纤维混凝土在水利工程中的应用.pdf
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1、第2 9 卷 第 1 0 期 2 0 1 2年 1 0月 长 江科 学 院 院 报 J o u r n a l o f Y a n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c R e s e a r c h I n s t i t u t e Vo 1 29 No 1 0 Oc t 2 0 l 2 D OI : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 5 4 8 5 2 0 1 2 1 0 0 2 2 纤维混凝土在水利工程中的应用 张亚坤 , 侯黎黎 “ ( 黄河水利职业技术学院 a 水利系 ; b 流域水利河南 省高 校工 程技术研究 中心
2、, 河南 开封4 7 5 0 0 4 ) 摘要: 归纳了工程中常用纤维混凝土中纤维的种类及参考掺量 , 探讨了纤维混凝土优良的阻裂、 增强 、 增韧 、 抗裂 、 抗渗机理。针对纤维混凝土的优良特性及水利工程的特点, 介绍了纤维混凝土在水利工程中的水下构结 、 渠道衬 砌 、 抗冲刷部位、 板式混凝土结构、 施工工地路面等应用情况, 并指出了今后在纤维混凝土研究及应用领域应着重 开展 的工作 。 关键词 : 纤维混凝 土; 阻裂 ; 抗渗 ;水利 工程应用 中图分 类号 : T U 5 2 8 5 7 2 文献标志码 : B 文章编号 : 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 2 )
3、 1 0 0 1 1 4 0 4 自从 2 0世纪 8 0年代美国化工产业合成一种名 为 F I B E R ME S H的纤维丝并尝试将之与水泥混凝 土按照适当的比例混合运用以来 , 各 国学者纷纷进 行了大量的材料和结构性能试验研究 与工程应用探 索。这种以水泥 、 水 、 粗细骨料 、 外加剂为基体 , 以纤 维为增强材料而制成的具有复合材料性能的新型混 凝土称为纤维混凝土。截止今天, 纤维混凝土以其 增强 、 阻裂 、 抗渗 、 抗冲击、 增韧 、 耐磨 、 抗冻融、 抗震 等优越性能, 已经被较广泛地应用 于道 路桥梁 、 隧 道 、 水利 、 海岸 、 市政 、 建筑乃至核 电站等
4、工程领域。 水利工程中复杂的水流条件对水工建筑物的淘刷 、 冲击 、 磨损 、 渗透等作用十分显著 , 因此水工建筑物 埘混凝土的抗裂 、 抗 冲击 、 抗磨损 、 抗渗等提 出了更 高的要求 , 将具有优 良的增强、 阻裂 、 增韧 、 抗冲击 、 抗磨损 、 抗渗等性能 的纤维混凝土用在水工建筑物 的某些部位无疑能够起到相 当好的效果。 1 工程用纤维种类及性 能机理 1 1 纤维混凝土中纤维的种类 用不同类型的纤维作为增强材料可以制成不同 种类和性能的纤维混凝土 , 结合 已有的研究成果 , 分 别根据材质 和弹性模量将纤维混凝 土中的纤维归 类 如表 1 、 表 2所示 。 有机合成纤
5、维混凝土以其优良的性能克服了水 泥混凝土的部分缺陷 , 目前这类纤维 的研究 和应用 较多 , 因此是一种最具发展前途 的纤维。 表 1 按照材质对 纤维 的分 类 Ta bl e 1 Fme r c l a s s i fic a tion i n a c c or da nc e wi t h t he mat e r i a l 塑垦 金属纤维 钢纤维、 不锈钢纤维等 天然矿物纤维 : 如石棉 、 针状硅灰石等 无机纤维 人造矿物纤维 : 如抗碱玻璃纤维 、 抗碱矿棉 等 碳纤维等 合成纤维 : 如聚 丙烯纤维 、 聚酯纤 维、 尼龙纤维 、 有机纤维 、 鬈 筝 、聚 丙 烯 腈 纤
6、维 、 植物纤维 : 如剑麻 、 黄麻等 表 2按照弹性模 量对纤维的分类 Tabl e 2 Fi b e r c l a s s i fic a t i o n i n a c c o r da nc e wi th the mod ul u s of e l a s t i c i t y 分类依据 种类 高弹模 钢纤维 、 石 棉 、 玻 璃 纤 维 、 碳 纤 维 、 聚 乙烯 纤 维 、 ( Ef E ) K e v l a r 纤维等 低弹模 聚丙烯纤维 、 聚酰胺纤维 、 聚 乙烯纤维以及大多数 ( Ef E ) 植物纤维等 笔者在总结 国内外学者研究成果和实际工程应 用情况的基
