在水利工程混凝土中添加掺合料用以改善混凝土性能，使混凝土满足上述要求[18]。而我国传统掺合料的产地产量分布不均匀是水利工程混凝土在材料生产环节中面临的重要问题。

　　同时，水利工程往往具有大型化、功能化与长期性特点，而混凝土浇筑过程则需要全面考虑混凝土运输时间、坍落度控制、初凝与终凝时间以及大体积混凝土一次连续浇筑等要求，一般情况下无法满足混凝土长途调运的条件。因此，“就地取材”成为这一问题最经济实惠的解决办法，也将是未来水利工程中新型纤维增强混凝土发展和研究的热点。

　　目前，经过长时间研究，水利工程科研工作者从不同地区的工程实践应用出发，已逐步开发出了可部分或完全替代传统掺合料的新型矿物掺合料[19]，包括磷渣粉、石灰石粉、天然火山灰、钛渣粉、砂板岩粉、花岗岩粉、大理岩粉等。例如：在贵州，用磷渣粉完全取代传统粉煤灰作为掺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应用于寒冷地区；而在西藏，采用当地天然火山灰完全替代传统混凝土掺合料也已取得成功，工程应用效果良好。

　　4 结语

　　与一般的土建工程相比，除工程量大外，水利工程的建设特点还包括服役期限长、自然环境复杂、施工难度大、施工任务艰巨等，这些都对传统水利工程的应用材料提出了更高的要求。基于纤维增强的补偿收缩混凝土、纤维高韧混凝土以及防渗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应用，相比传统普通混凝土，更可靠、更有效地保证了水利工程的耐腐蚀性、防水性及工程结构的耐久性，是水利工程的重大进步和发展趋势。同时，结合不同地区的产地特征，选用针对性的新型混凝土矿物掺合料将是未来研究和发展的一大热点。

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　　作者：刘秀华，万兆鑫