南水北调中线京石段S6标段渠道衬砌

1、南水北调中线京石段S6标段渠道衬砌UF500纤维素纤维混凝土性能研究论文摘要普通混凝土因自身抗拉强度较低、延性差、在拉应力或冲击荷载作用下易发生脆性破坏，抗渗、抗冻 融循环、抗收缩、抗冲击及耐磨等耐久性能较差，严重阻碍了混凝土的进一步应用和发展。大量试验研究 及工程实践表明，在混凝土中掺纤维可有效改善混凝土离析、泌水，抑制混凝土塑性收缩、干缩、温降收 缩及其引起的裂缝，提高混凝土的抗裂、抗渗、抗冻、抗冲击、耐磨等耐久性能。纤维增强混凝土的出现 标志着混凝土向高性能化发展。南水北调中线工程是一项跨流域、跨地区的特大型水利工程，对改善我国水资源配置、实现全面建设小康 社会宏伟目标具有重要战略意义。

2、中线京石段总干渠是南水北调中线工程的重要组成部分，长227.375km， 其中以明渠渠道施工为主，渠道长201.047km，建筑物长26.334km，属典型长距离线性渠道输水工程，渠 道过水断面为梯形断面，整个过水断面采用现浇混凝土衬砌。针对京石段S6标段渠道断面尺寸大、薄壁素 混凝土结构、对混凝土衬砌板抗裂、防渗、减糙要求高，同时衬砌板底部直接与加强防渗层和保温层接触、 衬砌板切缝工艺复杂、嵌缝材料成本高的特点，本文就S6标段渠道衬砌用UF500纤维素纤维混凝土的性能 进行室内外研究。1室内试验1.1试验原材料及方法在中国水电十一局中心试验室进行基准混凝土与UF500纤维混凝土的对比试验，主

3、要比较混凝土 的坍落度及力学性能。试验用水泥为PO 42.5普通硅酸盐水泥，I级粉煤灰，细集料用河砂（细度模数 为2.9），粗集料为540mm连续级配的石子，减水剂为聚羧酸高效减水剂，UF500纤维素纤维由上 海罗洋新材料科技有限公司提供，试验配合比见表1，纤维性能参数见表2。表1渠道衬砌混凝土坦合比单位:kg/m2）名称水泥砂子石IV粉煤灰减水剂抗冻剂水UF500 纤维20hed20- 40iuil配比20L619621758671. 8760. 0351340. 9表2 UF500纤维素纤维性能参数密度/(g-长度/mn直径，U压抗拉强 度/k海模瓦/GPa比表面积/ (nE- kg-1)

4、根数/亿根 (0. 9kg/ Di5)UF5001. 102.2. 314179008. 5250014试验依据普通混凝土拌合物性能试验方法标准GB/T50080-2002和普通混凝土力学性能试验 方法标准GB/T50081-2002进行，测试新拌混凝土性能，并分别成型基准混凝土与UF500纤维混凝土 150mmx 150mmx 150mm试件各6组（每组3个），用以3d、7d、28d抗压强度测试及劈裂抗拉强度测试。试件浇注24h后脱模，在温度（202）C、相对湿度大于95%的标准养护条件下进行养护，试验 前2h从养护室取出晾干，进行规定龄期的力学性能测试。1.2试验结果及分析试验结果如表3所

5、示。表3新拌混凝土性能及硬化后混凝土的力学性能系列坍落度Anm抗压强度.，河丑剪裂抗担强度u近曰Sd7 d2S d3 d7 d28 d基推混凝一十?. 3E25.41. CO1.S62. 76LF3算奸绯混凝十907.115. L I22. 11. 3B2- 673. 56由表3可见，UF500纤维混凝土的坍落度比基准混凝土略小，降低10mm，因此UF500纤维素纤 维的掺入对新拌混凝土坍落度影响很小，不影响施工，这主要归因于UF500纤维素纤维是亲水性生物 纤维，在混凝土中分散均匀，平均长度较短，只有2.12.3mm，不会结团、缠绕。力学性能方面，UF500纤维混凝土抗压强度均略低于基准混凝

6、土的抗压强度；而劈裂抗拉强度较 基准混凝土均有明显的提高，且随龄期延长幅度增大。UF500纤维混凝土的3d、7d和28d抗压强度较 基准分别降低0.5 MPa、1.6 MPa和3.3MPa,可见纤维的掺入对混凝土的抗压强度有略微的影响，但 基于纤维在抗裂、抗渗、抗冻融等各方面所发挥的显著作用，纤维混凝土结构技术规程CECS 38:2004 中也规定纤维掺量在体积率不大于0.15%时，其强度等级可不考虑纤维的影响。劈裂抗拉强度方面， 3d、7d和28d均有提高，28d劈裂抗拉强度提高幅度达28.99%，大幅提高了混凝土阻裂性能和增强效 应，降低了混凝土的脆性。衬砌混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度的柱

