钢纤维混凝土在溢洪道挑坎工程中的应用

王桂青

（唐山市陡河水库管理处，河北唐山 063021）

1 概述

陡河水库溢洪道为正槽式结构，设计泄洪流量1 190 m3/s，堰型为开敞式实用堰，采用挑流消能方式，消能防冲设施建于1989年8月。溢洪道挑坎在泄洪时承受高速脉动力水流的冲击，不时有强烈的空蚀现象发生，冬季还要经过反复的冻融循环，该部位对混凝土的要求较高。钢纤维混凝土具有较高的抗拉、抗弯、抗剪和抗疲劳能力，陡河水库溢洪道挑坎工程施工中使用了钢纤维混凝土。实践证明，钢纤维混凝土的应用满足了溢洪道挑坎的结构和力学要求，延长了挑坎的使用寿命。

2 力学原理

钢纤维混凝土中水泥基体结构与钢纤维结构是不相同的，使钢纤维与基体之间产生界面层，钢纤维混凝土的性能主要由混凝土、钢纤维以及它们之间的界面特性所决定。挑坎部位在高速水流的冲击下，使混凝土受到拉力，通过纤维—基体界面把一部分荷载传递给钢纤维，使纤维和混凝土基体共同承担荷载，减缓受力处混凝土的应力集中程度。加入适当体积的钢纤维，可使应力集中现象消失。钢纤维在混凝土中均匀散乱地分布着，对混凝土每个方向都起到增强与增韧作用。钢纤维的加入对混凝土的性能有如下改善：①减少混凝土中裂缝的产生，减少面层厚度，降低混凝土的用量；②加长伸缩缝间距，提高构件的使用性能；③钢纤维在混凝土中起到箍筋约束混凝土的作用，不仅能提高混凝土结构的抗剪能力，还能减少箍筋用量，解决结构复杂区域因钢筋密集使混凝土难于浇注的问题。

3 混凝土配合比确定及材料选用

3.1 混凝土配合比确定

钢纤维混凝土中钢纤维体积率选用1.0%，水泥采用普通硅酸盐水泥。在施工前做了混凝土配合比试验，试验结果见表1。根据表1的试验结果，采用第三种配合比，1m3混凝土中各种材料用量分别为：水泥295 kg，水180 kg，砂674 kg，钢纤维79 kg，碎石1 251 kg，水泥、水、砂、钢纤维、碎石的比值1∶0.61∶2.28∶0.27∶4.24，水灰比0.61，28 d龄期混凝土抗压强度210 kg/cm2。采用素混凝土施工的边墙护坡段，1 m3混凝土中各种材料用量分别为：水泥400 kg，水200 kg，砂612 kg，碎石1 188 kg，28 d龄期混凝土抗压强度207 kg/cm2。经试验，钢纤维混凝土的抗冻性、抗渗性、抗碳化性能均高于边墙护坡段的素混凝土。两者相比，挑坎段混凝土中加入钢纤维，在减少水泥用量26.3%的情况下，同样可以达到设计抗压强度。

表1 混凝土配合比试验结果

3.2 材料质量要求

为了保证溢洪道挑坎段能够达到设计强度要求，除了严格按材料试验配合比进行拌和外，还要严格控制材料质量。对钢纤维的质量进行检验，要求钢纤维表面质量合格，不得含有杂质，长度、直径和形状达到规范要求，并对其进行抗压和抗弯试验，能够达到规范规定的强度等级。采购的水泥要经过初凝时间、终凝时间、坍落度、抗压强度、抗折强度试验，符合规范要求才能用于施工。细集料选用中砂，细度模数为2.5，经筛分试验符合级配要求，对1∶2.5的胶砂经过3、7、28 d的抗折、抗压强度试验均高于规范要求。《钢纤维混凝土国家标准》要求碎石最大粒径不得大于20 mm，我们选用3种连续级配的碎石，1 m3混凝土中、2′～4′、4′～6′碎石含量分别为625.5、250.2、375.3 kg，更有利于提高水泥的利用效率。严格控制碎石和砂子二者杂质含量在规范允许范围内。

4 施工工艺

4.1 混凝土拌和

钢纤维的均匀性和混凝土的密实性决定了构件的强度。混凝土采用自落式拌和机拌和，为了使钢纤维在混凝土内分布均匀，每次拌和要将钢纤维分3 次投放到拌和机内，采用先干后湿的方法拌制。为了防止钢纤维搅拌结团及搅断，搅拌楼一次投料量不宜超过其拌和量的80%，总的拌和时间比素混凝土延长20～30 s。

4.2 混凝土摊铺

为了防止摊铺时的冲力造成混凝土骨料分离，混凝土的运输和摊铺都是由人工完成的。由于有钢纤维顶托，钢纤维混凝土的摊铺高度比相同坍落度下素混凝土高10 mm左右。为了使钢纤维在混凝土中分布连续均匀，在一块面板内的浇筑和摊铺应连续进行，摊铺过程不能再向混凝土中加水。混凝土采用模外振捣器振捣，捣实后还要进一步将表面整平，以使砂浆厚度均匀，避免钢纤维外露。混凝土初凝后使用土工布覆盖养生7 d，再洒水养生14 d，以减少混凝土表面裂纹的产生。

5 运用效果

1990年冬陡河电厂跨越溢洪道泄槽的输灰管道崩裂，管内水、灰流入挑坎及防冲齿墙内，加上冬季降雪较多，钢纤维混凝土底板低洼部位积水深0.2 m左右，经过冬春的冻融，钢纤维混凝土挑坎完好无损，没有发现被冻坏的部位。实践证明，钢纤维混凝土抵抗冻融破坏的能力高于普通混凝土。陡河水库溢洪道挑坎已经过20多年的使用，至今挑坎部位还没有出现破坏现象，证明其各项性能达到设计要求。

6 结语

钢纤维混凝土在陡河水库挑坎中的应用，使构件使用寿命得到延长、维修工作量减少，在节约混凝土和钢筋用量的情况下，达到了挑坎的结构和力学要求。但是，由于钢纤维的生产成本较高及提高了混凝土造价，因此钢纤维混凝土仅用在对混凝土有特殊要求的挑坎部位。钢纤维混凝土在水利工程中的普遍应用，还有待进一步降低其成本。