1、聚丙烯纖維混凝土在水利水電工程上的應用探討國外從70年月末以來,對聚丙烯纖維混凝土進行了大量的試驗研究,并在軍事、房屋、交通、水利等工程中得到廣泛應用。我國則在80年月中期開頭引進應用。研究成果和工程經驗證明,聚丙烯纖維能削減和防止混凝土在塑性和初期硬化階段的收縮裂縫產生,從而提高防滲、抗凍、抗沖磨等性能。本文介紹聚丙烯纖維混凝土的性能和它在水利水電工程中廣泛的應用前景。 室內試驗和工程實踐證明,在混凝土中加入較低摻量水平的聚丙烯纖維,即可削減或防止混凝土在澆筑后早期硬化階段,因泌水和水分散失而引起塑性收縮和微裂紋;也可以削減和防止混凝土硬化后期產生干縮裂縫及溫度變化引起的微裂紋,從而改善混凝

2、土的防滲、抗凍、抗沖磨等性能。同時由于大量纖維隨機分布于混凝土中,使混凝土結構的變形能力、初裂后殘余強度、韌性都有一定提高。此外聚丙烯纖維混凝土具有的較高粘稠性,可改善噴射混凝土的性能和降低回彈。全部這些特點使聚丙烯纖維成為國外20多年來提高混凝土性能的一項重要措施。 80年月中期以來聚丙烯纖維混凝土在我國土建和交通行業漸漸得到應用,如高層建筑的地下室、污水處理廠的污水池、游泳池、糧食倉儲庫、大型停車場、高速公路路面、高架路路面、橋梁路面鋪裝層、機場停機坪、碼頭貨物料場,以及在地下洞室、護坡等工程應用噴射聚丙烯纖維混凝土。由于其良好的性能價格比以及和常規混凝土相同的施工方法,使聚丙烯纖維混凝土

3、得到廣泛應用。 1聚丙烯纖維混凝土的性能 聚丙烯纖維作為一種次要的混凝土加強系統(即不代替受力鋼筋),對混凝土的性能產生如下影響: 1.1聚丙烯纖維抑制了混凝土的塑性收縮微裂紋的產生,提高了建筑物的整體性、耐久性和使用壽命 美國pardon與zollo等人分析了混凝土塑性收縮的性質,用模擬體積變化的平面試樣代替astm沿用的只能反映線收縮的試樣來做試驗。加入體積含量0.1%聚丙烯纖維的砂漿和混凝土,裂縫比對照試樣分別削減87%和82%;砂漿收縮量比對照削減32%40%;混凝土試樣收縮量有一組比對照削減48%,另一種則與對照相同。同濟大學混凝土材料研究國家重點試驗室的測試表明,聚丙烯纖維含量為0

4、.05%和0.15%的砂漿干縮裂縫加權寬度分別為對照試樣的63.5%和37.3%。x省大學土木工程學院28d干縮試驗表明,摻量為0.1%的聚丙烯纖維可削減混凝土干縮10%左右。大量的工程實踐也都證明,聚丙烯纖維的使用對削減混凝土塑性收縮和防止開裂作用非常明顯。特殊是隨著混凝土施工技術的發展,出現了用激光照準的混凝土平面澆筑機,每小時澆注量可達70m3,一日可鋪設2000m2地面。采用聚丙烯纖維混凝土能成功地解決了在這樣的施工強度下,掌握收縮裂縫的問題。對聚丙烯纖維削減收縮裂縫的機理初步認為,一是由于聚丙烯纖維的存在,降低了水分在混凝土中的遷移性,削減了泌水現象,因而削減了體積變化。依據英國認證

5、委員會(bba)出具的證明,聚丙烯纖維混凝土泌水可削減35%55%;另一種熟悉是聚丙烯纖維的變形模量雖然較低,但卻與混凝土在早期硬化階段(24h內)時的變形模量相當,因而可以有效地抑制開裂。對板式結構防止裂縫過去一般是采用鋼筋網。聚丙烯纖維的廣泛應用已在一定程度上替代了這種傳統作法。圣荷西大學的一項對比試驗表明,采用聚丙烯纖維含量為0.68kg/m3的混凝土比素混凝土削減裂縫71.5%,而設置鋼筋網的混凝土僅削減6.5%。多數人認為鋼筋網與聚丙烯纖維混凝土都有一定的抑制裂縫產生的作用,都屬于次要增加。但前者由于分布很稀,實際上這種作用較弱,而主要是在裂縫發生后限制裂縫寬度。因此不少人主見在地面

