聚丙烯纤维混凝土在水利水电工程上的应用探讨思维导图

聚丙烯纤维作为一种次要的混凝土加强系统(即不代替受力钢筋),对混凝土的性能产生如下影响:

当聚丙烯纤维加入量为混凝土体积的0. 1 % 左右时,不会提高混凝土的静力强度(抗压、抗拉、抗折等),但对韧性有显著影响。试验表明能较大地增强混凝土的抗冲击性和柔韧性。圣荷西大学的试验表明,聚丙烯纤维混凝土比普通混凝土抗冲击能力提高一倍,柔韧性大约提高40 %, 抗疲劳性能增加3 倍。Lanning 根据已进行的许多试验综合得出结果:聚丙烯纤维混凝土按开裂后整体性衡量的韧性指标(ASTM 方法) 可提高15 %, 抗冲击力增加10 % ～50 % 。也有试验结果表明,按ASTM 方法,韧性指标中的I100 可提高70 % 。Soroushian 等人用破坏圆柱试样的落锤次数表示抗冲击性,含量0. 1 % 的聚丙烯纤维混凝土是对照素混凝土的约2. 9 倍,南京水科院的落锤试验的对比结果则更好。在浙江大学进行的抗折试验表明,掺量为0. 1 % 的聚丙烯纤维混凝土尽管不提高抗折强度,但在试验过程中表现为开裂之后,仍能维持整体,不继续加载,试样就不破坏,这说明聚丙烯纤维混凝土有很好的韧性。表征韧性的另一个性能是抗破碎性。在抗压试验中,素混凝土压裂后马上完全破碎,而聚丙烯纤维混凝土在达到最大荷载后仍不碎裂,这对受地震破坏的建筑结构中人员和财产安全有很大意义。此外, 由于大量的聚丙烯纤维(每立方米大约千万根的量级) 随机分别于混凝土中,使混凝土的变形性能有显著提高。根据国外报道,高掺量的聚丙烯纤维混凝土极限拉伸应变可达到普通混凝土的2～3 倍。有人指出,为提高混凝土韧性,以及用于预制、喷射混凝土时, 需要较大的聚丙烯纤维含量。一项按照ASTM C1018 进行的试验表明,聚丙烯纤维达0.5 % 体积含量时,残余强度系数可达到与钢纤维含量为20 kg/ m3 的水平相当。

圣荷西大学的试验表明含量0.5 kg/m3 的聚丙烯纤维混凝土渗水性减少33 %～44 %, 而含量1 kg/ m3 的聚丙烯纤维混凝土则可减少79 % 。有人综合了已有的资料,得出纤维混凝土可减少渗透性33 %～45 % 的结论。同济大学混凝土材料研究国家重点试验室的试验得出, 聚丙烯纤维含量0. 8 kg/ m3的混凝土抗渗标号从素混凝土的S 10 提高到S 14 。体积含量0.05 % 的纤维砂浆,抗渗压力提高25 % 。聚丙烯纤维混凝土抗渗性好对防止和延缓渗水、潮湿气体和氯化物等有害介质对混凝土的侵蚀和对受力钢筋的锈蚀起了良好作用,可延长建筑物的使用寿命。

混凝土的抗冻融性能是耐久性的表征,也是寒冷地区混凝土所必需的性能要求。以往工程上为满足抗冻指标要求,除用引气剂外,往往增加水泥用量,提高混凝土标号,这使混凝土更易开裂,对抗冻不利。南京水科院对C25 混凝土,按快冻法进行试验结果表明,普通混凝土抗冻标号为100 , 而纤维掺量大于或等于0.9 kg/m3 的,抗冻指标都大于或等于200 次。冻融循环试验后,通常混凝土失重较小, 而相对动弹性模数下降较多,说明混凝土冻融破坏主要是混凝土内部产生微裂缝造成,而掺入聚丙烯纤维有助于抑制和减少微裂缝的产生和发展,从而提高了混凝土的抗冻性,可见聚丙烯纤维在提高混凝土的抗冻性上作用十分显著。

