纤维混凝土在水利水电工程上的应用

2012-03-23高文慧张庆陈睿

城市建设理论研究 2012年4期

高文慧张庆陈睿

摘要：纤维混凝土在工业、民用建筑物、公路、桥梁等方面的应用早于水工建筑物的应用。纤维混凝土能大大提高了混凝土的抗裂动能，对防止渗漏起到了良好作用，同时也提高了混凝土的抗折性能。这些优势正是水工建筑物所需要的。为此，在上个世纪末我国的科研人员在三峡大坝中就进行了试验研究，取得了较好效果。纤维混凝土的应用至今仍处在研究推广之中,但它能减少裂缝的发生、提高混凝土抗折性是为大家所公认的。

关键词：水工混凝土防裂研究、纤维混凝土应用、混凝土裂缝防治、新材料应用

Abstract: fiber reinforced concrete of industrial, civil building in, roads, Bridges and the application of early in the application of hydraulic structures. Fiber reinforced concrete can greatly improve the concrete crack kinetic energy, to prevent leakage has the good function, but also improves the concrete flexural performance. The advantage is to hydraulic structures. Therefore, at the end of last century China's scientific research personnel in the three gorges dam is studied, and achieved good results. The application of the fibrous concrete is still in the promotion of research, but it can reduce the occurrence of concrete cracks, improve the flexural sex is known for.

Keywords: hydraulic concrete crack research, fiber reinforced concrete application, concrete crack prevention and control, and new materials

中图分类号：TV431+.3文献标识码：A 文章编号：

1、综述

为了改善普通水工混凝土抗拉强度低、抗冲击性差、脆性大、易开裂、防渗性能差等缺点。满足水工混凝土在面板、溢流面等部位有高强度高韧性的要求，近年来，通过在普通混凝土掺加改性纤维改善上述缺点正受到广泛重视。

聚丙烯纤维是较早研究用于混凝土的聚合纤维，我国在80年代中期以来，聚丙烯纤维混凝土在土建和交通行业上逐渐得到应用。如高层建筑地下室、活水处理厂、高速公路路面、高架桥面、机场停机坪及码头等。由于其良好的性能价格比以及和常规混凝土相同的施工方法，使聚丙烯纤维混凝土得到广泛应用。聚丙烯纤维混凝土用于水工建筑上是在90年代初，在三峡大坝工程中加以研究、试验而逐步推广应用的。聚丙烯纤维混凝土在水工建筑物中能大幅度提高混凝土抗裂能力和改善抗冲击性能，它能改善混凝土的整体性。聚丙烯纤维具有与水泥相溶性好、能经受水泥的侵蚀而自身不受损，耐化学性能好、价格低、不吸水等优点。聚丙烯纤维在水工混凝土中已得到大量使用，已在许多工程中取得了明显效益。

正因为纤维混凝土有上述种种好处和优势，贵州省董箐水电站决定引进采用。董箐水电站是一个大型枢纽水利水电工程。它装机88万KW，主要建筑物为混凝土面板堆石坝、溢洪道、放空洞和引水系统。聚丙烯纤维混凝土主要用于面板、趾板、溢流面及洞内混凝土衬砌部分。

2、聚丙烯纤维性能及实用情况

2.1、专用于水工混凝土聚丙烯纤维参数：

比重：0.9g/cm3耐酸碱性：极高

熔点：165—170oC 安全性：无毒材料

含湿量：0.2% 拉伸极限：≤30%

吸水性：无抗拉强度：≥300MPa

导电导热：极低弹性模量：≥3795MPa

2.2、聚丙烯纤维混凝土的性能

2.2.1、聚丙烯纤维混凝土的抗裂性

由于聚丙烯纤维抑制了混凝土的塑性收缩微小裂纹产生，提高了水工混凝土的整体性。大大减少了混凝土裂缝的产生。试验证明：在水工混凝土中加入体积含量0.1%聚丙烯纤维，裂缝比对照试样分别减少80%以上；砂浆收缩量比对照试样减少30%以上。初步对聚丙烯纤维混凝土减少收缩裂缝的机理认为是：一是认为水工混凝土中加入了聚丙烯纤维后，它降低了混凝土中水分中的迁移，减少了泌水现象，因而减小了体积变化。二是认为聚丙烯纤维的变形模量虽然较低，但却能在混凝土初期（一天内）硬化阶段时的变形模量相当，因而可以有效的抑制开裂。

