南水北调东线宝应站采用CFRP混凝土

7.3.1.1　概述

三阳河潼河宝应站，系南水北调东线一期工程中兴建的第一座泵站。宝应站工程包括泵站工程（设计规模100m3/s）、下游清淤机桥、灌溉涵洞、扬淮公路桥、110/10k V变电所和管理设施等。

宝应站泵站主体为水工大体积混凝土，且其进水和出水流道层混凝土结构复杂。为保证混凝土的浇筑质量，提高水工大体积混凝土的抗裂性和耐久性，实现宝应站经过得起历史考验的世纪精品工程的目标，于是，开展了CFRP混凝土应用的试验研究。

7.3.1.2　应用试验研究

（1）试验原材料和混凝土配合比。

1）试验原材料。水泥：龙潭水泥厂，P.O32.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰：镇江科电I级粉煤灰；集料：宜兴产碎石（16～31.5mm）宿迁中砂；纤维：深圳海川工程科技有限公司（上海分公司）提供的聚丙烯腈微细纤维；外加剂：高效减水剂。

2）CFRP混凝土配合比。以混凝土抗拉强度、弹性模量、线膨胀系数、收缩率和应力松弛系数和抗压强度等为目标，并根据现场混凝土结构形式和环境影响，确定了各目标的优先顺序为：收缩率→抗拉强度→线膨胀系数→弹性模量→应力松弛系数→抗压强度。

优化后的CFRP混凝土配合比见表7.34所示，其中，F－1为纤维混凝土，F－0为基准混凝土。F－1和F－0两种配合比测试试件在浇筑现场相同搅拌工况下由同一搅拌楼同时取样。

表7.34　混凝土配合比　单位：kg/m3

纤维混凝土与基准混凝土的物理力学性能的比较见表7.35。

（2）强度与裂缝自愈合。测试结果显示，纤维混凝土其7天和28天强度分别比基准混凝土提高了21.7%和14.2%。

当抗压荷载达破坏荷载，压力机上的荷载读数指针停顿并开始回摆时立即卸载。通过及时卸载，可以保持试件的完整，破坏后试件的表面分布有多道细小的裂缝；相对面言，纤维混凝土的裂缝较细小，破坏时由于纤维的粘接作用，混凝土的完整性较好；而基准混凝土的裂纹较明显，并伴有少量表层混凝土剥落现象。

表7.35　基准混凝土与纤维混凝土的性能

为了考察混凝土破坏后的自然愈合能力，分别通过超声测试和强度测试研究了7天和28天龄期破坏的混凝土养护28天后的自修复状况。表7.36和表7.37为超声声速和强度随愈合期的变化趋势。

表7.36　7d龄期破坏混凝土自愈合28d的超声速率和强度

表7.37　28d龄期破坏混凝土自愈合28d的超声速率和强度

（3）混凝土的孔结构及孔径分布。表7.38为基准混凝土和纤维混凝土的测试统计结果。

表7.38　混凝土孔结构测试结果

从表7.38的试验结果看出，纤维混凝土比基准混凝土的强度高，主要是因为孔隙率减少了18.4%，而且孔径分布也得到了改善。在毛细孔的大孔区，纤维混凝土的孔径仅为基准混凝土的63%；在中孔区为93%。由此可见，纤维的掺入，不仅能减少孔隙率，而且可使毛细孔变细。另外，从分段孔体积含量上也可以发现，纤维混凝土的有害孔（大于50nm）含量比基准混凝土低15%。同时，纤维混凝土的平均水力半径（9.3nm）也小于基准混凝土（9.59nm）。总之，最可几孔径变小，使渗水通路变细，加上平均水力半径减少，提高了抗渗能力，对强度有害的大毛细孔减少，这将对裂缝的引发和扩展起很大的阻滞作用，因而能提高其强度和耐久性。

（4）混凝土的综合抗裂指标。表7.35显示，随着龄期的增长，综合抗裂指标逐渐减小，混凝土有开裂的倾向。纤维混凝土7天龄期时的综合抗裂指标比基准混凝土提高了40%；而28天龄期时则提高了140%。混凝土经优化后，提高了抗拉强度/弹性模量比，在幅度减小了混凝土的收缩率，同时也降低了混凝土的线膨胀系数，最终集中体现在其综合抗裂指标的大幅度提高。根据公式（7.1）