聚丙烯纤维混凝土的抗压强度与素混凝土相当,但能在一定程度上提高弯曲强度,提高的程度与掺量有关。体积含量达到0. 5 %～1% 的聚丙烯纤维混凝土弯曲强度是素混凝土的1. 6～1. 9 倍。经过对比试验得出结论,可以用掺入聚丙烯纤维的措施减少传统方法设计的钢筋网数量。同济大学的试验结果,掺量0.8 kg/m3 的聚丙烯纤维混凝土抗弯强度提高7. 6 %, 这说明聚丙烯纤维低掺量水平下对混凝土弯曲强度的影响效果十分有限。

根据挪威政府公路试验室的模拟抗磨损试验, 加入聚丙烯纤维的混凝土,抗磨损能力提高52 %, 并减少材料损耗34. 4 % 。美国陆军工程师团CRD -C52 -54 方法测试结果,聚丙烯纤维混凝土提高抗磨力105 %, 相同条件下加入聚丙烯纤维可延长混凝土寿命一倍。南京水科院和长江科学院分别用不同的试验方法进行的抗冲磨试验,也证实聚丙烯纤维混凝土有较好的抗磨损性能。聚丙烯纤维混凝土的其他性能,如:防止粗骨料在施工震动时的沉降,提高表面强度;由于聚丙烯纤维熔点为160 ℃～170 ℃,在发生火灾高温时能融化形成气体通道, 防止高强度混凝土(60 ～100 MPa) 的爆炸,因此有人认为,聚丙烯纤维混凝土可作为高层建筑防火混凝土。此外,国外为缩短老化建筑物的修补时间而广泛采用了快速硬化混凝土(硬化时间1h 以内),其水泥用量增加较多,使混凝土脆性加大。采用聚丙烯纤维混凝土能较好的弥补这一不足。

目前质量好的进口聚丙烯纤维网和聚丙烯纤维丝每千克价格在百元以上,国产高质量的改性聚丙烯纤维丝为50～65 元,按每立方米混凝土加入0. 9 kg 改性聚丙烯纤维丝计,每立方米混凝土单价增加50 元左右,这比钢纤维混凝土的价格低得多。许多国内外文献都指出聚丙烯纤维混凝土与钢纤维、钢筋网比较的经济性。在我国的条件下,以桥梁、高速公路路面,采用厚65 mm 的耐磨、防寒、抗裂的铺装层为例,对聚丙烯纤维混凝土、钢纤维混凝土和用钢丝网加固的面层进行比较。则每平方米铺装层材料价格分别为人民币9. 6 元、29. 3 元、26 元。说明聚丙烯纤维是最经济的。这当中尚未涉及其他种材料在运输、安装过程所增加的费用和施工中增加的麻烦。用于喷射的聚丙烯纤维混凝土,其回弹损耗比喷射普通混凝土少得多。3 聚丙烯纤维混凝土的施工方法

在混凝土中掺入聚丙烯纤维极为方便,无须改变原设计混凝土的配比,也不取代原设计的受力钢筋。一般情况下每立方米现浇混凝土掺入量为0. 6 ～1.2 kg, 纤维长度为15～19 mm 。聚丙烯纤维在加入干料(砂石、水泥等) 之后,加水之前投入。搅拌时间视搅拌方法、搅拌机种类而异,可以与不加聚丙烯纤维搅拌时间基本相同或稍稍延长。此外,聚丙烯纤维总表面积很大,它的表面要吸附水,因此聚丙烯纤维的加入会增加拌合料的粘稠度,降低塌落度。如果发现施工浇注有困难时,一般不宜增加用水量, 而应采用塑化剂或减水剂。由于聚丙烯纤维能保持水分,泌水速度减缓,因此收面工序宜适当推后,应比普通混凝土更接近终凝时再进行。此外,由于聚丙烯纤维混凝土具有较大的粘稠性,比普通混凝土更适合于滑模施工。对于预制混凝土制品施工时, 聚丙烯纤维混凝土也可减少搬运时的损坏。

