改性聚丙烯纤维混凝土在高冻胀地区渠道护砌中的应用

李钟杰，王宇霆，董建伟

（1．吉林省和龙市水利局，吉林 和龙 133500；2.长春市绿园区财政局，吉林 长春 130012；3．吉林省水利科学研究院，吉林 长春 130022）

1 吉林省研究与应用概况

1）研究状况。吉林省在水利工程中应用改性聚丙烯纤维混凝土技术始于1998年，当时在梅河口市进行了改性聚丙烯纤维混凝土-复合防渗膜渠道防渗工程试验，该渠道防渗工程也成为全国水利行业首个采用改性聚丙烯纤维混凝土技术工程，2001年通过了吉林省科技厅组织的科研成果鉴定。

2）存在问题。改性聚丙烯纤维混凝土渠道防渗技术在总体上获得了较好效果，但在土壤持水性较强的梅河口地区，仍有多处依旧出现了冻胀破坏的现象，表现为预制安装的混凝土板脱落，现浇混凝土板在水位上方一定高度（浸润线受阻区域）胀开。表明在这种应用条件下，改性聚丙烯纤维混凝土护砌并未达到渠道抗冻效果。

2 应用误区

1）单纯采用改性聚丙烯纤维混凝土护砌，并不能提高渠道的抗冻融能力。经特殊改性的聚丙烯纤维掺入到混凝土中后，可提高混凝土的抗冻融能力。但表面护砌材料抗冻融能力的提高，并不代表着被保护土体抗冻能力也提高。吉林省渠道防护材料均为非保温型，渠道冻胀发生在边坡土体内，与采用的护砌材料关系不大。

也有人认为：改性聚丙烯纤维混凝土护坡面下的土体冻胀后，在春季回暖期可以复位。事实上，土壤受冻融破坏后，自然坡比一般稳定在1∶5～1∶10左右，而渠道边坡一般在 1∶1.5～1∶2.5，故在春季回暖后，必将发生含水率较高的融化冻土向下流动现象，不会恢复到冻胀前的坡比，在边坡较高时，常造成混凝土板块在渠道边坡浸润线出漏点，附近上端因冻土的流动而掏空凹陷、下端被流土胀起乃至脱落的现象。

2）纤维选择不当。①改性与非改性纤维的混淆，这是由于一些单位不了解改性纤维技术特点的缘故。改性聚丙烯纤维主要有以下技术特点：增加了纤维韧性。改性纤维较非改性纤维挺直、无卷曲、宜分散；增加了纤维容重。改性前的纤维容重0.91 g/cm3，漂浮在水面；改性后容重不小于1.0 g/cm3左右，外观光亮，在水中呈半悬浮状，易分散到混凝土中；增加了纤维的物理力学性能。改性纤维抗拉强度、弹性模量均较非改性纤维增加。②纤维普遍较长，纤度较大，用量偏多，降低了应用效果。

纤维在混凝土中应当有较好的乱向分布，因此以细、短为宜，用量一般在0.9～1.0 kg/m3。吉林省最初试制并选择的纤维一般为纤度7-8dtex左右、长度10 mm。在混凝土中的分布密度达到12 500万根/m3。但目前国内厂家提供的纤维普遍较长、纤度较大、用量偏多，纤度9 dtex,长度普遍在19 mm，掺量往往达到 1.2～2.0 kg/m3。

较长的纤维可减少厂家切割纤维成本，但纤维在混凝土中的分布密度却大大降低，若同按8 dtex计，19 mm纤维的分布密度只有6 579万根/m3，较10 mm纤维减少了47%。计算比较如表1。

表1 不同长度纤维分布密度比较表

改性聚丙烯弹性模量小于混凝土，当纤维量增加到一定程度，将导致混凝土强度受损。相关材料的抗拉强度、弹性模量比较见表2。

表2 相关材料力学性能比较表

纤维的用量与纤维的长度、纤度有密切关系。如果在纤维长度同为10 mm的条件下，达到12 500万根/m3的分布密度时，若采用5 dtex的纤维，需要0.625 kg；若采用3 dtex的纤维，则仅需要0.375 kg。

吉林省水利科学研究院曾进行过在恶劣养护条件下的水泥净浆板抗裂能力试验，表明采用纤度（最小为 3 dtex）、长度均较小（3～4 mm）的纤维，掺量在0.3 kg/m3时，仍获得较好的阻裂效果，表面裂纹明显少于不加纤维的水泥净浆板。

3）改性聚纤维并不都能够提高混凝土的抗冻融能力。美国有关企业在采用特定的纤维（杜拉纤维）进行混凝土抗冻融实验时，曾达到F200-F300的效果，而国内生产的纤维却很难达到。其主要原因之一，是未按照混凝土抗冻融的基本原理选择纤维。

事实上，并不是所有改性聚丙烯纤维都能改善混凝土的抗冻性能。纤维能否达到增强混凝土抗冻能力的效果，与纤维的长径比、纤维表面处理的方式有关。当纤度较小、长度较短时，纤维可产生与引入混凝土中的微小气泡类似的作用；而杜拉纤维表面增加的硅烷偶联剂，可使纤维周边强度增加，相当于增加了气泡壁强度，因此改善了混凝土抗冻性能。

3 建议

1）开展抗冻融改性聚丙烯纤维混凝土的研究。据了解，目前国内鲜有开展类似研究的报道，主要原因是：若基本弄清不同纤度、长度甚至不同组分、不同材质的纤维对混凝土抗冻融能力的影响，需要大量的、长时间的试验分析，试验成本和费用昂贵；纤维的表面改性材料价格不菲，使用条件相对复杂。但此项研究却具有重要意义，目前采用的引气剂在提高混凝土抗冻融能力的同时，损强作用也较明显；而适量采用改性聚丙烯纤维时，则可在提高冻融循环能力的同时，避免损强现象，同时增加混凝土的综合性能。

2）进一步科学地开展冻胀型渠道防护技术研究。目前对高冻胀地区的渠道防护技术研究与应用并不都是很成功的。其失败之处在于单纯期望凭借表面防护材料解决渠道的冻胀问题，忽略了渠道冻胀产生于边坡土壤内部含水率较高、土壤受冻产生体膨胀这一基本原理。因此，宜在研究技术可行、经济合理、经久耐用的渠道防护材料的同时，更应当结合冻胀型渠道边坡土壤冻融机理，进一步研究出科学、适用的防护技术方式。

3）开展改性聚丙烯纤维混凝土的应用后评价工作。改性聚丙烯纤维混凝土在吉林省水利工程应用领域包括渠道防渗护砌、堤防护砌、水库溢洪道及旧涵闸补强等。在取得成功效果的同时，也应当开展改性聚丙烯纤维混凝土的应用后评价工作，总结失败的教训，改善技术方法，使这项技术在水利工程中得到科学、合理的应用。

［1］（英）内维尔.亚当编，杨顺喜等译.《国际材料与结构试验室联合会一九七五年会议文集∶（纤维增强水泥与混凝土第1册）［C］.北京：中国建筑工业出版社,1980，12.

［2］董建伟，等.改性聚丙烯纤维混凝土及其应用［J］.吉林水利，2000（9）.

［3］龚益，等.纤维混凝土与纤维砂浆施工应用指南［M］.北京：中国建材工业出版社，2005.

［4］白国庆，董建伟.改性聚丙烯纤维影响混凝土抗压强度机理初探［J］.吉林水利，2005（6）.