7、础上, 归纳了合成纤维在不同工程中的掺 量, 实际工程应用时可作为参考( 建议掺量见表 3 ) 。 表 3合成纤维在不 同工程 中的掺量 Ta b l e 3 Amo u n t s o f s y n t h e t i c fib e r i n d i ffe r e n t en g i ne er i n g 收稿 日期 : 2 0 1 l O 81 7 ; 修回 日期 : 2 0 1 1 1 01 0 作者简介 : 张哑坤( 1 9 8 3一) , 男 , 河南宝丰人 , 助教 , 硕士, 主要从事新型复合材料及其结 构性能研 究, ( 电话 ) 1 8 2 3 7 8 3 2 7
8、 8 2 ( 电子信 箱) z h a n g y k y r c t i e d u o n。 第1 0期 张亚坤 等 纤维混凝土在水利工程中的应用 1 1 5 1 2纤维混凝土工作性能机理 在纤维混凝土 中, 纤维对混凝土基体 的作用概 括起来 主要有 3种 : 阻裂、 增强 、 增韧 。正是这 3 种作用使得纤维混凝土与普通混凝土相比各种物理 力学性能指标都得以改善 。 1 2 1 纤维对基体的阻裂作用 阻裂作用 , 指纤维对新拌混凝土早期性收缩裂 缝和硬化后的收缩裂缝的产生和扩展所起 的阻碍作 用。均匀分布的纤维在混凝土中起到支撑骨架的作 用 , 其作用效果是阻止 了粗 、 细骨料 的
9、沉降( 即粗骨 料首先下沉 , 然后是细集料的下沉 ) 。混凝土中水 、 料分开的现象称为“ 离析” , 离析后混凝土表面存在 较多的水泥净浆或含有较细骨料 的水泥砂浆 , 从而 导致混凝土的表面失水过快而发生较大的收缩, 导 致混凝土表面出现 比较多的裂缝。然而 , 纤维混凝 土中纤维的存在却可以减少混凝 土表面的析水, 有 效防止和抑制混凝土的离析倾 向, 因此可以减少混 凝土表面裂缝的产生。混凝土在其硬化形成强度的 过程中, 还会 因体积的收缩和干缩而产生内部应力, 这些应力一旦超过基体 的抗拉强度 , 便在混凝土 内 部引起微裂缝。而混凝土破坏常常是从这些微裂缝 开始的, 在外力作 用
10、下 , 微裂缝不断扩展 , 并互相贯 通搭接, 形成一个裂缝 网络而使混凝土破坏。但是 , 在纤维混凝土中纤维 以单位体积内较大的数量均匀 乱向分布于混凝土 内部 , 纤维 的加入犹如在混凝土 中掺入无数根微细筋 , 裂缝在发展过程中必然遇到 纤维的阻挡 , 消耗了能量 , 从而阻止裂缝扩展 , 起到 抗裂的作用。 相关研究结果表明 : 纤维 的掺人对混凝土抗裂 性能有明显改善 。改性纤维的掺入能够使纤维混凝 土的裂缝消除率达 9 0 以上 , 足见纤维 的掺人对混 凝土抗裂性能提高的效果之明显 。 1 2 2纤维对基体的增强作用 纤维对基体的增强作用 , 主要是对抗拉强度 的 提高 , 相应
11、 的弯拉强度、 抗剪强度等也随之提高 。当 高弹性模量纤维含量较高时, 纤维混凝土的抗压强 度也有明显提高。 均匀而任意分布的短纤维对混凝土抗拉强度的 增强机理 , 一直存在着 2种不同的观点: 复合材料机 理 “ 和纤维间距理论 J 。复合材料机理的出发 点是复合材料构成 的混合原理 , 将纤维增强混凝土 看作是纤维强化体系 , 应用混合原理推算 了纤维混 凝土的抗拉和抗弯强度 , 并提出了纤维混凝土强度 与纤维的掺人量 、 方 向、 长径 比及粘结 力之间 的关 系 ; 而纤维间距理论 , 又称纤维 阻裂机理是 1 9 6 3年 由 J P R o m u a l d i 和 B B a
12、t s o n提出的, 纤维间距理论 认为混凝土内部有尺度不同的微裂缝、 空隙等缺陷, 在施加外力时, 孔 、 缝部位产生大的应力集 中, 引起 裂缝的扩展 , 最终导致结构破坏。提高混凝土这类 脆性材料的抗拉强度 、 减少与缩小其裂缝的尺度和 数量 , 缓和裂缝尖端应力集 中程度 , 提高抑制裂缝延 伸与发展的能力是至关重要的。因此 , 在脆性材料 中掺人纤维后 , 在复合材料结构形成和受力破坏的 过程中 , 有效地提高了复合材料受力前后阻止裂缝 引发与扩展的能力 , 达到纤维对混凝土增强的目的。 1 2 3增 韧性 能 材料 的韧性通常指材料在各种受力状态下进入 塑性阶段保持一定抗力的变形