根据聚丙烯纤维混凝土的特性,它在水利水电工程中主要可以用于下列结构部位。

在水电站主厂房的水下结构中,普通混凝土通常因微裂纹或开裂而降低了防渗能力,使主厂房下层十分潮湿,影响机电设备正常运行。而聚丙烯纤维混凝土因其抗渗能力强,目前在上海等地高层建筑的地下室有大量成功应用经验,可借鉴用以解决水电站主厂房下层潮湿问题。国外已经在许多诸如水池、水利工程及海岸工程等对抗裂防渗有较高要求的混凝土构筑物中,采用了聚丙烯纤维混凝土,既

抑制了混凝土的塑性龟裂,又提高了抗渗性能,对薄壁结构尤为适宜。

聚丙烯纤维混凝土目前得到最广泛应用的场合主要是面支承平板结构,水电站的消力池、护坦、船闸底板等都属于面支承平板结构一类的底板混凝土。厚度大多较小,常和基岩直接接触,混凝土浇筑后因基岩约束,容易发生裂缝。聚丙烯纤维混凝土因其干缩量小,初凝时的塑性收缩微裂纹得到抑制, 因此可以减轻这类底板混凝土开裂问题。在常规设计中,为了防止表面收缩裂缝,往往设置了表层分布钢筋网。由于钢筋网中间距一般为15～20 cm, 因各种原因,有时实际起不到防止混凝土表面裂缝的目的。采用一定掺量的聚丙烯纤维混凝土来替代钢筋网可能是一个经济有效的措施,也大大简化了施工,加快了进度,很值得进行试验研究。

滑模施工的堆石坝面板也是一种板式结构,而长度达数十米至一、二百米,易产生裂纹。堆石坝面板是挡水结构,过多的裂纹引起渗漏水量过大,对工程有害。聚丙烯纤维混凝土能减轻或防止开裂从而提高防渗性能,是特别适宜应用于面板。浙江白溪水库工程,堆石坝坝高124 m, 在作了大量室内试验和在现场工艺性试浇基础上,在2000 年9～12 月份进行二期面板聚丙烯纤维混凝土的滑模施工,检查发现裂缝较未掺聚丙烯纤维的一期面板少得多,而且宽度较细。蓄水至高水位后大坝实测渗漏量仅为5～6 L/ s 。

聚丙烯混凝土有较高的粘稠性,很适宜用于喷射混凝土。喷射聚丙烯纤维混凝土与喷射普通混凝土比较,能显著减少回弹损失,增加一次喷射厚度, 提高生产能力,降低总成本,并能防止产生裂纹。可用于隧道支护、护坡工程、建筑物穹顶和拱桥底部修补喷浆、水池及筒仓结构的预应力绕丝喷浆护面等。1985 年瑞典国家研究院对掺加钢纤维、聚丙烯纤维的喷射混凝土和普通喷射混凝土作了对比试验。结果加纤维的喷射混凝土比不加的抗压强度高34 %, 抗弯强度高46 % 。在矿山加固等工程应用中实际回弹量为:没加纤维为25 %, 加钢纤维为10 % 。加聚丙烯纤维为4%～5% 。Morgan 等人的试验, 采用含量为4～6 kg/ m3 的聚丙烯纤维高粉煤灰(占胶凝材料的63 % 左右) 混凝土进行喷射混凝土试验,从喷射层上取的试样试验结果,不掺聚丙烯纤维的混凝土基本上不具备韧性指标,而两种含量的聚丙烯纤维混凝土则均能达到ASTM 试验规范要求, 开裂后的残余强度系数达到0. 33～0. 55 。

