纤维素纤维在水工抗冲磨高性能混凝土中的应用.pdf

水利水电技术第4 2卷2 0 1 1年第1 0期 纤维素纤维在水工抗冲磨高性能 混凝 土 中的应用 李 光 伟 ( 中国水 电顾 问集 团成都勘测设计研究院 ，四川 成都 6 1 0 0 7 1 ) 摘 要 ：结合水 电工程的实际，开展 了纤维素纤维在水工抗冲磨 高性能混凝土中应用的试验研 究。试 验研 究结果表 明：在水工抗 中 磨 高性能混凝土中掺入部分纤维素纤维，-q - 有效地增加混凝土的体积 稳定性 ，改善混凝土抵抗温度裂缝的能力，提 高水工抗冲磨 高性能混凝土的抗冲磨能力。 关键词 ：纤维素纤维；抗冲磨 ；高性能混凝土；体积稳定性 ；抗裂能力 中图分类 号 ：T V 4 3 1 3 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 1 ) 1 0 0 1 2 4 0 4 Appl i c a t i on o f c e l l ul o s e fibr e t o hi g h pe r f o r ma nc e hy d r a ul i c a b r a s i o n- r e s i s t a n c e c o nc r e t e L I Gu a n g we i ( H y d r o c h i n a C h e n g d u E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ，C h e n g d u 6 1 0 0 7 1 ， S i c h u a n ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：B a s e d o n t h e h y d r o p o w e r e n g i n e e r i n g p r a c t i c e，a n e x p e r i me n t a l s t u d y i s ma d e o n t h e a p p l i c a t i o n o f c e l l u l o s e f i b r e t o h i g h p e r f o r man c e hy d r a u l i c a b r a s i o n r e s i s t a n c e c o nc r e t e Th e s t u d y r e s u l t s h o ws t ha t i f mi xi n g a p a r t o f c e l l u l o s e fib r e t o t h e h i g h pe rfo r ma n c e hy d r a u l i c a br a s i o n r es i s t a n c e c o n c r e t e，n ot o n l y t h e v o l u me s t a b i l i t y o f c o n c r e t e c a n be e f f e c t i v e l y i n c r e a s e d，b u t b o t h t h e t e mp e r a t u r e c r a c k i n g r e s i s t a n c e a n d t h e a n t i e r o s i o n p e rf o r ma n c e o f t h e c o n c r e t e c a n a l s o b e e n h a n c e d Ke y wor ds： c e l l ul o s e fib e r ；a nt i e r o s i o n；hi g h pe rfo r ma n c e c o n c r e t e；v o l ume s t a b i l i t y；c r a c k i n g r e s i s t a n c e 1 引言 高速含沙水流对水工混凝土建筑物过流面的冲刷 磨损 、空蚀作用会导致表层混凝土大面积剥蚀 ，严重 的则会引发灾难性 事故 J 。