6、支承板結構中,可以用聚丙烯纖維混凝土取代鋼筋網,但同時也指出兩者結合使用效果更好。至于用聚丙烯纖維混凝土代替鋼筋網混凝土能便利施工,并大大加快進度,以及由此而帶來的效益,則是不言而喻的。 1.2強度和韌性是混凝土的兩大主要性能 當聚丙烯纖維加入量為混凝土體積的0.1%左右時,不會提高混凝土的靜力強度(抗壓、抗拉、抗折等),但對韌性有顯著影響。試驗表明能較大地增加混凝土的抗沖擊性和柔韌性。圣荷西大學的試驗表明,聚丙烯纖維混凝土比平凡混凝土抗沖擊能力提高一倍,柔韌性大約提高40%,抗疲憊性能增加3倍。lanning依據已進行的很多試驗綜合得出結果:聚丙烯纖維混凝土按開裂后整體性衡量的韌性指標(as

7、tm方法)可提高15%,抗沖擊力增加10%50%。也有試驗結果表明,按astm方法,韌性指標中的i100可提高70%。soroushian等人用破壞圓柱試樣的落錘次數表示抗沖擊性,含量0.1%的聚丙烯纖維混凝土是對照素混凝土的約2.9倍,南京水科院的落錘試驗的對比結果則更好。在x省大學進行的抗折試驗表明,摻量為0.1%的聚丙烯纖維混凝土盡管不提高抗折強度,但在試驗過程中表現為開裂之后,仍能維持整體,不連續加載,試樣就不破壞,這說明聚丙烯纖維混凝土有很好的韌性。表征韌性的另一個性能是抗破裂性。在抗壓試驗中,素混凝土壓裂后立刻完全破裂,而聚丙烯纖維混凝土在達到最大荷載后仍不碎裂,這對受地震破壞的建

8、筑結構中人員和財產安全有很大意義。此外,由于大量的聚丙烯纖維(每立方米大約千萬根的量級)隨機分別于混凝土中,使混凝土的變形性能有顯著提高。依據國外報道,高摻量的聚丙烯纖維混凝土極限拉伸應變可達到平凡混凝土的23倍。有人指出,為提高混凝土韌性,以及用于預制、噴射混凝土時,需要較大的聚丙烯纖維含量。一項根據astmc1018進行的試驗表明,聚丙烯纖維達0.5%體積含量時,殘余強度系數可達到與鋼纖維含量為20kg/m3的水平相當。 1.3提高了混凝土的抗滲性 圣荷西大學的試驗表明含量0.5kg/m3的聚丙烯纖維混凝土滲水性削減33%44%,而含量1kg/m3的聚丙烯纖維混凝土則可削減79%。有人綜合

9、了已有的資料,得出纖維混凝土可削減滲透性33%45%的結論。同濟大學混凝土材料研究國家重點試驗室的試驗得出,聚丙烯纖維含量0.8kg/m3的混凝土抗滲標號從素混凝土的s10提高到s14。體積含量0.05%的纖維砂漿,抗滲壓力提高25%。聚丙烯纖維混凝土抗滲性好對防止和延緩滲水、潮濕氣體和氯化物等有害介質對混凝土的侵蝕和對受力鋼筋的銹蝕起了良好作用,可延長建筑物的使用壽命。 1.4提高混凝土的抗凍融次數 混凝土的抗凍融性能是耐久性的表征,也是寒冷地區混凝土所必需的性能要求。以往工程上為滿意抗凍指標要求,除用引氣劑外,往往增加水泥用量,提高混凝土標號,這使混凝土更易開裂,對抗凍不利。南京水科院對c

