高延性水泥基复合材料在水工结构中的应用构想_李家正.pdf

收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金项目（，）；湖北省自然科学基金项目（）作者简介：李家正（），男，湖北京山人，正高级工程师，博士，研究方向为水工材料与结构、生态环境材料。：，（）：，高延性水泥基复合材料在水工结构中的应用构想李家正，（长江科学院 材料与结构研究所，武汉；国家大坝安全工程技术研究中心，武汉）摘 要：高延性纤维增强水泥基复合材料（）最早由美国密歇根大学 教授于 世纪 年代设计提出，近年来在工业与民用建筑建领域中得到了较为广泛的应用。长江科学院提出了适用于水工建筑的水泥基复合材料（）概念。根据不同水工结构功能要求，应具有按需设计的拌和物性能和成型方法、中等强度、低弹性模量、按需设计的延伸率、较强的热稳定性、高耐久性、可控的裂缝宽度以及较为宽泛的原材料选择。在此基础上，提出了 在堆石坝新型坝基廊道、面板堆石坝新型防渗面板、堆石坝新型心墙结构、拱坝基础约束区抗震防裂结构等水工结构中的应用构想。同时，展望了 未来拟研究的方向。研究成果对于提高水工结构的安全性、经济性和耐久性有参考价值。关键词：；中等强度；可控裂缝宽度；高耐久性；水工结构中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：（），（，；，）：（），（），：；研究背景高延性纤维增强水泥基复合材料（，）是经系统设计，在拉伸和剪切荷载下呈现高延展性的一种纤维增强水泥基复合材料。最早在 世纪 年代初，美国密歇根大学 教授和麻省理工大学的 教授等运用断裂力学和细观力学原理提出了 材料的基本设计理念。随后 在日本和欧洲获得了飞快的发展和广泛应用，日本称之为超高性能纤维增强水泥基复合材料（第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 ，）。欧洲则根据该材料应变硬化这一典型特征而将其命名为应变硬化水泥基材料（，）。极高的延展性是在纤维掺量较低的情况下（纤维体积掺量仅为 或以下），通过多裂缝的平稳展开而实现的，其应变能力是普通混凝土的几百倍（单轴拉伸荷载下最大应变）。从图 可以看出，在较高应变的情况下，材料的裂缝宽度仍能够保持在 以下。0.51.01.52.02.53.03.54.001 02 03 04 05 06 07 08 09 00123456/MP a/%图 典型的 拉伸应力应变曲线及裂缝宽度发展示意 材料具有以下特点：（）良好的安全性。有极高的拉伸延性，材料结构除了具有抗坍塌能力，还具有高抗损伤能力，遭受地震等破坏后的残余裂缝宽度很小。（）超高的耐久性。在限制干燥收缩的条件下，裂缝宽度控制在 左右，可以有效减少氯化物和硫酸盐等侵蚀性介质对混凝土材料的破坏，从而提高结构的耐久性。（）绿色低碳可持续性。从建筑材料全生命周期成本角度来看，的经济成本、能耗、排放，修补成本等方面较普通混凝土低。材料制备与性能要求长江科学院基于某大型水电站廊道塑性铰接段材料研究项目，提出了适用于水工建筑的水泥基复合材料（，）概念。根据不同水工结构功能要求，应具有按需设计的拌和物性能（可采用低坍落度制备）和相应成型方法、中等强度、低弹性模量、按需设计的延伸率、较强的热稳定性、高耐久性、可控的裂缝宽度以及较为宽泛的原材料选择。与工民建等行业的 相比，材料特性体现在以下方面。原材料为了扩展 的适用范围，降低 制备难度及经济成本，在满足设计要求的前提下，可扩大原材料选择范围，采用工程当地原材料配制。（）水泥可采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥等。（）辅助胶凝材料可采用粉煤灰、硅粉、矿渣等。扩大辅助胶凝材料的选择范围，不仅减少了水泥的用量，减少 排放，较传统的 更加环保，同时可以获得良好的应变硬化效果。长江科学院的研究成果表明，硅粉有助于提高拌和物黏聚性、防止泌水、增加极限抗拉强度、提高抗弯强度，但对极限延伸率、最大荷载处位移有不利影响。