在工程应用方面,美国亚利桑那州的运河防洪工程加固所用的喷射混凝土,全部用聚丙烯纤维取代金属丝网,喷射厚度为100～150 mm 。香港新隧道工程出于环保、电力和商业要求,用聚丙烯纤维取代钢纤维,喷射混凝土厚度75 mm, 效果非常好。菲律宾的某隧道用聚丙烯纤维混凝土加固洞门仰坡和作洞内初期支护,都很成功。我国的引黄工程和铁道工程中采用了喷射聚丙烯纤维混凝土作为边坡防护。根据他们的经验,聚丙烯纤维混凝土在边坡稳定的效果上优于喷射普通混凝土。

水利水电工程的溢流面、泄洪洞、消力池、溢洪道泄流槽、闸门门槽以及排沙孔道都有高速水流冲刷、磨损和气蚀问题,特别当水流中掺有泥沙时,问题更为突出。为提高这些部位的混凝土抗冲蚀磨损能力, 以往的工程措施是采用高强度混凝土、硅粉混凝土和钢纤维混凝土等。不但工程造价高,而且高强度混凝土、钢纤维混凝土和硅粉混凝土施工都较困难。利用聚丙烯纤维混凝土良好的抗冲磨性能用于上述工程部位是合理的选择,还可以不必提高混凝土标号。

国内外在公路工程中采用聚丙烯纤维混凝土已有大量成功实例,工程建设实践证明聚丙烯纤维混凝土有良好的抗磨损和抗冲击疲劳特点,在高速公路上应用比普通混凝土路面使用寿命增加5～10 年。大中型水利水电工程往往要装备重型或超重型汽车,对现场施工道路路面要求抗磨、抗裂、抗冲击。普通混凝土路面耐久性差,而钢纤维混凝土路面造价甚高,而且还有磨损轮胎问题。用聚丙烯纤维混凝土铺设路面,可以满足大中型水利水电工程在施工期的施工运输要求。天荒坪抽水蓄能电站后期用聚丙烯纤维混凝土浇筑了数千平方米的厂区道路, 至今未发现开裂。小湾水电站也已开始大量用于混温骤降到-8 ℃,过后检查和通车运行后检查未发凝土路面工程中。现任何开裂。三峡大坝120 栈桥铺垫层已用聚丙烯

用聚丙烯纤维混凝土作桥梁工程桥面铺装层可纤维混凝土代替钢纤维混凝土,节省了投资。有效地抑制和减少裂缝,增强桥面的防水性和抗破国际上合成纤维混凝土已有20 多年的发展历碎能力,减缓钢筋锈蚀和延长结构的寿命。山东济史。除了聚丙烯纤维外,还有高模量聚乙烯、丙烯酸青高速公路一桥面混凝土出现严重破碎,1996 年用纤维、聚酯纤维等,有些试验证明这些纤维在相同掺聚丙烯纤维混凝土修复,10 d 后恢复使用,效果良量下,工程性能优于聚丙烯纤维,但因价格性能比, 好。郑州市政当局从1996 年开始,以聚丙烯纤维混大量应用的还是聚丙烯纤维。我国聚丙烯纤维混凝凝土取代金属网作公路、桥梁路面的加强结构。浙土的应用比国外落后了近20 年,虽然近年来在我国江富阳中埠大桥是320 国道上的富春江大桥,桥面这一材料的应用也得到了较快的发展,但由于进口铺装层为C50 钢纤维混凝土。我们和设计、施工、的纤维价格昂贵,限制了它的使用范围,使得这一新建设单位及监理商定少量试用国产改性聚丙烯纤维技术不能得到长足地发展。目前国内已研制出改性代替钢纤维,并作了室内混凝土对比试验。1999 年聚丙烯纤维,其价格只相当于进口纤维价格的1/ 2 12 月30 日在富阳中埠大桥22 号桥段下游侧桥面～1/ 3 。白溪水库二期面板全部用国产改性聚丙烯铺装层用国产改性聚丙烯纤维混凝土浇灌了120 纤维浇筑混凝土的成功经验,为我国水利水电建设m2 ,次年元月8 日出现30 年不遇的大寒潮,当地气推广应用开创了良好的局面。