10、25混凝土,按快凍法進行試驗結果表明,平凡混凝土抗凍標號為100,而纖維摻量大于或等于0.9kg/m3的,抗凍指標都大于或等于200次。凍融循環試驗后,通常混凝土失重較小,而相對動彈性模數下降較多,說明混凝土凍融破壞主要是混凝土內部產生微裂縫造成,而摻入聚丙烯纖維有助于抑制和削減微裂縫的產生和發展,從而提高了混凝土的抗凍性,可見聚丙烯纖維在提高混凝土的抗凍性上作用非常顯著。 1.5提高海水環境下的耐腐蝕性 混凝土浸沒在海水中時,由于海水與水泥及骨料中某些離子的化學反應,表面將形成水鎂石、文石(碳酸鈣)等物質。某些骨料中的部分別子溶于水中,使混凝土表面軟化,降低混凝土抗滲性和抗電解性,加上長期的

11、干濕循環,使混凝土丟失耐久性,導致混凝土的破壞。abdul-hamid等人對現場條件的模擬試驗表明,體積含量0.2%的聚丙烯纖維混凝土表面結垢時間比素混凝土延長110倍。平凡混凝土經海水浸泡的試樣表面成片狀,很簡單剝落,而聚丙烯纖維混凝土表面則未呈分別狀。依據x光衍射試驗,衡量混凝土腐蝕程度的石膏和文石物質生成數量,聚丙烯纖維混凝土僅為平凡混凝土的38%和58%。研究者認為摻入聚丙烯纖維是降低海水對混凝土腐蝕的有效措施。西班牙的一項研究表明聚丙烯纖維混凝土降低了內部氣體循環,由此延緩了海水腐蝕。 1.6聚丙烯纖維混凝土的彎曲強度 聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度與素混凝土相當,但能在一定程度上提高彎

12、曲強度,提高的程度與摻量有關。體積含量達到0.5%1%的聚丙烯纖維混凝土彎曲強度是素混凝土的1.61.9倍。經過對比試驗得出結論,可以用摻入聚丙烯纖維的措施削減傳統方法設計的鋼筋網數量。同濟大學的試驗結果,摻量0.8kg/m3的聚丙烯纖維混凝土抗彎強度提高7.6%,這說明聚丙烯纖維低摻量水平下對混凝土彎曲強度的影響效果非常有限。 1.7提高了混凝土的耐磨損性能 依據挪威政府公路試驗室的模擬抗磨損試驗,加入聚丙烯纖維的混凝土,抗磨損能力提高52%,并削減材料損耗34.4%。美國陸軍工程師團crd-c52-54方法測試結果,聚丙烯纖維混凝土提高抗磨力105%,相同條件下加入聚丙烯纖維可延長混凝土壽

13、命一倍。南京水科院和長江科學院分別用不同的試驗方法進行的抗沖磨試驗,也證明聚丙烯纖維混凝土有較好的抗磨損性能。聚丙烯纖維混凝土的其他性能,如:防止粗骨料在施工震驚時的沉降,提高表面強度;由于聚丙烯纖維熔點為160170,在發生火災高溫時能溶化形成氣體通道,防止高強度混凝土(60100mpa)的爆炸,因此有人認為,聚丙烯纖維混凝土可作為高層建筑防火混凝土。此外,國外為縮短老化建筑物的修補時間而廣泛采用了快速硬化混凝土(硬化時間1h以內),其水泥用量增加較多,使混凝土脆性加大。采用聚丙烯纖維混凝土能較好的彌補這一不足。 2聚丙烯纖維混凝土的經濟性 目前質量好的進口聚丙烯纖維網和聚丙烯纖維絲每千克價

