鋼纖維混凝土在小杞電站的應(yīng)用

□ 王元耀

鋼纖維混凝土就是在一般普通混凝土中摻配一定數(shù)量短而細(xì)的鋼纖維所組成的一種性能優(yōu)良的新型高強(qiáng)復(fù)合材料。由于鋼纖維能阻滯混凝土裂縫的產(chǎn)生，不但具有普通混凝土的優(yōu)良性能，而且具有良好的抗拉、抗彎、抗裂、耐沖擊、耐疲勞，以及收縮率小、韌性好、耐磨耗能力強(qiáng)等特性。福建省漳平小杞電站閘壩牛腿部位尺寸較小，金屬結(jié)構(gòu)埋件多，不可能配置太多鋼筋，如采用傳統(tǒng)的普通混凝土澆筑，將難以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計摻加鋼纖維可以大大改善構(gòu)件的受力性能，提高正、斜截面抗裂性能和構(gòu)件整體性能，限制裂縫寬度的發(fā)展以及提高正、斜截面極限承載能力。

一、工程概況

福建省漳平小杞水電站泄水建筑物采用4孔閘，溢流段長度89.5m，單孔尺寸寬×高=18×15m，溢流堰頂高程▽127.0m，正常蓄水位▽141.5m，閘墩尺寸30.35×3.5m，頂部高程▽149.5m，牛腿中心高程▽140.0m，最大單寬流量156.94m3/s，設(shè)計泄洪流量7 900m3/s，校核泄洪流量11 300 m3/s。溢流壩工作門采用弧形閘門，后拉卷揚(yáng)式啟閉方式，弧門門葉單重175t，單孔門槽埋件重8t，弧門啟門力為2×1 000KN，啟閉水頭15m，采用2×250 KN弧門卷揚(yáng)機(jī)通過滑輪組（倍數(shù)為4）后拉式啟閉操作。

二、鋼纖維混凝土作用機(jī)理

在混凝土基體未開裂前，纖維與混凝土共同處于彈性狀態(tài)，對材料的變形性能影響很小，但在基體開裂后處于裂紋面的纖維便發(fā)揮出其橋聯(lián)阻裂性能，使材料具有較高的裂后強(qiáng)度、抗拉韌性等?；w開裂后，混凝土的拉伸變形主要來自初始裂縫的不斷張開，在斷裂面處鋼纖維混凝土通過纖維繼續(xù)把荷載傳遞給未開裂的部分。這樣，材料的力學(xué)性能就完全取決于纖維與基體界面的結(jié)合強(qiáng)度，隨裂縫不斷張開，纖維橋聯(lián)纖維也不斷被拔出，基體在阻礙纖維拔出的過程中，主要靠纖維——基體界面間的粘結(jié)力（包括粘著與剪摩約束兩種作用）及纖維的異形造成的機(jī)械抗力。

三、鋼纖維混凝土的材料選擇

（一）鋼纖維選擇：

本工程采用贛州大業(yè)金屬纖維有限公司生產(chǎn)的弓型GSF0630冷拉鋼纖維，纖維長度30mm，纖維直徑0.6mm，纖維長徑比為50，試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度≥ 1 000Mpa。

（二）水泥：

選用龍巖三德水泥股份有限公司生產(chǎn)的“三德”牌32.5R普通硅酸鹽水泥，鋼纖維混凝土每立方米的水泥用量宜為360～400kg，以保證混凝土混合料具有較高的強(qiáng)度和耐磨性能。

（三）鋼纖維混凝土的水灰比：

宜選用0.45～0.50，對于以耐久性為主要要求的鋼纖維混凝土，不得大于0.50。

（四）細(xì)骨料：

采用中粗砂，平均粒徑0.35～0.45mm，松散密度1.37g/cm3。

（五）鋼纖維混凝土用的粗骨料：

最大粒徑不宜大于20mm，且粗骨料粒徑長度應(yīng)不超過鋼纖維長度的2/3，本工程采用5～20mm碎石。

（六）其他規(guī)定：

除上述規(guī)定外，鋼纖維混凝土上所用的其他材料，應(yīng)符合現(xiàn)行規(guī)范中關(guān)于鋼筋混凝土所用原料的規(guī)定。

四、鋼纖維混凝土的配合比

（一）鋼纖維強(qiáng)度等級

本工程溢流閘壩牛腿段結(jié)構(gòu)設(shè)計選用鋼纖維混凝土，設(shè)計強(qiáng)度等級為CF25，鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度ffcu=25Mpa，抗拉強(qiáng)度fft＞2.5 Mpa。

（二）確定鋼纖維混凝土的配制強(qiáng)度

按工程強(qiáng)度保證率95%計算，查得保證率系數(shù)Z=1.64，鋼纖維混凝土的強(qiáng)度等級為CF25，取強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差σ1=5.0Mpa，求得鋼纖維混凝土配制抗壓強(qiáng)度：

式中：ffcu——鋼纖維混凝土配制抗壓強(qiáng)度（Mpa）；

ffcu——鋼纖維混凝土配制抗壓強(qiáng)度立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（Mpa）；

Z——保證率系數(shù)；

σ1——立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差（Mpa）。

（三）確定水灰比

由于鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度主要取決于水泥石的強(qiáng)度及其與骨料間的粘結(jié)力，水泥的強(qiáng)度及其骨料間的粘結(jié)力又主要取決于水泥強(qiáng)度等級和水灰比的大小，而鋼纖維的體積率或長徑比對抗壓強(qiáng)度影響不大（僅可提高抗壓強(qiáng)度5～10%）。因此，鋼纖維混凝土的水灰比，可按普通混凝土的抗壓強(qiáng)度與水泥強(qiáng)度等級、水灰比的關(guān)系式求得：

