钢纤维混凝土及其在水利工程中的应用

□张祥振□张利峰

（1河南省水利勘测设计研究有限公司；2郑州市金水区建设投资开发公司)

钢纤维混凝土及其在水利工程中的应用

□张祥振1□张利峰2

（1河南省水利勘测设计研究有限公司；2郑州市金水区建设投资开发公司)

文章介绍了土建工程常用钢纤维混凝土（St eel Fi ber Rei nforced Concret e，简称SFRC）中钢纤维的种类及几何参数，简单探讨SFRC的物理力学性能指标及增强增韧机理，总结了SFRC在渠道衬砌、抗冲刷部位等常见水利水电工程中的使用情况及工程效果，并重点以水闸闸室磨损破坏修补为例，阐述了SFRC在闸室加固改造中的施工工艺，最终实践表明，SFRC获得了较好的工程效果，社会经济效益明显。

钢纤维混凝土；施工工艺；水利工程应用

0 引言

自普通混凝土问世，一直存在抗拉强度低、韧性差等缺点，为解决这一系列问题，需要不断提出各种方法和途径在改善普通混凝土的抗拉、抗韧等物理力学性能的基础上，同时保持其抗压强度高等自身优点。其中，在普通混凝土中均匀加入一定比例的纤维增强聚合物材料形成的纤维混凝土，是上述优化普通混凝土物理力学性能的有效方法之一。目前纤维混凝土的科学研究及工程应用中，钢纤维混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete，简称SFRC）占有比较大的比重，是研究的重点及热点。

相对于普通混凝土，SFRC明显改善了其脆性差的缺点，显著提高了抗拉、抗韧、抗渗及抗冲击性能，这一点对于水利工程意义尤其重大。原因很简单，复杂多变的不利水流条件对水利工程用混凝土的抗冲刷、抗冲击及抗渗等力学和耐久性能提出了更高的要求，而将具有优良物理力学性能和耐久性能的SFRC用在水利工程中的某些关键部位，定能取得事半功倍的工程效果。

1 SFRC基本理论

1.1 常用钢纤维的种类及几何参数

SFRC的粗细集料等质量要求与普通混凝土基本一致，其良好的增强增韧等效果主要由钢纤维（Steel Fibre）的种类及几何参数来决定。以外型划分，钢纤维主要有平直型、波浪型、哑铃型、弯钩型、不规则型等；以制造工艺划分，钢纤维主要有剪断型、剪切型及铣削型等。

钢纤维的几何参数主要包括纤维直径、长度、长径比等。钢纤维直径常以等效直径来表达，工程用基本在0.40～1.30 mm。长度方面，根据采用粗骨料的不同，范围基本在20～40 mm。钢纤维长度与直径的比值，定义为钢纤维的长径比。研究表明，考虑到SFRC的增强增韧效果最大化，钢纤维的长径比应保持在40～100。

1.2 SFRC的基本力学性能

SFRC对于普通混凝土力学性能的改善主要体现在抗拉、抗韧方面。《钢纤维混凝土基本理论》指出：钢纤维对混凝土基体的抗拉强度和主要由拉应力控制的抗弯、抗剪、抗扭强度有明显的改善作用[4]。

研究表明，SFRC的抗韧抗冲击性能是普通混凝土的2～7倍。SFRC的耐久性能相对普通混凝土亦有明显改善，且随着钢纤维体积率的提高，其各方面力学性能指标提高幅度随之增大。此外，SFRC应用在节点、剪力墙等抗震构件中，能明显迟滞裂缝产生，改善构件裂缝形态，提高构件的承载力、延性及耗能能力，显著改善构件抗震性能，增强建筑物整体抗震能力。

综上所述，SFRC凭借其自身优越的性能，在工程结构关键、复杂部位具有良好的工程效果以及较高的社会经济效益。且在构件关键、复杂应力区域部分采用SFRC，既控制了成本，又实现了局部增强增韧，达到了利益最大化，利于SFRC在工程一线的大范围推广利用。

1.3 SFRC的增强机理

截止到目前，主要从复合力学和纤维间距两种角度，对SFRC的增强增韧机理的解释。

在复合材料力学理论中，英国学者Swamy及美国学者Naaman、Hannat等将SFRC看做多相体系，其性能是钢纤维、混凝土基体等各相组成成分的叠加。

在纤维间距理论中，美国学者J.P.Romualdi和G.B.Batson认为在普通混凝土中掺入钢纤维以后，对混凝土微裂缝的产生和发展有一定约束作用，对混凝土宏观裂缝的出现有一定迟滞作用。

复合材料力学以及纤维间距理论虽然出发点不一致，但最终落脚点均为钢纤维的阻裂增韧效果，是从不同的切入点讨论了SFRC的增强增韧阻裂内在机理，存在着固有的内在统一性。同时需要引起注意的是，两种学说均明确指出SFRC的物理力学性能主要取决于钢纤维体积率、钢纤维长径比、混凝土基体强度等因素。

