纤维混凝土在水闸中的应用研究

单 辉

(河南省信阳市南湾水库管理局，河南 信阳 464031)

1 引 言

水闸是一种控制洪水、提供潮汐防护、引水和蓄水的水工建筑物。它的运行管理是保障广大人民群众生命财产安全的根本[1-2]。自政府加强对河道排水渠、易发洪水的滞洪区和抽水站的治理以来，全国各地的水闸数量不断增加。一般的水闸闸门大多由金属(包括铸铁、黑铁和不锈钢)制成，由于全球金属价格持续上涨，推高了废金属价格，水闸闸门经常被盗并作为废金属出售，这种盗窃在人口稀少的地区更为常见。另外，笨重的钢闸门偶发的水闸故障会影响到防洪工作，从而危及公共安全和财产安全，因此开发非钢闸门是另一种重要途径。混凝土闸门自重较低，被盗的可能性较小，并且可以方便排水，很快便得到推广应用。水质及水量的不同，使得混凝土闸门有所差别，当水质较差时一般采用树脂混凝土闸门，其耐腐蚀性更强。当水流量较大时一般采用纤维混凝土(Fiber-Reinforced Concrete，FRC)闸门，其强度更大，并且其耐腐蚀性也强于一般混凝土闸门。本文的研究对象为对闸门强度要求较高的纤维混凝土闸门。混凝土具有强度高、密度大、耐久性好、弹性模量大、渗透性低、造价低等特点，其重量也远小于钢。FRC是一种含有均匀分布纤维的复合混凝土材料，其高抗拉强度有助于防止材料内部破裂，并使其能够承受裂缝的扩展。因此，FRC比普通混凝土更坚固，更能抵抗裂缝、冲击和磨损[3-6]。本文对纤维混凝土水闸门的力学性能、耐久性和成本进行了评估，研究成果可应用于类似水利工程。

2 纤维混凝土闸门的设计与施工

图1 水闸图解

本文以信阳市南湾水库水闸为研究对象，该水闸结构主要由以下几部分组成：ⓐ闸门，包括主体结构、框架和固定底座的活动装置，通常由钢制成；ⓑ涵洞，嵌入地下并穿过防洪道路和堤防，它将河岸内的排水渠和河岸外的排水结构连接起来，在入口处有一个孔，在出口处有一个孔；ⓒ起重装置或绞车，采用手动、电动或液压驱动机械打开和关闭闸门；ⓓ井架，由金属制成，连接闸门和卷扬机，并以螺纹或梯形形状制造。图1是水闸的图解，闸门可以自动或手动操作。自动闸门通常安装在堤坝和堤岸上，以防止潮汐和洪水，利用堤岸内外水位差产生的压力释放自重压力，防止潮水入侵。手动闸门要求操作人员使用卷扬机驱动井架，从而垂直打开和关闭闸门，通常安装在沟渠或河流上，用于区域农田灌溉。在本研究中，所提出的FRC闸是自动操作的。

2.1 FRC闸门设计

FRC闸门是根据日本电力土木工程协会(Japan Electric Power Civil Engineering Association)制定的水闸和铁管技术标准设计的。在南湾水库河堤分别设置两道FRC泄水闸，为水闸A和水闸B，其长、宽、厚分别为1700mm、1700mm、80mm和1050mm、1050mm、60mm。两个闸门都包含双层镀锌钢丝网(钢丝直径2.6mm，网间距26mm，极限抗拉强度2600MPa)和15mm厚的透明盖，在这里镀锌钢丝网主要起加筋作用，在钢丝网水泥构件(即水闸)变形过程中，钢丝网与水泥砂浆相互作用，从而增强水泥构件的强度。此外，在吊耳中心250mm长和宽的范围内焊接3mm厚的钢板，以增加吊耳中的钢筋数量，并将其固定得更紧密。

水闸的设计荷载包括静水压力、地震动水压力、地震惯性力、泥浆压力、浮力、浮木和其他漂流物的冲击力以及泥石流时的流动和静压。在双向板理论的基础上，估算了闸门的最大主应力、最大应变和剪应力，并确定了结构所需的钢筋数量。表1为水闸的应变-应力分析结果。

表1 FRC闸门应力应变分析结果

2.2 FRC闸门施工

2.2.1 材料组成及规格

闸门材料包括：水；普通硅酸盐Ⅰ型水泥；细集料(取自河道中的天然砂，比重2.621，吸水率1.33%，细度模数2.98，含泥量6.44%)；压缩硅粉(含硅量92.15%，烧失量1.75%，通过325目筛91.93%)；水淬渣粉(CHC资源公司生产，比重2.89)；F级粉煤灰；碳纤维(比重1.8)；G型高效减水剂(HICON MTP-A40，比重1.1)。水/水泥材料比(体积比)设定为0.26，每单位体积混凝土中粗骨料的百分比为35%(磨耗损失小于40%)。新拌混凝土坍落度为(20±2)cm，无泌水和集料离析现象。表2为纤维混凝土的组成。

表2 FRC闸门材料组成 单位:kg/m3

选择使用碳纤维的主要原因是其具有高质量和高强度的特点，因此常被用于结构加固。碳纤维具有很高的拉伸强度和弹性模量，它们不易受到恶劣环境和高温的影响，碳纤维主要分为两种：高强度纤维(HS)和高弹性模量纤维(HM)，本研究中使用的是高强度纤维。