13、能力 。纤维混凝土的 最大特点就在于韧性 的显著改善。 纤维混凝土在受到冲击外力的作用下 , 一方面 纤维延缓 了混凝土基体裂缝的开展时问 , 从而抑制 了材料或结构构件 的脆性破坏 , 使得材料或构件破 坏前具有较好的变形能力 , 这种塑性变形有利于冲 击能量的耗散 ; 另一方面纤维混凝土内部大量乱向 分布的纤维本身能够吸收作用在基体上的一部分冲 击能量 , 同样起到增强材料或结构构件在外力作用 下保持塑性变形的能力 。 1 2 4 抗渗性能 研究表 明 : 昆凝土 中掺入一 定 比例 的纤维 , 可明显提高混凝土的抗渗性能 , 且掺入纤维 的比例 越高 , 抗渗性能改善越 明显。根据线弹性
14、 断裂力学 理论 , 即所谓 R o m u a l d i 理论 , 由于纤 维的存在使应 力裂缝趋于闭合 , 在混凝土中, 当纤维分布的平均间 距小于7 6 m m时 , 混凝土的抗拉或抗弯初裂强度就 能得以明显提高 。因此 , 掺纤维 的混凝 土基体在限 制收缩 的条件下 , 因失水干缩而引发裂缝时 , 由于纤 维存在阻裂作用 , 可显著减少初始裂缝的数量, 有效 抑制裂缝的宽度和长度 , 并 因此大大降低 了生成连 通裂缝 的可能性 。理论分析认为 , 由于裂缝 的细 化 , 混凝土 的漏水量 与细分后的裂缝根数成反 比。 因此 , 在一定范围内单位混凝 土体积 内均匀分布的 纤维根数
15、越多 , 混凝土凝结过程 中产生的裂缝就越 细化 , 裂缝宽度就越窄, 混凝土的抗渗性能也就越优 越。这就是纤维混凝土具有较高抗渗性能的主要原 因 2 纤维混凝土在水利工程 中的应用 水利工程 中水流情况极其复杂多变 , 水工建筑 物的某些部位持续遭受高速紊流作用 , 这些高速紊 1 1 6 长江科 学院院报 流的内部是 由无数个运动着 的大小不等 的漩 涡组 成。漩涡除了随水流的总趋势 向某一方 向运动外 , 还有旋转 、 震荡 , 水流的各质点亦随着漩涡运动、 旋 转 、 震荡。同时, 水流质点的强烈紊动就产生流速和 动水压强的脉动。这使得高速紊流对水工建筑物的 某些部位具有较强的冲击 、
16、 淘刷 、 磨损 、 抗渗等问题 , 尤其 当水流中掺有泥沙时 , 问题变得更为突出。为 提高这些部位的混凝土抗 冲蚀 、 抗磨损 、 抗 冲击能 力。在水利工程中适 当的部位使用纤维混凝土不失 为一种有效的方法。目前 , 纤维混凝土已经较为广 泛地被运用到水利 程并取得很好的效果。 2 1 水 下构 结 水电站主J 房水下结构 中的普通混凝土 , 常因 混凝土中存在较多的微裂纹以及普通混凝土的_开裂 而降低了其防渗能力 , 这样造成 了主厂房下层非常 潮湿 , 潮湿的环境使其 中机 电设备 的正常运行受到 不同程度的影响。为了提高混凝土的防渗性能 , 国 外 已经有许多诸如水池 、 化污池、
17、 地下室 、 仓库 、 水利 程 、 码头等工程 , 对抗裂防渗性能有较高要求的混 凝土建筑物中都采用 了纤维混凝土 , 从而抑制混凝 土的塑性龟裂, 提高抗渗性能。 2 2渠道衬砌 新 中国成立之后修建的渠道 , 大部分为无衬砌 土渠 , 在输水 的过程中水渗漏损失十分严重 , 为了减 少渠道渗漏损失 , 近年来 , 一些地区陆续兴建 l一些 防渗衬砌工程。其中衬砌结构采用的是复合土工膜 加现浇改性纤维混凝土 ( 改性聚丙烯纤维 的掺量为 1 k g m ) 板做防渗结构 , 并取得了较好的防渗效果。 施工后经检验纤维混凝土已经达到了设计的抗压强 度, 改善 丁抗 裂、 抗渗等性能指标 。而
18、且 , 纤维混凝 土的抗渗效果好 , 使得渠道的渗漏损失小, 使渠床处 于低含水状态 , 从而也减轻 和消除了严寒条件下基 土 的冻胀 。 2 3 抗冲刷 、 抗冲磨部位 水利水电工程 的溢流面、 泄洪洞 、 消力池 、 溢洪 道泄流槽 、 闸门门槽 以及排沙孔道等都具有高速水 流磨损和气蚀等问题。为提高这些部位 的混凝土抗 冲蚀 、 抗磨损能力 , 往往采用高强混凝土 、 硅粉混凝 土等来解决这些 问题 , 但是施工 困难而且造价 高。 然而 , 将纤维混凝土优 良的抗 冲耐磨 、 抗 冲击性能运 用于上述工程的相应部位是较好的选择 , 而 且还不 需要提高混凝土的强度等级。 2 4板式 混
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