纤维混凝土在水利水电工程的应用研究

李永欢

(辽宁省灯塔市水利灌溉服务中心，辽宁 辽阳 111300)

从1980s美国学者最先以合适的比例混合使用水泥混凝土与FIBER MESH纤维丝以来，各国学者积极开展了工程应用探索和结构及材料性能试验研究[1]。纤维混凝土是一种由粗细骨料、外加剂、水、水泥和纤维按适当比例混合而成的复合材料，凭借其独特的抗冻融、抗冲击、抗渗透、抗振动、增强增韧、阻裂耐磨等性能，在道路桥梁、市政、建筑、水利、海岸、隧道等多个工程领域得到广泛应用[2]。由于复杂的环境条件水工构筑物长期受到水流冲击、淘刷、渗透、磨损等作用，所以实际工程中对混凝土性能要求更高，特别是重要部位使用性能优异的纤维混凝土必将发挥较好的效果。

1 纤维性能机理

1.1 工程用纤维的种类

选择不同类型的纤维所制成的纤维混凝土性能和种类不同，借鉴现有研究资料将纤维混凝土中的纤维按弹性模量和材质可以划分成多种类型，如表1。

表1 工程用纤维分类

由于能够有效解决混凝土的部分缺陷问题，加之其力学性能优良，有机合成纤维混凝土逐渐成为当前研究与应用的主要材料，其使用价值和应用前景广泛。本文结合实际工程应用情况和国内外相关研究资料，收集整理了不同工程中合成纤维的掺量区间，旨在为工程实际应用提供一定参考，如表2。

表2 不同工程中合成纤维的推荐掺量

1.2 纤维混凝土性能机理

纤维具有增强增韧、阻裂抗渗等多种功能，有必要探讨纤维改善混凝土性能的作用机理，具体如下。

1.2.1 抗渗性能

实践表明，掺入适量的纤维能够有效改善混凝土的抗渗性。线弹性断裂力学认为，纤维有利于促使应力裂缝的闭合，控制纤维分布间距在7.6 mm以内时能够显著改善混凝土初期的抗拉弯强度。所以，在混凝土失水干缩出现裂缝的条件下，纤维的掺入既能减小裂缝的尺寸大小，又能明显减少初始裂缝以及贯通裂缝的数量。研究认为，渗水量与细化裂缝根数呈正比。因此，单位体积上纤维分布越密集则裂缝的细化度越高，这是纤维改善混凝土抗渗性的作用机理。

1.2.2 增韧性能

一般地，材料的韧性是指保持其足够抗力的性能，即抵抗材料塑性变形的作用，而韧性的提高是纤维最为显著的特征。

在外力冲击作用下纤维有利于延长裂缝出现时间，通过改善破坏前的变形能力达到抑制混凝土脆性破坏的作用，即较好的塑性变形可以消耗冲击所产生的能量。此外，对于作用在混凝土基体上的冲击能量大量乱向分布于混凝土内部的纤维本身就可以吸收，在外力作用下纤维能够提高混凝土的塑性变形性能。

1.2.3 增强作用

纤维的增强作用主要是提高混凝土基体的抗拉强度，对抗剪、弯拉强度等也有改善作用，掺入含量较高、弹性模量较高的纤维可以大大增强抗压强度。

目前，学术界逐渐形成“纤维间距”和“复合材料”两种不同观点。纤维间距又称为纤维阻裂机理，该理论提出多种空隙、裂缝等分布于混凝土内部，这些缺陷部位受外力作用出现应力集中的现象，从而导致裂缝不断扩展直至结构整体的破坏，对此增强抑制裂缝延伸与扩展的能力、缩小裂缝尺度、减少裂缝数量以及提高材料的抗拉强度是非常重要的。复合材料机理以材料性能混合为出发点，通过计算推导明确纤维掺量、粘结力、长径比、方向与抗拉强度之间的关系，并推算其抗弯与抗拉强度。因此，将纤维掺入脆性材料中形成复合材料，可以明显增强脆性材料的抗裂能力，从而实现纤维增强混凝土的目标。

1.2.4 阻裂作用

阻裂作用是指纤维抑制收缩裂缝的形成与扩展作用，均匀分布的纤维发挥着支撑骨架作用，可有效抑制了粗细骨料的沉降。混凝土离析时表面出现水泥砂浆或净浆，因失水过多使表面出现过大的收缩，并进一步发展形成较多的裂缝。将纤维掺入到混凝土中能够有效控制表面析水，对混凝土离析起到很好的抑制和防止作用，可有效控制裂缝的出现。混凝土硬化还会产生干缩或收缩应力，当抗拉强度不足以抵抗这些应力就会导致内部微裂缝的形成，而这些微裂缝往往是混凝土破坏的起点，受外力作用时微裂缝会进一步扩展生成贯通的网络，从而破坏结构整体性。内部乱向均匀分布的大量纤维，如同微细筋发挥阻裂作用，通过消耗部分能量达到阻裂抗裂的目的。

