□ 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)量短而細的鋼纖維所組成的一種性能優(yōu)良的新型高強復合材料。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)強度要求。因此在結(jié)構(gòu)設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弧門卷揚機通過滑輪組（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度、抗拉韌性等。基體開裂后，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，材料的力學性能就完全取決于纖維與基體界面的結(jié)合強度，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，試驗抗拉強度≥ 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）鋼纖維強度等級

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

（二）確定鋼纖維混凝土的配制強度

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

式中：ffcu——鋼纖維混凝土配制抗壓強度（Mpa）；

ffcu——鋼纖維混凝土配制抗壓強度立方體抗壓強度標準值（Mpa）；

Z——保證率系數(shù)；

σ1——立方體抗壓強度標準差（Mpa）。

（三）確定水灰比

由于鋼纖維混凝土的抗壓強度主要取決于水泥石的強度及其與骨料間的粘結(jié)力，水泥的強度及其骨料間的粘結(jié)力又主要取決于水泥強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度影響不大（僅可提高抗壓強度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度與水泥強度等級、水灰比的關(guān)系式求得：

式中：fce——水泥實測28d的抗壓強度（Mpa）；

C/W——鋼纖維混凝土所需的灰水比；

αa、αb——經(jīng)驗系數(shù)。當粗骨料為碎石時，αa=0.46，αb=0.07。

（四）確定鋼纖維體積率和單位體積用量

對有抗壓強度和抗拉強度要求的按下式確定：

式中：fft——鋼纖維混凝土的抗拉強度（Mpa）；

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

αt——鋼纖維對抗拉強度的影響系數(shù)。對鋼纖維混凝土強度等級為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為187.2kg，現(xiàn)考慮碎石最大粒徑為20mm，應減少用水量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%，砂細度模數(shù)為2.50，減少0.50，砂率應減少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，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額定攪拌量的80%。

總攪拌時間不應超過6min，超攪拌會引起濕纖維結(jié)團。一旦發(fā)現(xiàn)有纖維結(jié)團，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，應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，邊角部分應重點振搗密實。

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

表2 混凝土試塊強度統(tǒng)計、評定記錄

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

鋼纖維混凝土養(yǎng)護要及時，養(yǎng)護期一般不小于28天。

鋼纖維養(yǎng)護完成后，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

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

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