因此 高速挟沙 、石水流 对水工泄水建筑物的冲磨破坏是水 电工程运行 中主要 的病害之一。随着西部大开发和西电东送发展战略的 实施 ，我国要兴建一批 以溪洛渡水电站和锦屏一级水 电站为代表的大型高水头水电站 ，其泄流最大流速可 达 5 0 m s ，因而对水工泄水建 筑物混凝土抗冲磨材 料的综合性能提出较高的要求 ，它既要求混凝土具有 优 良的抗冲耐磨能力 ，同时又要求混凝土具有较高的 抗裂能力 。 自2 1 世纪 8 0年代 以来 ，硅粉混凝 土以其优越 的抗 冲磨和抗 空蚀 能力而在水 电工程 中得 以大量应 用。但采用硅粉配制 的水工抗 冲磨高性能混凝土普 遍存在着塑性 收缩 变形和干缩变形较大 、发热量较 1 2 4 高 的不足 ，在工程 中常常 出现 易开裂 的现 象 ，从 而影响其抗冲耐磨能力 的发挥 。如何提高水 工抗冲 磨高性能混凝土 的抗裂能力 ，减少 因为开 裂而引起 高性能混凝土抗 冲磨特性差是 目前水 电工程 中亟需 解决 的问题 。 大量的室内试验 以及工程实践证明：在硅粉混凝 土 中掺入一部分的纤维 ，既可减少或防止在混凝土浇 筑后早期硬化阶段 ，因泌水和水分散失而引起塑性收 缩和微裂缝 ，也可以减少和防止混凝土硬化后期产生 干缩裂缝及温度变化引起 的微裂缝 ，使得复掺纤维成 为国内水电工程提高抗冲磨高性能混凝土抗裂性能 的 一 项重要措施 。目前关于合成纤维 、金属纤维和无机 非金属纤维对水工抗 冲磨高性能混凝土性能影响的研 究较多 J ，但关于纤维素纤维在水工抗 冲磨高性能 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 1 2 2 4 作者简介 ：李光伟 ( 1 9 6 2 一 ) ，男，湖北 武汉人 ，教授 级高级工程 师。 Wa t e r Re s o u r c e s a n d Hy d r o p o we r En g i n e e ri n g V o 1 4 2 No 1 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 昆 凝土中的应用还鲜见报道 。本文结合水 电站 的实 际，对纤维素纤维在水工抗冲磨高性能混凝土中的应 用进行试验研究。 2 混凝土原材料基本性能 试验采 用 中热 4 2 5级水 泥 ，水 泥 的 比表 面积 为 3 6 4 m k g ，2 8 d的抗 压强度 为 5 2 6 MP a 。硅粉 的 S i O 含量为 9 6 0 ，活性指数为 1 2 5 。采用石 英砂岩 人工骨 料 ，骨料 的表 观密 度为 2 7 0 g e m。 ， 人工砂 的细度 模数 为 2 8 9 。采 用上 海罗 洋新 材 料 科技有 限公 司提供 的 由美 国 B u c k e y e公 司研 发 的 U F 5 0 0纤维 素纤 维 ，其基 体 取 自一 种 经基 因改 良 的特殊 硬木 树 种 ，通 过 专业 的生物 技 术 、提 纯 工 艺制成 。纤维 产品外观照片见 图 l ，纤维 的基本 性 能见表 1 。 圈 一 ( a ) U F 5 0 0 纤维索纤维 ( b ) 聚丙烯纤维 图 1 纤 维产 品外观照片 表 1 纤维的基本性 能 密度 抗拉强度 弹性模量 断裂延伸率 纤维品种 g c m 一 MP a GPa 纤维素纤维 1 1 0 9 9 4 8 5 1 O 聚丙烯纤维 0 9 1 5 0 0 3 9 1 5 3 纤维素纤维对混凝土性能影响的试验成果 3 1 纤维素纤维对混凝土抗冲磨特性的影响 通常将水流中的介质分为悬移质和推移质 ，一般 情况 ，悬移质泥沙在水流中呈悬浮状运移 ，大粒径的 推移质沙石则沿建筑物表面呈滑动或滚动 、或跳跃状 态运移 ，对建筑物的破坏力 最大。