聚丙烯纤维在混凝土渠道衬砌工程中的应用

□ 孟维宾 袁龙波

随着我国灌溉排水制度向节水、高效和环保方向的不断发展，各种节水灌溉技术也正在不断推广和应用。近年来，虽然喷灌、滴灌等现代灌溉技术有了较大的发展，但当今灌溉的发展趋势仍是以地面灌溉为主。因此作为提高灌溉水利用系数主要措施的渠道防渗，也必然在今后灌区建设或改造中得到普及，它是灌区实行节约用水，建立高产稳产基本农田，提高经济效果的重要而有效的技术措施。

因受冰冻的影响，北方的渠道防渗工程主要采用混凝土衬砌的方法。这种方法的优点是糙率小，抗冲能力强，防渗效果好，可减少水渗漏量达80%以上；但在使用年限上各地存在着较大的差异，特别是冻害严重地区，加上施工质量控制不严，衬砌渠道使用1～2年后，混凝土表皮即发生剥落破坏。因此，如何提高渠道衬砌混凝土的使用寿命有着重大意义。

自从混凝土成为人类主要建筑材料的那一天起，工程技术人员对提高混凝土各项功能措施的研究就从来没有中断过，降低水灰比、采用外加剂、加强养护、减少施工缺陷等等。笔者认为，在寒冷的北方地区，混凝土中掺加专用的混凝土纤维，对渠道衬砌混凝土各项功能指标的提高有着更加显著和特殊的作用。

一、改善混凝土的和易性

现浇混凝土渠道边坡往往做到1：1.5或者1：1，因此护坡混凝土的浇筑往往对混凝土和易性要求较高，由于在坡上浇筑，由水灰比控制的混凝土坍落度往往很小，平仓困难，坍落度太大则不能满足水灰比要求或者坡面发生沁水带走灰浆等现象，在混凝土中添加低掺率的聚丙烯纤维后，能够降低坍落度，并使和易性得到改善。由于纤维抑制了混凝土内部的自由水蒸发，乱向均匀分布在混凝土中的大量纤维起到了所谓承托骨料的作用，降低了混凝土表面的析水与集料的沉降，大大增加混凝土的粘聚性和保水性，改善表面混凝土的质量。

二、提高预制混凝土板的强度和质量

我们知道，为了缩短渠道衬砌施工工期和提高渠道衬砌的质量，大多数渠道的混凝土衬砌均采用加工厂预制混凝土板，然后再运送到现场进行安装。由于混凝土板设计强度不高，没有配置钢筋，加上拆模堆放、运输、二次倒运、安装校正等过程，往往会造成预制板断裂、边角受损或缺失，影响防渗效果。虽然许多测试已经表明，小试件混凝土中掺加纤维对混凝土的强度无显著影响，但却能够使混凝土的抗冲击能力和韧性显著提高。聚丙烯纤维加入到混凝土原料中，在搅拌机的搅拌下，受到水泥、砂石料的冲击混合，成束的纤维会被分散成大量的纤维，以三维的方式均匀分布于混凝土中，例如：每立方米0.9kg（纤维长度19mm）纤维掺量的混凝土中，每立方厘米体积内将分布有7根纤维。试验表明，均匀分布的纤维在混凝土中能够起到牵扯约束的作用，增强介质材料连续性，减少冲击波被阻断引起的局部应力集中，承担了部分破裂能量，能够使混凝土的韧性比普通混凝土提高约40%，抗冲击能力提高1倍，这将对预制混凝土板保持整体性，保持边角、表面的完成起到很大的作用。

三、提高喷射混凝土的疲劳强度，减少回弹损失

在渠槽地基基础地质条件较好的地区可以采用喷射混凝土衬砌的方式。

在喷射混凝土中掺入聚丙烯纤维，能大大提高其粘稠性，显著减少回弹损失。对比试验表明，掺加纤维的喷射混凝土比普通喷射混凝土抗压强度提高34%，抗弯曲强度提高46%，回弹率仅为普通混凝土的20%。

四、提高衬砌混凝土的耐久性，延长使用寿命

由于渠道衬砌混凝土的特殊工作条件和环境决定着它对耐久性的要求要远高于对强度的要求，特别是严寒地区，渠道防渗工程中混凝土最大水灰比主要由抗冻等级和防渗等级控制，而不是由强度等级控制。比如一般黑龙江省混凝土渠道衬砌基本要求：强度等级C15，抗冻等级F150，采用32.5水泥，C15混凝土要求水灰比小于0.65，而F150则要求水灰比小于0.52。而掺加聚丙烯纤维对混凝土耐久性的提高将起到非常关键的作用。我们知道，正常配制情况下，混凝土的密实度、孔隙率、孔隙结构、裂缝等对混凝土的耐久性起着决定性的作用。将聚丙烯纤维掺入混凝土，由于纤维微细，比表面积大，分布密集，能在混凝土内部形成一种乱向支撑体系，所以能够极有效的控制混凝土的早期塑性收缩、干缩等非结构性裂缝的产生和发展，有效阻碍骨料的离析，阻碍沉降裂缝的形成，从而大大提高了混凝土的抗渗性。在混凝土中加入聚丙烯纤维，可以缓解温度变化引起的混凝土内部应力，阻止温度裂缝的扩展，提高混凝土的抗冻性。同时，混凝土抗渗性的提高，也有利于混凝土抗冻性和抗侵蚀性的提高，据试验研究表明，0.9kg/m3纤维掺量的混凝土其抗渗能力比普通混凝土提高60%～70%，并大幅度提高混凝土的抗冻和抗侵蚀能力。

五、提高渠道衬砌混凝土抗磨能力

水滴石穿，由于混凝土衬砌渠道中长期流水作用，特别是含沙量较高、流速较大的渠道，混凝土的耐磨性能是不可忽视的，如果耐磨能力差，必然影响到渠道衬砌的使用寿命；根据国外公路实验室的模拟抗磨试验结果表明，加入聚丙烯纤维的混凝土抗磨能力提高52%，南京水科院采用不同的试验方法也证实了聚丙烯纤维有较好的抗磨损性能，因此掺加纤维的混凝土能增加渠道衬砌的抗磨能力。

综上所述，掺加纤维对增强混凝土的早期抗拉强度，防止早期由沉陷、水化热、干缩而产生的裂纹，减少表面裂缝和开裂宽度，增强混凝土的抗渗性能、抗磨损抗冲击性能以及增强结构整体性有显著的作用。

同时，纤维混凝土是一种新型的建筑材料，它将合成化学纤维与传统的混凝土有机结合在一起，进入我国时间尚短，还没有形成明确的规范，对纤维本身的各项指标、生产工艺，各种应用条件下的纤维掺量、纤维掺加拌合方法、时间，以及相应掺量下对混凝土的耐久性能力提高的确切指标数据等进行明确规定，但是随着纤维混凝土应用的不断增多，各项试验研究的不断完善，不远的将来聚丙烯纤维必将在各行各业混凝土结构中得到广泛的应用。