2.2.2 纤维混凝土闸门的施工与养护

FRC闸门的建造涉及木模的制造、镀锌钢丝网的布置、钢板的焊接和混凝土的混合，以及在水闸闸门周围安装固定螺栓以安装橡胶水封。一旦这些步骤完成，混凝土浇筑就开始了。在混凝土浇筑过程中，用振动器将混凝土捣实，随后用抹子将混凝土抹平。制备后的混凝土在一天脱模，并进行28天的湿养护。在堤防出口框架处安装混凝土闸门之前，在闸门周围准备固定螺栓，以便安装橡胶水封，使闸门防水。在本研究中，采用了P型无孔闸门水封，如图2～图4所示。图5显示，两个新建造的FRC闸门表面相当光滑，几乎没有可见气泡或气孔。

图2 吊耳相对于钢丝网的位置

图3 混凝土浇筑

3 纤维混凝土性能测试

根据ASTM C143对FRC的坍落度流动进行了测试。根据ASTM C138测试空气含量和单位重量。混合的结果表明，FRC在分离和渗出的情况下没有发生流动。坍落度流量试验结果为67cm，坍落度试验结果为24cm，新拌混凝土含气量为2.0%，容重为2373kg/m3。FRC的抗压强度(ASTM C39)、弯曲强度(ASTM C78)、

图4 FRC闸门安装水封

图5 拆除的FRC闸门表面

劈裂抗拉强度(ASTM C496)、弹性模量(ASTM C469)和热膨胀系数(AASHTO T336)分别为99.3MPa、18.2MPa、7.6MPa、40.0MPa和2.16×10-5/℃。力学性能试验结果见表3。

表3 纤维混凝土力学性能试验结果

FRC长度变化率(ASTM C157)，在7天时为0.006，14天时为0.005，21天时为0.004，28天时为0.005。这表明混凝土的尺寸在21天后开始稳定，28天内混凝土的总长度变化为0.062mm，在日本坝堰设备工程协会发布的检验指南中规定的允许闸门尺寸误差(4.5mm)范围内。

经过90天的盐渍试验(ASTM C1543)，耐久性试验的结果可以用菲克第二定律计算出来(见图6)。此结果表明，混凝土的氯离子扩散系数为2.25×10-12m2/s。根据菲克第二扩散定律，结构中的大气氯离子浓度低于0.05%时，该结构中混凝土的氯离子扩散系数低于3×10-12m2/s，氯离子通过混凝土孔隙到达钢筋表面约需50年。在交替暴露于硫酸钠干浸渍和湿浸渍5次后，混凝土的重量损失了1%，抗压强度损失了0.9%。因此，本研究所使用的混凝土符合典型结构的使用寿命要求，在坚固性试验前后具有较低的重量和抗压强度损失，因此表现出较高的抗硫酸盐侵蚀能力[7]。

图6 纤维混凝土积水试验结果

采用《建筑板冲击试验方法》(CNS 9961)对混凝土板的抗冲击能力进行了试验研究。在这种方法中，一个13.5kg重的钢球从200cm的距离落在混凝土试件的中心。试样底部由四个侧面支撑(见图7)。重复冲击试验，直到形成任何可见裂缝或试样发生变形；在此点之前的冲击总数用作混凝土抗冲击能力的测量。冲击试验采用纯混凝土试件和纤维混凝土试件。两者的尺寸均为500mm×500mm×60mm，并包含双层镀锌钢丝网。8次冲击后，钢筋混凝土试件和28次冲击后的纤维混凝土试件上形成小裂纹(见图8)。因此，含有双层镀锌钢丝网的纤维混凝土闸门在受到漂流木或其他漂流物冲击时，其表面不易发生脆性断裂[8]。

图7 建筑板冲击试验装置

图8 冲击试验后混凝土试件产生裂缝

与不锈钢和铸铁闸门相比，FRC闸门性能相当，但比重和残值较低。值得注意的是，FRC闸门具有较高的耐酸、碱和盐性能，维护和制造成本较低，使用寿命较长，被盗的可能性较小。此外，其低比重不会导致自重减少。这是因为FRC闸门的保护盖足够厚，比同等尺寸的不锈钢和铸铁闸门更重。

4 结 语

本文以FRC和双层钢丝网组成的闸门为研究对象，对其抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量进行测试，结果表明，含有双层镀锌钢丝网的纤维混凝土闸门在受到漂流木或其他漂流物冲击时，其表面不易发生脆性断裂，对其进行耐久性测试，得出混凝土的氯离子扩散系数低于3×10-12m2/s，纤维混凝土闸门表现出较高的抗硫酸盐侵蚀能力。此外，纤维混凝土闸门的性能存在多样性，在不同应用场合可选择不同的纤维增强混凝土，如在碱性环境时可选择耐碱玻璃纤维增强混凝土，须降低其质量时可选用芳纶纤维增强混凝土，须增加其强度时，可选用高强度碳纤维增强混凝土。因此，可以在水利工程中广泛推广使用纤维混凝土闸门。