2.2.2、提高了混凝土的抗渗性

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㎏/m3的混凝土抗渗标号从素混凝土的S10提高到S14 ,聚丙烯纤维混凝土抗渗性好。对水工混凝土起到防止和延缓渗水和水中有害物质对混凝土的侵蚀及对钢筋锈蚀作用，延长了水工混凝土的使用寿命。

2.2.3、提高了水工混凝土抗冲耐磨性

根据南京水科院和长江科学院分别用不同的试验方法进行抗冲耐磨试验。证实了聚丙烯纤维混凝土有较好的抗冲耐磨性。根据挪威国家公路试验室模拟试验，加聚丙烯纤维混凝土抗磨能力提高52%。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能力105%。

2.2.4、抗拉抗折强度

聚丙烯纤维混凝土的抗拉及抗折弯强度有所增加。聚丙烯纤维混凝土试件在压折时，发生类似于钢筋混凝土的多裂缝型折断，折断速度较慢．抗折强度及极限拉伸强度增加约8%～10%，在国外尚有增加抗折弯强度达30%的报道。

2.2.5、抗冲击、抗震及抗龟裂能力

聚丙烯纤维有效地提高了混凝土的抗冲击、抗震及抗龟裂能力。明显提高了混凝土面层的耐磨能力，减少了鳞状、片状剥落等破坏现象。在混凝土内掺人聚丙烯纤维，聚丙烯纤维与水泥基集料有极强的结合力，可以迅速而轻易地与混凝土材料混合，分布均匀；同时由于细微，故比面积大，因而能在混凝土内部构成一种均匀的乱向支撑体系，这种均匀的乱向支撑体系有助于提高混凝土受冲击时动能的吸收。

2.3、董箐水电站趾板混凝土配合比试验及使用情况

鉴于聚丙烯纤维能提高混凝土抗裂和抗渗性能，故在董箐水电站混凝土施工中决定采用。最先采用的部位是混凝土面板堆石坝的趾板及趾板以下10m范围内的喷护混凝土。

3、成果分析：

3.1、产生抗裂极限分析。聚丙烯纤维的特点是：直徑小(10um～100um)、数量多、易分散(和易性好)，但弹性模量较低(3.5GPa～3.8GPa)。在混凝土中常是以较低的掺量(纤维体积率一般小于0.2%，直接投入混凝土拌和物中(实际掺量为0.9Kg/m3),依靠拌和物自身的摩擦和揉搓作用使纤维分散。

在混凝土中掺入改性化学纤维并搅拌后，由于纤维与水泥、砂、石、水等基集料有很强的结合力。可以迅速的与混凝土材料混合，分布均匀。同时由于改性纤维非常细微，表体积大。按0.9 Kg/m3的掺量，则可使每立方米的混凝土中有10～20条左右的纤维丝，它能在混凝土内部构成一种均匀的乱向支撑体系。在混凝土凝结过程中，当水泥基收缩时，由于纤维这些微细联接筋的作用而消耗能量，可以抑制混凝土开裂的过程，有效提高混凝土韧性，有效减少混凝土干缩时引起的微小裂缝。从而达到抗裂的目的和减小渗透的效果。

3.2、成果分析：

以董箐水电站趾板应用纤维混凝土为例，用通常普通混凝土浇筑，按设计块长15米计，由于施工工艺分散性，趾板表面局部总要产生一些细微裂缝，有的裂缝甚至很长，贯通表面(施工缝除外)。而使用改性纤维混凝土后，到目前已浇好的15块(Ⅰ序块8块、Ⅱ序块7块)趾板混凝土中，在养护期间内均未发现大于0.2mm以上的裂缝(部分表面因养护不及时，仍发生表面干缩裂缝，但很细小，不用处理)。从趾板下游10米区喷纤维混凝土的效果分析，掺加了改性纤维的混凝土比未掺的喷护混凝土裂缝的发生要小很多。

4、存在问题是和需要改进的地方

4.1、主要是成本增加(约增加4～5元/m3混凝土)，价格偏高。

4.2、现在生产的聚丙烯改性纤维厂家及品种较多，有的已成淘汰产品，部分产品抗碱性不太好(前期效果明显，后期不明显)。

5、结论：

通过近年来的研究证明改性纤维混凝土能达到防止裂缝的产生，大大提高抗渗能力，通过实践与证明了其效果。在水电水利工程上的应用，也证明了其达到了同样的效果。(在三峡大坝科研和应用过程中，也得到国家专利和奖励)。所以可以肯定的说，改性纤维混凝土用于水电水利工程上是可行的。

参考文献：

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