2 SFRC在水利工程中的应用

水流情况复杂多变，河床、渠道干湿循环明显，水流作用时间持续强烈，是水利工程的显著特点，由此对水工混凝土的抗冲击、抗磨、抗渗等性能提出了更高的要求。当水流中泥沙含量较大时，上述问题更加明显、突出，显然此时普通混凝土已不能满足工程需要，必须另辟蹊径。而SFRC对普通混凝土优异的增强增韧效果，恰好满足了水工建筑物的某些部位要求较强的抗冲击、抗淘刷等要求。目前，SFRC正逐步应用在渠道整治、闸室加固修补、溢流坝等水利工程中，并取得良好的工程效果，社会经济效益明显，综合优势显著。

2.1 抗冲刷、抗冲磨部位

溢流坝的溢流面、消力池、溢洪道泄流槽、闸室门槽和闸墩等水利工程中，水流流速高，水流持续时间长，对混凝土表面的磨损力大，且往往还存在严重的气蚀问题，混凝土使用条件苛刻。为满足工程要求，获得良好的工程效果，常采用高强混凝土、硅粉混凝土等提高普通混凝土的物理力学性能。但上述2种措施不但施工困难而且成本较高，不利于大规模推广利用。SFRC的出现，较好的解决了这一问题，在不需要提高混凝土基体强度的情况下，大幅增强了混凝土的抗冲耐磨、抗冲击性能。

2.2 渠道衬砌

鉴于历史原因、条件限制，新中国早期修建的渠道，较多为无衬砌土渠，在输水的过程中水渗漏、渠道冲刷损失等现象突出。为了改善渠道的输水过水能力，提高渠道抗冲刷能力，近年来，渠道新建、改建中较多实施了防渗衬砌工程。其中衬砌结构采用的是复合土工膜加现浇钢纤维混凝土板做防渗结构，防渗抗冲刷效果良好，可以推广应用。

3 钢纤维混凝土的施工工艺

以某工程闸底板、闸墩维修改建为例。由于水闸建成运行多年，下部冲磨较严重。鉴于SFRC增强增韧效果好、施工工艺简单、施工速度快、综合投资较少等优点，拟对损坏突出的闸底板及闸墩1.50 m高范围采用SFRC加固修补，1.50 m以上部位采用M20水泥砂浆抹面。

3.1 施工工艺

3.1.1 闸墩表面清理

SFRC浇筑前，首先检查、清除闸墩表面污物及松动混凝土。其次，清理基底表层，增强新旧混凝土的粘结。

3.1.2 基底表面清洗

采用高压风吹和高压水冲洗2种方式结合使用，清除破碎混凝土表面。同时注意，浇筑SFRC时，基底表面保持一定湿度，增强新旧混凝土粘结能力。

3.1.3 埋设标识

浇筑SFRC前，在闸墩表面埋设短钢筋，并用钢丝网与短钢筋进行焊接，便于控制混凝土厚度。短钢筋可按50 cm的间距布置，露出闸墩的长度略大于设计混凝土层厚度。

3.1.4 混凝土拌制

为保证钢纤维在混凝土中均匀分散，应严格注意投料次序，先将钢纤维及粗骨料投入拌和机搅拌30 s使钢纤维分散在石子中，保证钢纤维充分分散；然后将砂和水泥等细集料投入拌和机干搅拌至少30 s，再在转动着的搅拌机中加水，再搅拌2.50 min左右。

3.1.5 浇筑

SFRC的浇筑施工与普通混凝土基本相同。在对闸墩表面进行凿除，超欠挖是不可避免的，因此在浇筑SFRC前，先浇素混凝土找平，再浇筑SFRC，降低回弹率。

3.16 养护

养护可采用喷水及喷雾的方法，使SFRC表面保持一定湿度，喷水养护时间应达到15 d以上。

3.2 工程效果

本水闸改造工程施工结束运行3 a以来，闸墩表面平整，无变形、裂缝产生。闸门改造工程完工后，彻底解决了困扰多年的停水检修闸门的问题，使灌区供水恢复正常，社会经济效益显著。

4 结语

SFRC作为一种新型建材，钢纤维的掺入不但使其具有普通混凝土的优良性能，还明显增强改善了其抗拉、抗韧等性能，扩展了普通混凝土的工程应用范围。然而，钢纤维混凝土在研究和应用方面仍存在一些有待进一步解决的问题，如缺少国家技术规程、施工程序不够简化等。因此，应结合工程实际，深入充分研究，加强各单位协调配合，尽早制定完善相关技术规范、简化钢纤维混凝土的施工程序，进而为SFRC的使用提供依据，扩大使用范围。

[1]尤培波.钢纤维高强混凝土框架中节点抗震性能试验研究[D].郑州大学，2011.

TU 528

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1673-8853（2016）11-0072-02

2016-09-23

（责任编辑：左英勇）

张祥振(1980-)，男，工程师，主要从事水利工程监理和施工管理工作。