本次试 验分别 采 用水工混凝土试 验规程 ( D L T 5 1 0 0 -2 0 0 1 ) H 中规 定 的圆环法和水下钢球 法 ，测定 在模 拟悬移质 和推 移质条件下掺纤维素纤维混凝土的抗冲磨特性。掺 纤维素纤维混凝土抗冲磨特性试验结果见表 2 ，其 中硅粉掺量为 8 ，纤 维素纤维 和聚丙烯 纤维 的掺 量均为 0 9 k g m 。 圆环法所采用 的磨损介质 为石英砂 ( 粒径 为 0 5 1 0 mm) ，模拟水流流速为 1 4 3 m s ，通过挟沙水 水利水电技术第4 2卷2 O 1 1年第 1 0期 李光伟纤维素纤维在水工抗冲磨高性能混凝土中的应用 流对混凝土内环侧面的冲刷 ，从而评价混凝土的抗冲 磨特性。试验结果表明：掺纤维素纤维可以提高混凝 土抗冲磨强度 1 8 5 ，与掺聚丙烯纤维相 比，混凝 土的抗冲磨强度提高了 1 3 7 。 表 2 纤维素纤维对混凝土抗冲磨特-陛的影响 抗 冲磨强度h ( k g m ) 。 纤维品种 圆环法 水下钢球法 1 8 9 7 4 0 纤维素纤维 2 2 4 9 6 1 聚丙烯纤维 1 9 7 7 4 9 水下钢球法是模拟高速挟沙水 流对混凝土过流 面的冲磨 破坏 ，其磨 损介质 为 7 0个不 同粒径 的钢 球 ，通过在水 流速度 为 1 8 m s ，钢 球最大 跳跃 高 度为 8 0 mm的条件下对混凝土表面的抗冲磨 特性进 行评定 。试验结果表 明 ：掺纤维 素纤维可 以提高混 凝土抗 冲磨强度 2 9 9 ，与掺聚丙烯纤维相 比，混 凝土的抗 冲磨强度提高 了 2 8 3 。 对掺纤维素纤维混凝土抗冲磨特性进行的试验研 究结果可以看 出：无论是模拟悬移质冲磨还是推移质 冲磨 ，掺纤维素纤维均 可以提高混凝土 的抗 冲磨 能 力 ，在硅粉掺量为 8 的条件下 ，掺纤维素纤维混凝 土的抗冲磨能力均优于掺聚丙烯纤维混凝土的抗冲磨 能力 。 3 2 纤维素纤维对混凝土体积稳定性的影响 混凝土一旦 出现裂缝 ，就会破坏结构 的完整性 ， 降低混凝土的抗冲磨能力。因此混凝土的体积稳定性 是设计者十分关注的指标之一 ，一般采用混凝土的干 缩变形以及 自生体积变形等指标来评价混凝土的体积 稳定性 。 处于未饱和空气 中的混凝土由于水分散失引起 的 体积收缩称 为干缩 。在 混凝 土 中掺入 0 9 k g m 的 纤维素纤维和聚丙烯纤 维 ，混凝土 的干缩 变形 见图 2 。混凝土干缩变形 的试件放在温度为 2 0 2 c I = ， 相对湿度为 6 0 5 的室 内养 护 ，试件 的尺寸为 1 0 c m X l O c m X 5 l c m。由试验结果可以看 出：与掺 聚丙烯纤维相比，在混凝土中掺入纤维素纤维后 ， 早期 的干缩变形差异不 大 ，后期 的干缩要小于掺聚 丙烯纤维混凝土，其 9 0 d 的混凝土干缩变形可以减 少 1 0 左右。 混凝 土在恒温绝 湿条件下 ，由胶凝材 料的水化 作用 引起的体积变形 称为 自生体积变形 。掺纤维素 纤维对混凝土 自生体 积变形 的影响见 图 3 。由试验 结果可 以看 出：与掺聚丙烯纤维相 比，在混凝土中 1 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李光伟纤维素纤维在水工抗) 中 磨高性能混凝土中的应用 一2 00 婚 4 0 0 5 O 龄期 d 图 2掺纤维素纤维混凝土干缩变形 2 蝰 血 龄期 d 图 3掺纤维素纤维混凝土 自生体积变形 掺入纤维素纤维后 ，混凝土的 自生体积的收缩变 形要小，其 1 2 0 d混凝土的自生体积收缩变形将减小 2 0 。 3 3 纤维素纤维对混凝土热学性能的影响 混凝土的温度应力来源于混凝土受约束时热变化 而导致的体积变化 。水泥的水化热在冬季施工时，有 利于水泥的正常凝结硬化 ，但 如混 凝土结构尺 寸过 大 ，使得热量不易散发 ，混凝土温度升高 ，与其表面 的温差过大 ，就会产生较大的温度应力而导致裂缝 。 