聚丙烯纤维混凝土在南水北调工程的应用

2013-03-20单发磊

山东水利 2013年7期

关键词：蜗壳抗渗柔韧性

尚昆，单发磊

（1.山东省第二水利工程局，山东曲阜 273100；2.山东水利工程总公司，山东曲阜 273100）

聚丙烯纤维混凝土在南水北调工程的应用

尚昆1，单发磊2

（1.山东省第二水利工程局，山东曲阜 273100；2.山东水利工程总公司，山东曲阜 273100）

聚丙烯纤维混凝土能有效地增强混凝土的抗冲磨、防裂、防渗、抗冻能力，减少和防止裂纹的产生。本文对聚丙烯纤维在南水北调万年闸泵站钢筋混凝土蜗壳中的实际应用进行介绍，以期为类似工程的施工提供参考。

聚丙烯纤维；混凝土；南水北调

混凝土在塑性及初期硬化阶段极易因收缩产生裂纹，水分便从裂纹中渗入，故其抗开裂、抗冲击能力差，影响混凝土的抗渗和抗冻能力，采用聚丙烯纤维混凝土能有效地解决该问题。聚丙烯纤维混凝土是指在普通混凝土中按照一定的配合比掺入聚丙烯纤维，通过搅拌机搅拌，使纤维受到骨料和水泥的剪切、冲击、分散、碰撞作用，在混凝土中均匀地分布，混凝土的抗磨性、抗冲击性、柔韧性及抗渗性也得到极大的增强。

1 聚丙烯纤维的性能

1.1 抑制混凝土裂纹的产生

和普通混凝土相比，聚丙烯纤维混凝土可以有效地抑制早期离析裂纹和收缩微裂的产生及扩大，并有效地对连通裂缝进行抑制。因混凝土和聚丙烯纤维有很强的结合能力，把聚丙烯纤维加入混凝土中并经搅拌后，聚丙烯纤维可迅速与混凝土混合并均匀分布。这些纤维单丝在内部构成乱向均匀的支撑系统，该支撑系统能有效地聚集骨料，抑制混凝土早期泌水现象的产生，因而防止了沉降裂纹的出现。该支撑系统还可抑制混凝土产生塑性收缩，使混凝土的抗拉强度、韧性得到很大改善，因此在混凝土初凝时，该体系能有效地抑制收缩裂缝和裂纹。

1.2 提高混凝土的抗渗及抗冻能力

因聚丙烯纤维乱向均匀地分布在混凝土中，对骨料起到了承托作用，抑制了混凝土集料的离析及表面的泌水，在混凝土中直径100μm左右的孔隙含量也大大减少，在很大程度上增加了混凝土防水抗渗能力，防止有害介质对受力钢筋和混凝土的锈蚀，延长了建筑物的使用寿命。

1.3 增强混凝土的耐磨损能力

聚丙烯纤维的抗拉强度约200～300MPa，在混凝土中加入聚丙烯纤维，可极大地增强混凝土的耐磨损能力。试验表明：聚丙烯纤维混凝土的磨损率可下降50%～110%，而寿命可延长1倍左右。

1.4 提高混凝土的柔韧性和抗冲击强度

试验表明：聚丙烯纤维可在很大程度上提高混凝土的柔韧性和抗冲击性，和普通混凝土相比，聚丙烯纤维混凝土的柔韧性增加约30%，抗疲劳性能提高约3倍，抗冲击能力增加约1倍。

2 应用实例

2.1 工程概况

万年闸泵站是山东省内的第二级泵站，南水北调工程东线的第八级泵站。泵站设计扬程为5.49m，设计输水量为125m3/s，水泵机型采用5台立式轴流泵，总装机容量1.4万kW。在主泵房的进水、出水流道处，均采用蜗壳钢筋混凝土流道，该流道的单次浇筑量为2000m3左右。在蜗壳内壁加设防渗层，并对钢筋混凝土蜗壳结构进行内力分析，结果显示匹配的钢筋不能满足现行设计规范的限裂要求。因此，钢筋混凝土蜗壳的防渗和限裂成为设计难点之一。

万年闸泵站的混凝土蜗壳是空间结构，其横截面是不规则的梯形。蜗壳侧墙及顶板的应力很大，在进口及角隅处一定范围内有明显的局部应力集中，其最大应力远远高于混凝土的抗拉强度，需要大量

的抗（限）裂配筋及结构配筋，又由于蜗壳结构、结构配筋、浇筑施工、混凝土级配也制约着限裂钢筋间距和直径，故混凝土蜗壳很容易产生裂纹和裂缝。此外，在初期硬化阶段，混凝土的塑性变形、离析、干缩、碳化收缩、温度变化等也是诱发蜗壳混凝土产生裂缝的主要原因。因聚丙烯纤维混凝土具有很好的抗渗、抗裂能力，根据本施工部位的特殊性要求，在同级配、同设计等级的混凝土内加入限（抗）裂的聚丙烯纤维材料，既控制了混凝土产生塑性龟裂，又增强其抗渗能力。

2.2 原材料及配合比

1）水泥：采用普通硅酸盐水泥。

2）纤维：采用网状聚丙烯纤维，直径约0.1mm、长20mm，其性能指标如表1示。

表1 网状聚丙烯纤维性能指标

3）骨料：中粗砂的含泥量小于2%，碎石含泥量小于1%。

4）防冻剂：采用抗冻防渗引气型减水剂DM160。

5）配合比：每立方米材料用量如表2示。其中碎石的中石∶小石为3∶2。

表2 C25F150W6聚丙烯纤维混凝土配合比kg

2.3 浇筑工艺

在对普通混凝土进行投料搅拌时，直接加入聚丙烯纤维，投料顺序为：碎石、硅酸盐水泥、煤灰、纤维、中砂、外加剂。采用JS1000型强制式拌和系统和PLD1600A型自动上料装置，人工加入纤维、外加剂及掺合料，干拌2min使纤维搅拌均匀，再加入其他材料搅拌2min后出料。检验人员在出料口每小时检验一次混凝土含气量和坍落度，要求含气量在5%左右，坍落度在8cm左右。聚丙烯纤维混凝土的振捣、平仓工艺与普通混凝土基本相同，不需要特殊的施工设备和工艺。成型后要对混凝土进行洒水养护，且养护期限要大于28d。

2.4 性能分析

对同一时段浇筑的聚丙烯纤维混凝土和普通混凝土的试块检验结果进行统计，其各项力学性能参数比较和分析结果如下：

1）抗压强度。将聚丙烯纤维混凝土制成45组试块，标准养护，两种混凝土28d时的抗压强度检验结果见表3，由表3可看出纤维混凝土的抗压强度平均值大于普通混凝土8%左右。

表3 两种混凝土的抗压强度统计

2）劈裂抗拉强度。聚丙烯纤维混凝土共制成14组试块，标准养护，两种混凝土28d时的劈裂抗拉强度检验结果见表4。由表4知，与普通混凝土相比，纤维混凝土的劈裂抗拉强度大幅度提高，其28d的平均值提高24.2%，最小值提高19.9%，最大值提高23.7%，增强效果明显，且他们的破坏形式不同，普通混凝土试件自然裂开，无任何黏着力，为脆性破坏；而纤维混凝土试件在劈裂时，外观仍保持完整，纤维从混凝土中拉出，其他部位黏结依然很好。可见纤维可以大大增强混凝土的柔韧性和抗裂性，也克服了混凝土产生脆性损坏。