钢纤维混凝土在小杞电站的应用

□ 王元耀

钢纤维混凝土就是在一般普通混凝土中掺配一定数量短而细的钢纤维所组成的一种性能优良的新型高强复合材料。由于钢纤维能阻滞混凝土裂缝的产生，不但具有普通混凝土的优良性能，而且具有良好的抗拉、抗弯、抗裂、耐冲击、耐疲劳，以及收缩率小、韧性好、耐磨耗能力强等特性。福建省漳平小杞电站闸坝牛腿部位尺寸较小，金属结构埋件多，不可能配置太多钢筋，如采用传统的普通混凝土浇筑，将难以满足结构强度要求。因此在结构设计掺加钢纤维可以大大改善构件的受力性能，提高正、斜截面抗裂性能和构件整体性能，限制裂缝宽度的发展以及提高正、斜截面极限承载能力。

一、工程概况

福建省漳平小杞水电站泄水建筑物采用4孔闸，溢流段长度89.5m，单孔尺寸宽×高=18×15m，溢流堰顶高程▽127.0m，正常蓄水位▽141.5m，闸墩尺寸30.35×3.5m，顶部高程▽149.5m，牛腿中心高程▽140.0m，最大单宽流量156.94m³/s，设计泄洪流量7 900m³/s，校核泄洪流量11 300 m³/s。溢流坝工作门采用弧形闸门，后拉卷扬式启闭方式，弧门门叶单重175t，单孔门槽埋件重8t，弧门启门力为2×1 000KN，启闭水头15m，采用2×250 KN弧门卷扬机通过滑轮组（倍数为4）后拉式启闭操作。

二、钢纤维混凝土作用机理

在混凝土基体未开裂前，纤维与混凝土共同处于弹性状态，对材料的变形性能影响很小，但在基体开裂后处于裂纹面的纤维便发挥出其桥联阻裂性能，使材料具有较高的裂后强度、抗拉韧性等。基体开裂后，混凝土的拉伸变形主要来自初始裂缝的不断张开，在断裂面处钢纤维混凝土通过纤维继续把荷载传递给未开裂的部分。这样，材料的力学性能就完全取决于纤维与基体界面的结合强度，随裂缝不断张开，纤维桥联纤维也不断被拔出，基体在阻碍纤维拔出的过程中，主要靠纤维——基体界面间的粘结力（包括粘着与剪摩约束两种作用）及纤维的异形造成的机械抗力。

三、钢纤维混凝土的材料选择

（一）钢纤维选择：

本工程采用赣州大业金属纤维有限公司生产的弓型GSF0630冷拉钢纤维，纤维长度30mm，纤维直径0.6mm，纤维长径比为50，试验抗拉强度≥ 1 000Mpa。

（二）水泥：

选用龙岩三德水泥股份有限公司生产的“三德”牌32.5R普通硅酸盐水泥，钢纤维混凝土每立方米的水泥用量宜为360～400kg，以保证混凝土混合料具有较高的强度和耐磨性能。

（三）钢纤维混凝土的水灰比：

宜选用0.45～0.50，对于以耐久性为主要要求的钢纤维混凝土，不得大于0.50。

（四）细骨料：

采用中粗砂，平均粒径0.35～0.45mm，松散密度1.37g/cm3。

（五）钢纤维混凝土用的粗骨料：

最大粒径不宜大于20mm，且粗骨料粒径长度应不超过钢纤维长度的2/3，本工程采用5～20mm碎石。

（六）其他规定：

除上述规定外，钢纤维混凝土上所用的其他材料，应符合现行规范中关于钢筋混凝土所用原料的规定。

四、钢纤维混凝土的配合比

（一）钢纤维强度等级

本工程溢流闸坝牛腿段结构设计选用钢纤维混凝土，设计强度等级为CF25，钢纤维混凝土抗压强度ffcu=25Mpa，抗拉强度fft＞2.5 Mpa。

（二）确定钢纤维混凝土的配制强度

按工程强度保证率95%计算，查得保证率系数Z=1.64，钢纤维混凝土的强度等级为CF25，取强度标准差σ1=5.0Mpa，求得钢纤维混凝土配制抗压强度：

式中：ffcu——钢纤维混凝土配制抗压强度（Mpa）；

ffcu——钢纤维混凝土配制抗压强度立方体抗压强度标准值（Mpa）；

Z——保证率系数；

σ1——立方体抗压强度标准差（Mpa）。

（三）确定水灰比

由于钢纤维混凝土的抗压强度主要取决于水泥石的强度及其与骨料间的粘结力，水泥的强度及其骨料间的粘结力又主要取决于水泥强度等级和水灰比的大小，而钢纤维的体积率或长径比对抗压强度影响不大（仅可提高抗压强度5～10%）。因此，钢纤维混凝土的水灰比，可按普通混凝土的抗压强度与水泥强度等级、水灰比的关系式求得：