14、格在百元以上,國產高質量的改性聚丙烯纖維絲為5065元,按每立方米混凝土加入0.9kg改性聚丙烯纖維絲計,每立方米混凝土單價增加50元左右,這比鋼纖維混凝土的價格低得多。很多國內外文獻都指出聚丙烯纖維混凝土與鋼纖維、鋼筋網比較的經濟性。在我國的條件下,以橋梁、高速公路路面,采用厚65mm的耐磨、防寒、抗裂的鋪裝層為例,對聚丙烯纖維混凝土、鋼纖維混凝土和用鋼絲網加固的面層進行比較。則每平方米鋪裝層材料價格分別為人民幣9.6元、29.3元、26元。說明聚丙烯纖維是最經濟的。這當中尚未涉及其他種材料在運輸、安裝過程所增加的費用和施工中增加的麻煩。用于噴射的聚丙烯纖維混凝土,其回彈損耗比噴射平凡混凝土

15、少得多。3聚丙烯纖維混凝土的施工方法 在混凝土中摻入聚丙烯纖維極為便利,無須轉變原設計混凝土的配比,也不取代原設計的受力鋼筋。一般狀況下每立方米現澆混凝土摻入量為0.61.2kg,纖維長度為1519mm。聚丙烯纖維在加入干料(砂石、水泥等)之后,加水之前投入。攪拌時間視攪拌方法、攪拌機種類而異,可以與不加聚丙烯纖維攪拌時間基本相同或稍稍延長。此外,聚丙烯纖維總表面積很大,它的表面要吸附水,因此聚丙烯纖維的加入會增加拌合料的粘稠度,降低塌落度。假如發覺施工澆注有困難時,一般不宜增加用水量,而應采用塑化劑或減水劑。由于聚丙烯纖維能保持水分,泌水速度減緩,因此收面工序宜適當推后,應比平凡混凝土更接近

16、終凝時再進行。此外,由于聚丙烯纖維混凝土具有較大的粘稠性,比平凡混凝土更適合于滑模施工。對于預制混凝土制品施工時,聚丙烯纖維混凝土也可削減搬運時的損壞。 4聚丙烯纖維混凝土在水利水電工程中的應用探討 依據聚丙烯纖維混凝土的特性,它在水利水電工程中主要可以用于下列結構部位。 4.1主廠房水下部分 在水電站主廠房的水下結構中,平凡混凝土通常因微裂紋或開裂而降低了防滲能力,使主廠房下層非常潮濕,影響機電設備正常運行。而聚丙烯纖維混凝土因其抗滲能力強,目前在x市等地高層建筑的地下室有大量成功應用經驗,可借鑒用以解決水電站主廠房下層潮濕問題。國外已經在很多諸如水池、水利工程及海岸工程等對抗裂防滲有較高要

17、求的混凝土構筑物中,采用了聚丙烯纖維混凝土,既 抑制了混凝土的塑性龜裂,又提高了抗滲性能,對薄壁結構尤為相宜。 4.2板式混凝土結構 聚丙烯纖維混凝土目前得到最廣泛應用的場合主要是面支承平板結構,水電站的消力池、護坦、船閘底板等都屬于面支承平板結構一類的底板混凝土。厚度大多較小,常和基巖直接接觸,混凝土澆筑后因基巖約束,簡單發生裂縫。聚丙烯纖維混凝土因其干縮量小,初凝時的塑性收縮微裂紋得到抑制,因此可以減輕這類底板混凝土開裂問題。在常規設計中,為了防止表面收縮裂縫,往往設置了表層分布鋼筋網。由于鋼筋網中間距一般為1520cm,因各種原因,有時實際起不到防止混凝土表面裂縫的目的。采用一定摻量的聚

18、丙烯纖維混凝土來替代鋼筋網可能是一個經濟有效的措施,也大大簡化了施工,加快了進度,很值得進行試驗研究。 滑模施工的堆石壩面板也是一種板式結構,而長度達數十米至一、二百米,易產生裂紋。堆石壩面板是擋水結構,過多的裂紋引起滲漏水量過大,對工程有害。聚丙烯纖維混凝土能減輕或防止開裂從而提高防滲性能,是特殊相宜應用于面板。x省白溪水庫工程,堆石壩壩高124m,在作了大量室內試驗和在現場工藝性試澆基礎上,在2000年912月份進行二期面板聚丙烯纖維混凝土的滑模施工,檢查發覺裂縫較未摻聚丙烯纖維的一期面板少得多,而且寬度較細。蓄水至高水位后大壩實測滲漏量僅為56l/s。 4.3噴射混凝土工程的應用 聚丙烯