式中　k——综合抗裂指标；

　　　fc（τ）——龄期为τ天的混凝土的抗拉强度，MPa；

　　　r（τ）——龄期为τ天的混凝土的应力松弛系数；

　　　Ec（τ）——龄期为τ天的混凝土的弹性模量，MPa；

　　　ac（τ）——龄期为τ天的混凝土的热膨胀系数，με/℃；(www.xing528.com)

　　　ΔT——混凝土的温差℃，温升取负，温降取正；

　　　β——混凝土收缩率系数；

　　　S（τ）、S′（τ）——龄期为τ天的双曲正切函数及其导数。

在式（7.1）中，分子表示裂缝的抵抗力，分母表示裂缝的驱动力。比值k越大表明混凝土材料抵抗裂缝的能力越强。如果k值大于1，基本满足了混凝土抗裂的要求。

当k＞1，表明混凝土的抵抗力大于其破坏力，因而满足混凝土结构的抗裂要求。泵站站身和出水流道层结构使用了经优化后的纤维混凝土，迄今为止未出现任何裂缝。建立在体积稳定性基础上的混凝土配合比优化设计思想得到了工程实践的检验。

（5）混凝土的耐久性。本文在研究大体积混凝土物理力学性能和抗裂性能的基准上，根据水工混凝土的环境特点，还对比研究了纤维混凝土和基准混凝土的抗碳化和抗冲耐磨等耐久性。

碳化试验参照CBJ82—85标准，耐磨试验参照《混凝土及其制品耐磨性试验方法》（GB/T16925—1997）规定的滚珠轴承法。表7.39和表7.40分别为碳化和耐磨试验结果。

表7.39　混凝土碳化寿命预测结果　单位：年

表7.39中按工程设计所用原材料和环境推算，50mm保护层厚度混凝土的碳化寿命的理论值为185.61年。但由于现场施工质量的影响，可能会大幅度影响实际现浇混凝土的碳化寿命。从表7.39的基准混凝土F－0的实际推算结果中可以看出，由于施工质量的波动，实际碳化寿命仅为14.97年，如果养护不当，使混凝土表面出现裂缝，其碳化寿命还将进一步降低。然而，掺入微细聚丙烯腈纤维后，F－1混凝土受现场人为因素影响的显著性降低，在同样的施工条件下，其抗碳化能力依然保持较高，达到了176.43年，接近理论值，比基准混凝土提高了10倍多。纤维混凝土提高抗碳化能力的主要原因在于混凝土的密实性增强和气体渗透的孔径减小，前者可以从混凝土的强度指标上反映出来，后者可以通过压汞的实测数据得到佐证。

表7.40　混凝土磨损深度和耐磨度

表7.40耐磨试验结果显示，与基准混凝土相比，掺入聚丙烯腈纤维后，混凝土的耐磨度提高了32.5%。

7.3.1.3　效果

（1）掺入0.08%体积掺量的聚丙烯腈纤维改善了混凝土内部的微观结构，提高了混凝土物理力学性能，并且有助于混凝土损伤后的自愈合。

（2）微观测试表明，聚丙烯腈纤维与混凝土界面具有良好的粘结力，从而使纤维能够充分地发挥其止裂作用和网络协调增强效应。压汞试验表明，纤维混凝土的孔隙率比基准混凝土减少，而且孔径分布也得到了改善，因此，有利于混凝土的强度和耐久性。

（3）建立在体积稳定性基础上的综合抗裂指标可以用来定量地评价混凝土材料的抗裂能力，它综合反映了混凝土抗拉强度、弹性模量、线胀系数、收缩应变和应力松弛等因素，简便直观地表达了混凝土裂缝抵抗力和驱动力的对比关系。

（4）纤维混凝土各龄期的综合抗裂指标均高于基准混凝土，而且综合抗裂指标大于1，表明纤维混凝土的抵抗力大于其破坏力，因而满足混凝土结构的抗裂要求。

（5）掺入聚丙烯腈纤维后，混凝土的抗碳化能力提高了10倍多；耐磨度提高了32.5%。