纤维在南水北调中线渠道衬砌试验分析

商东波

（河北省南水北调工程建设管理局，石家庄 050011）

1 工程概况

南水北调中线工程是一项跨流域大型调水工程，是改善我国水资源配置的重大基础性战略工程。为缓解北京日趋严峻的缺水现状，2003年底，南水北调中线京石段应急供水工程首批大型建筑物项目开工建设。2006年汛后，渠道工程相继开工。南水北调中线工程以明渠为主，在京石段工程中，明渠长度为总长度的88.5%。为减少渠道过水断面糙率，确保边坡、底板稳定并辅助防渗，渠道过水断面边坡、底板采取8～10cm厚混凝土衬砌防护型式。渠道衬砌混凝土的特点是渠道断面尺寸大、薄壁素混凝土结构、混凝土衬砌板抗裂、防渗、减糙要求高。

2 施工难点分析

过去，我国混凝土工程的耐久性问题长期不受重视，混凝土结构没有达到预期的使用寿命，受环境作用过早破坏的实例很多，由此造成的经济损失也很大。由于许多工程设计只满足荷载要求，而没有提出耐久性的要求，使已建成的混凝土构筑物存在耐久性隐患。

目前，我国相关部门已经认识到混凝土耐久性问题的严重性，相继出台了多项有关提高混凝土耐久性的设计规范、技术规范。其中我国GB 50010—2002《混凝土结构设计规范》规定，混凝土的耐久性设计应按照环境类别和设计使用年限进行，分为50年和100年2个耐久性预期目标，对于重大、重要工程应按照100年寿命来设计混凝土。

南水北调中线渠道工程多为混凝土衬砌结构，由于其渠道断面尺寸大、属于薄壁素混凝土结构，因此要达到设计使用寿命100年的要求，解决混凝土衬砌结构的抗裂、防渗、抗冻融、抗地下水侵蚀等问题是关键，也是本项工程的最大难点。

3 存在的问题

在南水北调中线工程京石段施工过程中，各参建单位对确保衬砌混凝土施工质量满足设计各项指标要求，采取了多项应对措施，包括优化混凝土配合比设计、加强施工过程控制与混凝土的后期保护等。

虽然采取了上述措施，但已完成的渠道混凝土衬砌面板经过一个冬季后，面板表面出现了冻融剥蚀、裂缝等质量缺陷，严重影响了混凝土耐久性。该缺陷修补历时长、费用高，且严重影响渠道外观整体效果。因此在部分标段引进纤维混凝土进行试验。

所谓纤维混凝土就是在混凝土拌合过程中加入一定比例的纤维，以提高混凝土抗裂性能、抗冻融性能、抗氯离子渗透、抗硫酸盐侵蚀等性能，从而显著提高混凝土的耐久性。试验所选用的纤维为纤维素纤维，该纤维是建筑工程用低弹模纤维的第三代产品。

4 试验方案

4.1 纤维素纤维技术指标要求

表1 纤维素纤维技术指标

4.2 试验方案

4.2.1 试验区段选择

试验区段选择在桥梁附近，该区段水流变化相对较大，地质条件不均，属于易发生质量问题的区段。

4.2.2 试验区段长度与纤维素纤维掺量的确定

根据预期试验要求，选取试验长度为40m，纤维素掺量为0.9kg/m3。纤维混凝土衬砌完成后，根据其强度，选择适当时机，分别按4，8，12，16m进行切缝。

4.2.3 试验技术要点

在不改变原有渠道衬砌混凝土配合比的情况下掺入纤维素纤维。先将计量后的纤维与粗骨料一起添加，然后再添加细骨料、水泥、掺合料用强制式搅拌机搅拌均匀，最后加水搅拌，拌合时间适当加长，加长时间宜控制在20~30s，使纤维素纤维在混凝土中分散均匀。拌合好的混凝土进行纤维分散性检验，检验方法如下。

（1）器具：一个8~10L容器，一个插捣棒，一个100目砂筛，一个可以调整水压的莲蓬水龙头。

（2）将完全拌合好的纤维混凝土拌合物取出10~15kg放入容器中，用高压水龙头冲洗混凝土拌合物，并使水面高出混凝土拌合物15cm以上，注意冲洗时水不要外溅。

（3）用插捣棒用力搅拌容器中混凝土拌合物。

（4）搅拌1min后，立即小心将容器中浑浊的水泥浆慢慢倒在砂筛上，注意不要将容器中的砂石倒出。

（5）用低压水龙头小心冲洗砂筛上的残留物，直至将残留物表层的灰浆冲洗干净。

（6）观察砂筛上的残留物，若明显看出纤维，且纤维没有结块，则纤维分散性合格，否则应调整混凝土拌合时间，直至纤维分散性满足要求为止。

5 试验效果

5.1 强度对比

从表2～表3中看出， 在标准养护3，7，28d龄期情况下，掺入纤维素纤维的混凝土抗压强度与比普通混凝土均略低，但其抗拉强度比普通混凝土均显著增大，特别是早期强度增大更加明显，利于混凝土的早期抗裂。

表2 普通混凝土抗压强度和抗拉强度（C20）

表3 掺入纤维素纤维混凝土抗压强度和抗拉强度（C20）

5.2 外观效果

试验段完成后，经过两个月的观察，所有混凝土衬砌块均无裂缝发生，纤维混凝土表面密实光滑。在施工完成并实际使用一年后，现场观察发现，普通素混凝土衬砌板经过季节变化，部分区段出现了较严重的冻融破坏，表面剥落严重，且有裂缝产生。而试验区段纤维混凝土表面无任何剥蚀现象和裂缝。

6 结语

（1）纤维素纤维能均匀地分散在混凝土中，提高了混凝土的粘聚性和抗泌水性，使纤维混凝土和易性良好，便于施工。

（2）纤维素纤维大幅度提高了混凝土的抗拉强度，增加了混凝土的阻裂效应和补强效应，降低了混凝土的脆性，确保了混凝土的耐久性要求。

（3）纤维混凝土大幅度提高了混凝土的抗冻融性能。

（4）通过试验可以看出，纤维混凝土明显提高混凝土的抗裂性能，可适当增大衬砌混凝土的分块尺寸，减少混凝土衬砌块的切缝和填缝费用。所节约的投资，可弥补渠道使用纤维素纤维混凝土所带来的投资增加，不仅工程投资得到控制，而且渠道混凝土衬砌的施工质量得到保障，真正实现了工程经济、安全、适用的效果。根据实验成果，在确保工程质量前提下，建议根据渠道衬砌坡长，纤维混凝土衬砌板可采用8~12m宽度进行分缝。

（5）该项试验的成功，为南水北调中线工程石家庄以南渠道衬砌及其他类似抗裂防渗工程施工提供了经验。

［1］河北省水利水电勘测设计研究院.南水北调中线干线工程渠段渠道衬砌试验段试验大纲［R］.

［2］上海罗洋新材料科技有限公司.UF500纤维素纤维在南水北调中线工程渠道衬砌中的应用研究［R］.

［3］河北省水利水电勘测设计研究院.南水北调中线干线工程京石段应急供水工程渠工程施工技术要求［R］.

［4］DL/5241—2010，水工混凝土耐久性技术规范［S］.

［5］DL/5330—2005，水工混凝土配合比设计规程［S］.