等、等、曹明莉等的研究均表明，粉煤灰、矿渣作为辅助胶凝材料制备的，其极限拉应变分别为和。（）可采用水利水电工程当地原材料制备 用的细骨料，细骨料最大粒径可增大至。长江科学院的研究成果表明，采用某大型水 电 站 当 地 原 状 砂、的 细 骨 料 以 及 的细骨料制备的 极限延伸率分别为、及。田砾等的研究表明，细骨料粒径由 增大至 时，的极限延伸率有所降低，但仍能获得的延伸率，但相对于普通混凝土提高了近 倍，同时使得 的制备容易实现，应用范围得以扩展。（）结合不同应用场景，充分利用弹性模量高、价格低的钢纤维、聚乙烯纤维（）、聚乙烯醇（）、聚烯烃弹性体（）纤维、纤维水泥（）、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维等单独和共同使用，拓宽 纤维选择范围，形成 新型纤维增强体系。一方面能获得较高的应变性能，另一方面能降低 的成本。拌合物性能及制备、成型方法不同水工结构对混凝土坍落度、扩散度、流动性有不同要求。可针对不同要求，制备进行相应坍落度 的制备。尤其是低坍落度（）的制备，与现有制备方法显著不同。同时，成型方法也显著不同，由单一的自密实、自流平成型，向振捣成型、挤压成型、碾压成型等多种成型方法发展。力学性能和耐久性能 应具有中等强度，抗压强度标号一般为，特殊部位（如抗冲磨部位）抗压强度可适当提高。弹性模量一般。长江科学院院报 年 按照 不同的应用场景，可设计 的延伸率，一般为 。在不掺加引气剂的条件下，抗冻性能超过，具体指标见表。表 材料性能指标 序号性能名称参数取值范围力学及变形性能 抗压强度 弹性模量 极限延伸率 耐久性能抗冻性能抗渗性能抗硫酸盐侵蚀抗氯离子渗透系数（）裂缝特性裂缝控制宽度 热稳定性混凝土内部最高温度 混凝土内部 的持续时间 自愈合特性 强度恢复指数 在预加最大极限荷载 后养护 的抗渗等级达空白样的百分比 裂缝宽度控制开裂混凝土的渗透性与裂缝宽度的三次幂成正比，当混凝土裂缝宽度 时，可以认为混凝土的抗渗性能与未开裂混凝土是一致的。从图 可以看出，传统 在极限载荷（应变），裂缝宽度保持在 以内。考虑到水工混凝土服役环境，对抗渗性能要求较高，因此应控制 的裂缝最大宽度。热稳定性 通常具有结构体积大、混凝土内部温升高等特点。为了保证 纤维的稳定性，混凝土内部最高温度，混凝土内部 的持续时间。自愈合能力自愈合是指在不通过任何外界干预的条件下材料自身对裂缝的修复能力。通常情况下，混凝土毫米级的裂缝宽度是无法仅依靠自身进行愈合的。损伤龄期越早，试件的裂缝自愈合的效果越好，随裂缝出现时间延长，自愈合的效果随之降低。应具有较强的自愈合能力，包括强度自愈合、抗渗自愈合和裂缝自愈合。强度恢复指数计算式为 。（）式中：是强度恢复指数；是破坏后带裂缝再次标准养护相同龄期后的试件强度；是同龄期标准养护试件强度。的 强度恢复指数应，在预加载到 最大极限荷载后再养护 开展抗渗试验，抗渗等级达空白样的。在水工结构中的应用构想在美国、日本和欧洲等国家及地区，大量应用于边坡加固、桥面修复、桥梁连接板及高层建筑连梁等领域。近年来，国内在建筑工程及道路施工领域也有所应用，但 在水工建筑物中的应用尚未见报道。结合 的材料特点，构想 在水工领域的应用场景。堆石坝新型坝基廊道深厚覆盖层心墙堆石坝坝基廊道的设计，国内外多采用在防渗墙顶部设置灌浆廊道与防渗心墙连接的型式。然而，从已建工程运行情况来看，坝基廊道开裂及渗漏是一个亟待解决的问题。坝基廊道开裂及渗漏的原因可归结为：在坝体填筑过程中，坝基廊道在竖直方向将发生挠曲大变形。在水库蓄水过程中，防渗墙在水压作用下向下游变形，带动与其刚性连接的坝基廊道同时向下游产生挠曲变形。竖向和向下游的挠曲大变形会在坝基廊道靠近岸坡附近区域产生大应力区，当应力超过钢筋混凝土抗拉强度时，将在坝基廊道上出现裂缝和渗漏现象。目前，坝基廊道防裂的研究主要集中在截面型式和结构缝布置的设计优化方面，在坝基廊道材料方面的研究鲜见报道。拟采用 构建能够适应大变形的坝基廊道结构，为坝基廊道防裂、防渗漏提供一条新的有效途径。