7、状分析图如图1所示。珏推混阳一 L3d粉制图1衬砌混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度柱状分析图2渠道衬砌试验2.1试验内容及方法2008年4月，京石段S6标段渠道衬砌用UF500纤维混凝土进行现场试验，试验段为总干渠野头 东生产桥上游段12m、K250 + 360K250+382渠道底部和渠坡，其中渠道底部混凝土的纤维掺量为 0.9kg/m3，渠道两侧衬砌混凝土的纤维掺量分别为0.6kg/m3和1.2kg/m3。基准混凝土渠坡结构尺寸按 照设计要求以4m切缝，掺UF500纤维混凝土渠坡以12m切缝（见图2）。拥2渠道衬砌示意在不改变原有渠道混凝土配合比条件下，将UF500纤维与骨料一起加入拌合仓，然

8、后加入其它原 材料进行拌合；混凝土中掺UF500纤维不改变施工工艺，按原有施工工艺进行施工，施工完成后，与 基准混凝土同条件养护。试验完成后，观察并比较不同龄期基准混凝土与UF500纤维混凝土的表观平整度、表面裂缝和抗 冻融性能，尤其是渠道通水后，是否对衬砌混凝土的性能有所提高；考察掺UF500纤维混凝土延长衬 砌设缝的距离是否节约材料、降低人工成本及缩短施工工期。2.2试验结果2009年3月，对渠道衬砌试验段进行了观测，由于渠道底部因蓄水不可见，只能考察试验段渠坡 衬砌用UF500纤维混凝土性能。观测结果表明，在经历了一个夏冬循环后，掺量分别为0.6 kg/m3 和 1.2kg/m3的UF5

9、00纤维混凝土，均能较基准混凝土提高衬砌表面平整度、减少混凝土表面缺陷及麻面。 在12m切缝条件下，UF500纤维混凝土衬砌均未发现任何裂缝，有效延长了衬砌结构的设缝距离；衬 砌与水结合部分在经历一个冬季后，未掺纤维混凝土由于被水冲刷及温湿交替产生了混凝土剥落现象， 而UF500纤维混凝土保持良好的抗渗、抗裂及抗冻融性能，有效提高混凝土的耐久性（见图36）。右岸渠坡衬砌试验段（UF500掺量0.6kg/m3）图3左岸渠坡衬砌试验段（UF500掺量1.2kg/m3）图4未掺纤维衬砌混凝土冻融剥落破坏图5UF500纤维衬砌混凝土抗裂、抗冻性良好图6纤维混凝土耐久性的提高，与纤维改善混凝土的自身品质

10、有密切关系。纤维起到的主要作用有： 减少混凝土的原始缺陷，降低各种缺陷的尺度；使混凝土中粗集料分布更加均匀，提高混凝土内在品 质，改善混凝土抗渗透性等；明显降低混凝土表面水分的蒸发速率；降低混凝土内外部湿度、温度差 值；提高混凝土的早期抗裂性能和混凝土的变形能力，增加混凝土的韧性和抗冲击、抗疲劳性能。 试验段衬砌。2009年7月，再次对试验段进行了观测。因渠道水位线下降，可看到在冬季水位交接处，基准混凝土 因冻融破坏有明显剥落现象（图7）。掺UF500纤维不切缝渠道衬砌混凝土无冻融破坏现象（图8）。渠道水位交接处UF500纤维混凝土无明显冻融破坏图82.3性能对比及成本核算为减少混凝土衬砌结构

11、因收缩而产生的开裂，参照设计要求，要对衬砌进行每4mx4m的切缝工艺， 同时要对切缝处进行嵌缝处理，掺加UF500纤维素纤维之后切缝工艺可放宽至12mx12m。2.3.1性能对比现场试验段观测表明，掺UF500纤维衬砌混凝土较基准混凝土具有更好的表面平整度及结构完整 性，有效降低了混凝土表面粗糙度，提高了衬砌结构混凝土抗裂、抗渗及抗冻融性能。2.3.2成本核算对试验面积为12mx12m的成本进行比较，未掺纤维时，基准混凝土需进行4mx4m切缝，并进行 嵌缝处理，已知嵌缝材料价格为4.0万/t，材料密度为1.4g/cm3，按切缝深度为3cm计算，可知每米嵌 缝材料的价格为16.8元，每12mx1

12、2m的单位面积所需的嵌缝材料为48m，材料成本为806.4元；掺 UF500纤维后，可省去切缝、嵌缝的所有费用，只增加纤维材料成本，纤维掺量按）.9kg/m3计算（纤维 单价5.8万元/t），渠坡混凝土厚度为8cm，每12mx12m的面积增加成本仅为601.3元，节省成本超过 25%。3结语本文针对南水北调京石段S6标段衬砌用UF500纤维混凝土的性能展开室内外研究，得出如下主 要结论：UF500纤维对新拌混凝土坍落度影响很小，不影响施工，纤维分散均匀、无结团、缠绕现 象。UF500混凝土抗压强度均略低于各龄期未掺UF500混凝土的抗压强度，对强度影响不大，而各 龄期劈裂抗拉强度较基准混凝土均有明显的提高，随着龄期延长，提高幅度增大，28d提高幅度达