式中：fce——水泥實(shí)測28d的抗壓強(qiáng)度（Mpa）；

C/W——鋼纖維混凝土所需的灰水比；

αa、αb——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。當(dāng)粗骨料為碎石時，αa=0.46，αb=0.07。

（四）確定鋼纖維體積率和單位體積用量

對有抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度要求的按下式確定：

式中：fft——鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度（Mpa）；

ft——與配制鋼纖維混凝土對應(yīng)的基體混凝土的抗拉強(qiáng)度（Mpa）；可由鋼纖維混凝土的強(qiáng)度等級表示，即ft=0.23(ffcu)2/3=0.23×252/3=2.0 Mpa

αt——鋼纖維對抗拉強(qiáng)度的影響系數(shù)。對鋼纖維混凝土強(qiáng)度等級為CF20～CF40，lf＜35mm鋼纖維，αt為0.36；

ρf——鋼纖維體積率；

lf/df——鋼纖維長徑比，本工程選用長徑比為50。

則鋼纖維單位體積用量

Fo=0.0138×7800=107.64kg（取 108kg）

（五）確定單位體積用水量和水泥用量

根據(jù)要求的維勃稠度VB=13s，則單位體積用水量應(yīng)為187.2kg，現(xiàn)考慮碎石最大粒徑為20mm，應(yīng)減少用水量5kg，鋼纖維體積率增加0.38%，用水量增加6.08kg，合計單位體積用水量

根據(jù)已確定水灰比W/C=0.49，求得單位體積水泥用量

（六）確定砂率

按長徑比為50，砂率初步確定為50%，鋼纖維體積率現(xiàn)為1.38%，增加0.38%，砂率增加2.28%，水灰比為0.49，減少0.01，砂率減少2%，砂細(xì)度模數(shù)為2.50，減少0.50，砂率應(yīng)減少5%，合計砂率為：

（七）確定單位體積砂、石用量

按絕對體積法

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

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

α——鋼纖維混凝土含氣量百分率（%），在不使用引氣型外加劑時，石子的最大粒徑為20mm，α可取為2。

（八）計算混合材料用量，確定試配配合比，鋼纖維混凝土配合比如表1：

表1 鋼纖維混凝土配合比

五、施工方法

（一）鋼纖維混凝土拌和

鋼纖維混凝土采用自落式攪拌機(jī)拌和，為保證混凝土混合料的攪拌質(zhì)量，采用先干后濕的拌和工藝。

投料順序及攪拌時間為：粗骨料—鋼纖維（干拌1min）——細(xì)骨料（干拌1min）——全部料投入后加水(濕拌1.5～2.0min)。其中鋼纖維在拌和時分3次加入拌和機(jī)中，邊拌邊加入鋼纖維，使鋼纖維均勻分布在石子中，不致結(jié)團(tuán)，再倒入砂、水泥。

鋼纖維混凝土拌和時，每次的攪拌量不宜大于攪拌機(jī)額定攪拌量的80%。

總攪拌時間不應(yīng)超過6min，超攪拌會引起濕纖維結(jié)團(tuán)。一旦發(fā)現(xiàn)有纖維結(jié)團(tuán)，就必須剔除掉，以防止因此而影響混凝土的質(zhì)量。

在攪拌混凝土過程中必須保證鋼纖維均勻分布，為防止鋼纖維在攪拌時纖維結(jié)團(tuán)，應(yīng)將鋼纖維通過振動篩均勻加入粗骨料。

（二）鋼纖維混凝土的澆搗

澆筑和振搗是施工中的重要環(huán)節(jié)，直接影響鋼纖維混凝土的整體和致密性。鋼纖維混凝土澆筑時，要求隨拌隨用，連續(xù)澆筑。

鋼纖維混凝土澆搗與普通混凝土一樣，不同之處就是其流動性較差，在邊角處容易產(chǎn)生蜂窩。因此，邊角部分應(yīng)重點(diǎn)振搗密實(shí)。

采用插入振搗器，不能將振動器與結(jié)構(gòu)受力方向垂直插入混凝土混合料中，以避免鋼纖維沿振動器取向分布，降低纖維方向有效系數(shù)，影響鋼纖維的增強(qiáng)效果。一般要求斜向插入，并與平面的夾角不大于30°。

（三）鋼纖維混凝土的養(yǎng)護(hù)

表2 混凝土試塊強(qiáng)度統(tǒng)計、評定記錄

鋼纖維混凝土澆筑24h后，應(yīng)按常規(guī)及時養(yǎng)護(hù)，夏天應(yīng)用草袋之類覆蓋，寒天注意保溫。

鋼纖維混凝土養(yǎng)護(hù)要及時，養(yǎng)護(hù)期一般不小于28天。

鋼纖維養(yǎng)護(hù)完成后，要求混凝土表面平整、光滑、顏色正常、無裂縫。

六、鋼纖維混凝土質(zhì)量檢驗(yàn)

試件抗壓檢測。工程施工中共做抗壓試件15組，抗拉試件15組，依據(jù)《水利水電工程施工質(zhì)量檢驗(yàn)與評定規(guī)程》（SL176-1996）試塊評定如表2所示：

七、結(jié)論

通過對本工程應(yīng)用及工程運(yùn)行表明，鋼纖維混凝土可以滿足工程中的高拉應(yīng)力、復(fù)雜應(yīng)力、抗裂、阻裂、增強(qiáng)和增韌等普通混凝土難以達(dá)到的受力性能要求，具有良好的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的應(yīng)用前景。該施工方法在類似工程中具有推廣價值。