在设计方面，在坝基廊道变形较大区域采用 塑性铰接段替代普通混凝土段，形成多段 与普通混凝土段组成的铰链式廊道结构，通过结构优化分析确定 塑性铰接段的数量和范围，采用 的心墙堆石坝坝基廊道结构见图 和图。该新型结构将原来相对刚性的混凝土坝基廊道变为柔性铰链式结构，通过调整廊道整体刚度的方式主动适应坝体的变形，从而提高坝基廊道的防裂性能。铰接段的配筋量小于普通混凝土段，充分利用 应变硬化、超高韧性、裂缝分散和自修复等特性，确保 铰接段首先进入塑性状态，承担结构的主要变形。此外，主要变形由 塑性铰接段承担后，坝基廊道普通混凝土段变形量及内应力大幅下降，开裂风险明显降低。在施工方面，采用 与常规混凝土相比，仅增加了 塑性铰接段浇筑以及 塑性铰接段与普通混凝土段连接界面的处理工序，而且界面处理方式相对简单。同时，通过抹刷界面剂，可以加 第 期李家正 高延性水泥基复合材料在水工结构中的应用构想普通混凝土段H E C C塑性铰接段H E C C塑性铰接段图 采用 的心墙堆石坝坝基廊道结构剖视图 普通混凝土段H E C C 塑性铰接段H E C C 塑性铰接段图 采用 的心墙堆石坝坝基廊道结构变形后示意图 强 塑性铰接段与普通混凝土段之间的粘接强度，进一步降低坝基廊道的开裂风险。面板堆石坝新型防渗面板混凝土面板堆石坝因其具有良好的安全性、经济性、抗震能力强和对地形地质条件的良好适应性等优势，在水利水电工程中得到了广泛的应用。混凝土面板作为面板堆石坝的主要防渗结构，其整体性和耐久性关系到大坝的安全运行。面板混凝土开裂的原因可以归结为：坝体和面板混凝土的变形不协调。目前，混凝土面板后期变形控制是防止开裂的主要手段，然而被动的变形控制方法只能解决面板某一阶段开裂问题，纵观面板整个运行期，混凝土面板开裂仍然会发生。在面板混凝土应力大、变形大的区域，通过合理布置 塑性区，确保 比普通混凝土材料先进入塑性状态，普通混凝土区仍处于弹性未破坏阶段，从而提高防渗面板适应变形的能力，显著降低高堆石坝的面板开裂风险，为面板混凝土防裂开辟新的途径。面板堆石坝新型防渗面板结构见图。普通混凝土普通混凝土H E C CH E C CH E C C(a)H E C C(b)H E C C(c)H E C C图 混凝土面板堆石坝新型防渗面板示意图 在设计方面，针对不同面板结构和防渗要求，面板有以下 种布置方式。（）全 浇筑面板。对于小型面板坝可采用 全部替代常规混凝土浇筑防渗面板，同时取消钢筋配置，在造价可控的条件下，显著提高面板防渗抗裂能力。（）与普通混凝土组合面板。对于高堆石坝，通过沿高程方向设置若干 塑性区替代部分普通混凝土区，构件 和普通混凝土组合面板防渗体系，将原来刚性的面板本体变成了相对柔性的面板。同时，面板材料的设计强度等级小于普通混凝土区的材料设计强度等级，保证 塑性区率先进入塑性，提高整个防渗面板适应大变形能力，降低高堆石坝防渗面板的开裂风险。（）和普通混凝土组成双层防渗面板。在普通混凝土表面浇筑 材料，构建双层防渗面板体系。该结构可应用于老旧坝体改造，在旧坝混凝土面板上直接铺设 面板，用于防渗抗裂，且施工方便。堆石坝新型心墙结构根据堆石坝采用的心墙材料，可分为黏土心墙坝、沥青混凝土心墙坝。心墙开裂和渗漏已经成为影响心墙堆石坝安全运行的主要问题。采用 代替现有的黏土心墙、沥青混凝土心墙，将提高心墙适应变形和防渗的能力。在设计方面，心墙采用超韧性水泥基复合材料浇筑，并且根据设计的防渗和强度等级配合拌制而成。心墙与坝基廊道的连接结构见图。通过 材料的性能调控，心墙厚度相对沥青心墙可进一步缩减，心墙重量的降低，将减少心墙对坝基廊道的压力，从而减少心墙的沉降。心墙的下端与坝基廊道设置弧槽，扩大 心墙与坝基廊道的接触面积，使心墙与坝基廊道的结合部位的粘结能力进一步提高。在心墙与坝基廊道结合处设置金属止水，与坝基灌浆廊道一起，形成坝体下部防渗体系。在施工方面，该新型心墙结构可采用常规混凝土拌和浇筑设备，因此心墙堆石坝施工程序简单。碾压混凝土新型防渗结构我国的碾压混凝土坝上游面多采用变态混凝土防渗。传统的变态混凝土由于施工加浆振