19、混凝土有較高的粘稠性,很相宜用于噴射混凝土。噴射聚丙烯纖維混凝土與噴射平凡混凝土比較,能顯著削減回彈損失,增加一次噴射厚度,提高生產能力,降低總成本,并能防止產生裂紋。可用于隧道支護、護坡工程、建筑物穹頂和拱橋底部修補噴漿、水池及筒倉結構的預應力繞絲噴漿護面等。1985年瑞典國家研究院對摻加鋼纖維、聚丙烯纖維的噴射混凝土和平凡噴射混凝土作了對比試驗。結果加纖維的噴射混凝土比不加的抗壓強度高34%,抗彎強度高46%。在礦山加固等工程應用中實際回彈量為:沒加纖維為25%,加鋼纖維為10%。加聚丙烯纖維為4%5%。morgan等人的試驗,采用含量為46kg/m3的聚丙烯纖維高粉煤灰(占膠凝材料的63

20、%左右)混凝土進行噴射混凝土試驗,從噴射層上取的試樣試驗結果,不摻聚丙烯纖維的混凝土基本上不具備韌性指標,而兩種含量的聚丙烯纖維混凝土則均能達到astm試驗規范要求,開裂后的殘余強度系數達到0.330.55。 在工程應用方面,美國亞利桑那州的運河防洪工程加固所用的噴射混凝土,全部用聚丙烯纖維取代金屬絲網,噴射厚度為100150mm。香港新隧道工程出于環保、電力和商業要求,用聚丙烯纖維取代鋼纖維,噴射混凝土厚度75mm,效果特別好。菲律賓的某隧道用聚丙烯纖維混凝土加固洞門仰坡和作洞內初期支護,都很成功。我國的引黃工程和鐵道工程中采用了噴射聚丙烯纖維混凝土作為邊坡防護。依據他們的經驗,聚丙烯纖維混

21、凝土在邊坡穩定的效果上優于噴射平凡混凝土。 噴射聚丙烯纖維混凝土施工時宜用濕噴法,可以較精確的掌握水灰比,提高噴射混凝土質量和削減回彈損失,并使聚丙烯纖維在混凝土中得到充分分散。濕噴機械過去完全要靠進口,主要是有日本、美國研制的擠壓泵型、英國的compernass型和德國的bsm-903型濕噴機,價格非常昂貴。近年來,我國鐵道科學研究院西南分院已研究出tk-961型濕噴混凝土噴射機,比進口產品廉價甚多,每小時可噴射混凝土5m3,最大水平和垂直輸運距離分別達到40m和20m,但自動化程度低,操作人員需細心掌握噴射參數。 4.4高速水流作用的部位 水利水電工程的溢流面、泄洪洞、消力池、溢洪道泄流槽

22、、閘門門槽以及排沙孔道都有高速水流沖刷、磨損和氣蝕問題,特殊當水流中摻有泥沙時,問題更為突出。為提高這些部位的混凝土抗沖蝕磨損能力,以往的工程措施是采用高強度混凝土、硅粉混凝土和鋼纖維混凝土等。不但工程造價高,而且高強度混凝土、鋼纖維混凝土和硅粉混凝土施工都較困難。利用聚丙烯纖維混凝土良好的抗沖磨性能用于上述工程部位是合理的選擇,還可以不必提高混凝土標號。 4.5工地路面和橋梁工程 國內外在公路工程中采用聚丙烯纖維混凝土已有大量成功實例,工程建設實踐證明聚丙烯纖維混凝土有良好的抗磨損和抗沖擊疲憊特點,在高速公路上應用比平凡混凝土路面使用壽命增加510年。大中型水利水電工程往往要裝備重型或超重型汽車,對現場施工道路路面要求抗磨、抗裂、抗沖擊。平凡混凝土路面耐久性差,而鋼纖維混凝土路面造價甚高,而且還有磨損輪胎問題。用聚丙烯纖維混凝土鋪設路面,可以滿意大中型水利水