在大多数混凝土坝体内，温度应力等于或甚至高于水 荷载作用的工作应力 ，其足以使大体积混凝土产生贯 通性裂缝 j 。温度应力不 仅与混凝土 的线膨胀 系数 有关 ，而且和混凝土材料的物理力学性能以及热学性 能也有关。 掺纤维素纤维对水泥水化 热影响 的试验结 果见 图 4 。其 中纤维 素 纤 维 的掺 量 分 别 为水 泥用 量 的 0 5 和 1 0 。从水泥水化热的试验结果看 ，在水 泥中掺入一定量 的纤维素纤维后 ，可以降低水 泥 的 早期水化热。其 中 1 d的水化热可 以降低 1 7 7 3 1 9 ，3 d水化热可 以降低 7 1 1 5 4 。掺纤 1 2 6 维素纤维对混凝土绝热温升的影响见图 5 。由试验结 果可 以看 出 ： b D 互 霰 ： 篙 图 4掺纤维素纤维对水泥水化热 的影 响 图 5掺纤维素纤维对混凝土绝热温升 的影 响 在混凝土中掺入 0 9 k g m 纤维素纤维后 ，可以 降低混凝土的绝热温 升值 ，其 中 2 8 d的绝 热温升值 可降低 1 5。 4 纤维素纤维对混凝土性能影响的机理分析 U F 5 0 0是新一代高性能纤维素纤维 ，其结构不 同 于早期天然木质纤维。纤维素纤维直径小且具有不规 则的纤维表面，纤维的比表面积 ( 2 5 0 0 0 e m g ) 大大 高于聚丙烯等有机合成纤维( 普通 聚丙烯纤维的比表 面积为 9 0 01 5 0 0 c m g ) ，因此纤维与水泥浆基体 的结合力更强。U F 5 0 0纤维素纤维本身具备极好的亲 水性 ，在新拌混凝土 中能够吸附一部分 自由水 ，而且 纤维基体 内部有天然空腔 ，能够储存一定 量 的 自由 水 ，在水泥水化 的过程 中，这两部分水 分会缓慢 释 放 ，促进水泥继续水化 ，补偿混凝土的收缩 j ，从而 可以提高混凝土的体积稳定性。同时纤维素纤维独有 的空腔结构设计，使其在新拌混凝土 中起到了“ 内养 护” 的保水作用，控制水泥的水化速度，降低水泥的早 水利水 电技术第4 2卷2 0 1 1年第 l 0期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 期水化热，从而提高混凝土抵抗温度裂缝的能力 。 当纤维混凝土受到冲磨破坏 ，混凝土的基体产生 裂缝时 ，纤维会桥架裂缝 ，纤维这种桥架作用一方面 能阻碍裂缝的继续发展 ；另一方面纤维也能承受部分 载荷 ，从而缓解混 凝土材料 的破坏程度 J 。纤维 的 这种桥架作用和对磨损的抵抗作用 的大小 ，与纤维 自 身的抗拉强度以及弹性模量有关 ，纤维 自身的抗拉强 度和弹性模量越大 ，其作用越明显 。与聚丙烯纤维相 比，纤维素纤维 的抗拉强度和弹性模量较大 ，因此 ， 掺纤维素纤维混凝土的抗冲磨特性要优于掺聚丙烯纤 维 混凝 土 5结语 纤维素纤维是化学合成纤维的更新换代产品，与 目前工程 中常用 的聚丙烯 纤维相 比，纤维素纤维具 有 ：分散性能优越 、抗拉强度和弹性模量较高 、与水 泥基体粘结强度高 、纤维 的根数多、纤维的相对密度 大于 1 0以及独有 的空腔设计等优点。结合水电工程 的实际，对纤维素纤维在水工抗冲磨高性能混凝土中 应用进行的试验研究结果表明 ： ( 1 ) 在混凝土 中掺人纤维 素纤维可以有效改善水 工抗冲磨高性能混凝土的抗冲磨能力。与聚丙烯纤维 相 比，纤维素纤维的抗拉强度和弹性模量较大 ，因此 掺纤维素纤维混凝土的抗 冲磨特性优于掺聚丙烯纤维 混凝 土 。 ( 2 ) 由于纤维素纤维独有的空腔结构设计 ，使得 其能在新拌混凝土中起到了“ 内养护” 的保水作用 ，从 李光伟纤维素纤维在水工抗冲磨高性能混凝土中的应用 而可以有效降低混凝土的干缩变形 以及 自生体积的收 缩变形，从而提高水工抗冲磨高性能混凝土的体积稳 定性。另外，纤维素纤维独有的空腔结构设计 ，使得 其能在水泥的水化初期储存部分 自由水，控制水泥的 水化速度，降低水泥的早期水化热和其 2 8 d混凝土绝 热温升值，从而提高混凝土抵抗温度裂缝的能力。 