式中：fce——水泥实测28d的抗压强度（Mpa）；

C/W——钢纤维混凝土所需的灰水比；

αa、αb——经验系数。当粗骨料为碎石时，αa=0.46，αb=0.07。

（四）确定钢纤维体积率和单位体积用量

对有抗压强度和抗拉强度要求的按下式确定：

式中：fft——钢纤维混凝土的抗拉强度（Mpa）；

ft——与配制钢纤维混凝土对应的基体混凝土的抗拉强度（Mpa）；可由钢纤维混凝土的强度等级表示，即ft=0.23(ffcu)2/3=0.23×252/3=2.0 Mpa

αt——钢纤维对抗拉强度的影响系数。对钢纤维混凝土强度等级为CF20～CF40，lf＜35mm钢纤维，αt为0.36；

ρf——钢纤维体积率；

lf/df——钢纤维长径比，本工程选用长径比为50。

则钢纤维单位体积用量

Fo=0.0138×7800=107.64kg（取 108kg）

（五）确定单位体积用水量和水泥用量

根据要求的维勃稠度VB=13s，则单位体积用水量应为187.2kg，现考虑碎石最大粒径为20mm，应减少用水量5kg，钢纤维体积率增加0.38%，用水量增加6.08kg，合计单位体积用水量

根据已确定水灰比W/C=0.49，求得单位体积水泥用量

（六）确定砂率

按长径比为50，砂率初步确定为50%，钢纤维体积率现为1.38%，增加0.38%，砂率增加2.28%，水灰比为0.49，减少0.01，砂率减少2%，砂细度模数为2.50，减少0.50，砂率应减少5%，合计砂率为：

（七）确定单位体积砂、石用量

按绝对体积法

式中：Wo、Fo、Co、So、Go——1m3钢纤维混凝土中水、钢纤维、水泥、砂和石子的重量（kg/m3）；

rw、rf、rc、rs、rg——水、钢纤维、水泥、砂和石子的密度（g/cm3）；

α——钢纤维混凝土含气量百分率（%），在不使用引气型外加剂时，石子的最大粒径为20mm，α可取为2。

（八）计算混合材料用量，确定试配配合比，钢纤维混凝土配合比如表1：

表1 钢纤维混凝土配合比

五、施工方法

（一）钢纤维混凝土拌和

钢纤维混凝土采用自落式搅拌机拌和，为保证混凝土混合料的搅拌质量，采用先干后湿的拌和工艺。

投料顺序及搅拌时间为：粗骨料—钢纤维（干拌1min）——细骨料（干拌1min）——全部料投入后加水(湿拌1.5～2.0min)。其中钢纤维在拌和时分3次加入拌和机中，边拌边加入钢纤维，使钢纤维均匀分布在石子中，不致结团，再倒入砂、水泥。

钢纤维混凝土拌和时，每次的搅拌量不宜大于搅拌机额定搅拌量的80%。

总搅拌时间不应超过6min，超搅拌会引起湿纤维结团。一旦发现有纤维结团，就必须剔除掉，以防止因此而影响混凝土的质量。

在搅拌混凝土过程中必须保证钢纤维均匀分布，为防止钢纤维在搅拌时纤维结团，应将钢纤维通过振动筛均匀加入粗骨料。

（二）钢纤维混凝土的浇捣

浇筑和振捣是施工中的重要环节，直接影响钢纤维混凝土的整体和致密性。钢纤维混凝土浇筑时，要求随拌随用，连续浇筑。

钢纤维混凝土浇捣与普通混凝土一样，不同之处就是其流动性较差，在边角处容易产生蜂窝。因此，边角部分应重点振捣密实。

采用插入振捣器，不能将振动器与结构受力方向垂直插入混凝土混合料中，以避免钢纤维沿振动器取向分布，降低纤维方向有效系数，影响钢纤维的增强效果。一般要求斜向插入，并与平面的夹角不大于30°。

（三）钢纤维混凝土的养护

表2 混凝土试块强度统计、评定记录

钢纤维混凝土浇筑24h后，应按常规及时养护，夏天应用草袋之类覆盖，寒天注意保温。

钢纤维混凝土养护要及时，养护期一般不小于28天。

钢纤维养护完成后，要求混凝土表面平整、光滑、颜色正常、无裂缝。

六、钢纤维混凝土质量检验

试件抗压检测。工程施工中共做抗压试件15组，抗拉试件15组，依据《水利水电工程施工质量检验与评定规程》（SL176-1996）试块评定如表2所示：

七、结论

通过对本工程应用及工程运行表明，钢纤维混凝土可以满足工程中的高拉应力、复杂应力、抗裂、阻裂、增强和增韧等普通混凝土难以达到的受力性能要求，具有良好的社会效益、经济效益和广阔的应用前景。该施工方法在类似工程中具有推广价值。