研究表明，纤维可以改善混凝土抗裂性，而改性纤维可以减少约90%的裂缝，可见纤维可显著提高混凝土的抗裂性。

2 水利水电工程中纤维混凝土的应用

由无数个大小不等运动着的漩涡组成的高速紊流持续作用于水工建筑物的某些部位，而漩涡有随水流震荡、旋转、运动的特点，该过程中各质点也发生运动，这种紊动导致水流质点形成动水压强以及流速脉动。因此，水工建筑物的某些部位受高速紊流和复杂多变的水流作用产生严重的渗透、磨损、淘刷、冲击等问题，尤其是水流中含泥沙时产生了更为严重的问题。因此，为了增强抗冲击和抗磨蚀性能，一般采用纤维混凝土浇筑重要部位。目前，水利工程中越来越多的应用纤维混凝土，并取得了显著的成效。

2.1 渠道衬砌

我国早期修建的渠道大多属于土渠，经长期运行输水渗漏问题比较突出，对此近期兴建了许多防渗衬砌工程，将改性纤维与土工膜相结合做成的混凝土衬砌发挥着良好的防渗作用。经检验，纤维混凝土的抗渗、抗裂和抗压强度等性能均达到设计标准，纤维能够有效减少渗漏损失，发挥较好的抗渗作用，保证渠床的较低含水运行，对消除或减轻严寒地区基土的冻胀问题也具有积极作用。

2.2 水下结构

由于混凝土的开裂以及内部微裂纹较多，采用普通混凝土浇筑的水电站主厂房水下结构抗渗能力较差，从而导致下层结构长期处于潮湿的环境中，在不同程度上影响到机电设备的正常运行。因此，对于码头、仓库、水池、地下室、水利工程等建筑物都使用了纤维混凝土，对改善结构的抗渗性能和抑制塑性龟裂等发挥着重要作用。

2.3 板式结构

对于船闸底板、护坦、消力池等与基岩直接接触的水工底板混凝土，受外力作用极易出现裂缝。纤维的掺入能够有效控制初凝过程中收缩裂缝的形成，加之其干缩量较低使得开裂问题得以彻底解决。相对于表层设置钢筋网采用纤维混凝土使用更简便、快捷，成本也耕地。例如，白溪水库大坝二期面板处于干湿交替区，为增强其变形能力以及控制裂缝的出现，经专家评审一致同意使用聚丙烯纤维混凝土技术。

2.4 施工道路路面

建设过程中水利工程通常装配超重型或者重型汽车，对施工路面有较高的抗冲击、抗裂、抗磨性能要求。因此，一般选用聚丙烯纤维混凝土铺路，从而满足各种施工运输要求。值得一提的是，该过程不得使用金属纤维混凝土，因为汽车轮胎易受磨损，并且这种路面的成本较高。在水利工程施工路面铺设时成功使用纤维混凝土的案例也较多，例如利用聚丙烯纤维混凝土铺筑的三峡大坝120栈桥垫层，不仅大大降低了投资成本而且保证了耐久性要求。

2.5 易冲磨、冲刷部位

泄洪洞、消力池、排沙孔道、闸门门槽和溢流槽等水工建筑物长期受到气蚀和水流磨蚀作用，为解决这些问题通常选用硅粉混凝土和高强混凝土，其成本高且施工难度大，对改善混凝土抗磨损、抗冲蚀性能不明显。因此，针对以上工程的相应部位利用抗冲击、抗冲耐磨性能优良的纤维混凝土成为最佳选择，并且无需提高其强度等级。

3 结语

纤维混凝土因其增韧增韧、抗渗阻裂、耐磨抗冲等优良性能越来越引起研究者的重点关注，并成功应用于实际工程领域。然而，在研究和应用过程中纤维混凝土还存在一些不足之处，如纤维混凝土施工程序繁琐、缺少国家技术规程以及相关研究不够深入。因此，尚需加强纤维混凝土的实用技术研究，对于海岸、水利、隧洞等尽快颁布切实可行的技术规范，逐步优化施工流程，从而充分发挥新型复合材料的优良性能，为推动水利事业发展和国家建设提供更好的服务。