参考文献 ： 1 陈改新 高速水 流下新型 高抗冲耐 磨材料 的新 进展 J 水力 发电 ，2 0 0 6 ( 3 )：5 6 6 O 2 支栓喜 ，陈尧隆 ，季 日臣 由硅粉混凝土应用中存 在的问题论 高速水 流护 面 材料 选 择 的原 则 与 要求 J 水 力 发 电学 报 ， 2 0 0 5 ( 6 )：4 5 - 4 8 3 卢安琪 ，等 聚丙烯纤维混 凝土抗 冲耐磨试验 研究 J 水利 水 电技术 ，2 0 0 2( 4 ) ：3 7 3 9 4 漫玉见 ， 余文胜，霍海平 湿喷钢纤维混凝土在公伯峡水电站 导流洞 _T程中的应用 J 水力发电 ，2 0 0 2( 8 ) ：5 2 5 5 5 李 光伟 玄武岩纤维在水工抗 冲蚀高性能混凝土中的应用 J 混凝 土 ，2 0 0 8 ( 1 1 ) ：7 7 7 9 6D L T 5 1 5 0 -2 0 0 1 ，水工混凝土试验规程 s 7 水 利水 电科学研究 院结构材料 研究所 大体积混 凝土 M 北 京 ：水利电力 出版社 ，1 9 9 0 ：1 7 1 8 刘 国平 ，施慧 聪 ，吴凯 纤 维素纤 维对 混凝 土集料 与浆 体过 渡区的影响研究 c 第十三届纤维混凝土学术会议暨第二 届海峡两岸 三地 混 凝 土 技 术 研 讨 会 论 文 集 南 京 ，2 0 1 0： 5 7 2 5 7 7 9 刘卫东 ，林瑜 ，朱玉强 ，等 纤维混凝土的冲刷 磨蚀与 冲击磨 损 试验研 究 c 第十三届纤维混凝土学术会议 暨第二届海峡 两岸三地混凝 土技术研讨会论文集 南京 ，2 0 1 0 ：8 5 l 一 8 5 6 ( 责任编辑陈小敏 ) 简讯 水利部“ 9 4 8 项 目“ 水域 与陆地综 合管理空问决策支持 系统 ( I S D S S ) 的引进” 通过验收 2 0 1 1 年 8月 3 1日，水利 部“ 9 4 8 ” 项 目管理 办公 室在南 京 组织召开了由南京水利科学院水工水力学所和水文水资源所 共同完成的引进国外先进技术项 目( 简称“ 9 4 8 ” 项 目) “ 水域与 陆地综合管理空间决策支持系统( I S D S S ) 的引进” 验收会。来 自水利部科 技推广 中心 、江苏 省水 利 厅 、南 京 大学 、河 海 大 学 、中科院地理与湖泊所和扬州大学等单位专家组成 了验收 专家组。验收专家听取了项 目工作汇报和成果介绍，审阅了 有关资料，经讨论和质询认为，该项 目全面完成 了合 同书规 定的内容 ，达到了考核指标要求 ，一致同意通过验收。 项目引进的基于 Wa t e r L i b 2 0 模型库的水资源管理决策支 持系统，包含了流域产汇流、河道洪水演进、水库( 水电站) 、 蓄滞洪区、闸门、数据生成器、优化调控与河流控制模块及 决策支持系统信号处理等多功能模块，具有易扩展 、配置灵 水利水电技术第4 2卷2 0 l 1年第 l 0期 活、通用性强和效率高等特点 ，可根据管理要求 ，快速构建 水资源管理决策支持系统。专家一致认为 ，该系统先进性强， 推广应用前景广 阔。 项 目历时 3年，在 1 0余名科研人员的共同努力下，在引 进的基础上进行了消化吸收和再创新 ，研发了北江流域水资 源调度与管理决策支持系统，并运用该系统模拟了流域水资 源供给现状，评估了规划水平年 2 0 3 0年多情景下的水资源 系统响应，为北江流域水资源管理提供了技术支撑。同时取 得了丰硕的研 究成果 ，构建 了基于 Wa t e r l i b 2 0北江流域 水资源优化调度与管理决策支持系统一套 ( 汉化版) ，编写 了软件使用技术手册 ，发表了学术论文 3篇，培养 了研究 生 2名 。 ( 摘 自“ 中国水利国际合作科技 网” 2 0 1 1 年 9月7日) 1 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m