聚合物纤维混凝土在达开水库灌区渠道防渗中的应用研究

刘鲁强

(广西壮族自治区水利科学研究院，广西 南宁 530023)

1 工程概况

达开水库位于广西贵港市和武宣县交界的黔江支流马来河中游，设计灌溉面积3.48万hm2，其中西总干渠长20.60km，设计灌溉流量 22.70m3/s，设计灌溉面积2.48万hm2，是一座以灌溉为主，兼顾发电、防洪效益的大型水库。达开水库灌区建于1966年，渠道已多处老化失修，渗漏严重，实际过流能力降低，灌溉面积减少。在灌区续建配套与节水改造工程设计中，渠道防渗采用三面混凝土衬砌，衬砌断面为梯形，梯形底宽为 5.40m，边坡为 1∶1.5，设计水深为 2.80m，防渗衬砌厚度为10cm。渠道防渗混凝土设计指标为强度等级C15、抗渗等级W6。

由于西总干渠防渗衬砌混凝土防渗渠段混凝土防渗衬砌厚度比较薄，且渠道防渗线长面广，混凝土养护条件较差，加之渠基土方填筑往往难以达到设计要求等原因，目前均出现了不同程度的裂缝，尤其是填方渠道(见下页图1)。裂缝不仅加大了渠道的渗漏损失，降低了工程效益，而且使混凝土耐久性降低，影响了工程的使用寿命。基于此，本文提出采用聚合物纤维混凝土进行西总干渠渠道施工的防渗方案［1-3］，取得了良好的技术经济效果。

2 试验研究及成果

2.1 试验原材料

a.水泥:为525号普通硅酸盐水泥，其物理和化学指标均符合国标《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》(GB 175—92)要求。

b.骨料:粗骨料为石灰岩人工碎石(二级配)，细骨料为河砂。河砂细度模数3.20、含泥量1.20%、表观密度2610kg/m3，碎石表观密度2660kg/m3，粗、细骨料的其他品质均符合规范要求。

c.聚合物纤维:聚合物纤维是一种以人工聚合的高分子材料(聚丙烯、聚乙烯等)为主要原料，以多种添加剂为辅料制成的合成纤维。根据其生产过程不同可分为2种，即单丝纤维和网状纤维。为了比较不同品种纤维对混凝土性能的影响，本文选用2种聚合物纤维，一是国产单丝纤维，二是进口网状纤维。

2.2 配合比设计

本文配合比是在达开水库灌区渠道防渗混凝土推荐配合比［4］基础上掺用2种聚合物纤维(即单丝纤维和网状纤维)，纤维掺量分 0、0.50、0.90、1.20、1.50(kg/m3)五个等级。为保持未掺纤维前的混凝土坍落度，在不改变混凝土配合比的前提下，采取掺减水剂的措施来保持原混凝土坍落度。聚合物纤维混凝土配合比见表1。

表1 聚合物纤维混凝土配合比

2.3 拌和工艺

聚合物纤维的分散性是保证纤维混凝土质量的前提，如何通过合适的拌和设备和工艺使聚合物纤维在拌和过程中不成团，并能均匀地分散于新拌混凝土拌和物中，是聚合物纤维混凝土拌和的技术关键。不同拌和设备和工艺对聚合物纤维分散性的影响试验结果如下:

a.单丝纤维混凝土。采用自落式搅拌机或强制式搅拌机、随意的投料顺序，拌和3min，得到的拌和物聚合物纤维均分散均匀。这是因为聚合物纤维具有良好的亲水性，团状的单丝纤维遇水自行分散，因此不同的拌和设备和工艺对单丝纤维的分散性影响不大，只需适当延长拌和时间。

b.网状纤维混凝土。采用自落式搅拌机，无论拌和时间多少都无法使网状纤维撕开并分散均匀，必须采用强制式搅拌机搅拌才能使网状纤维撕开并分散均匀。这是因为网状纤维呈束状，纤维之间有横向连接，遇水不能自行分开，必须在一定的外力冲击作用下，网状纤维的“网”才能打开，由束状变成网状，从而在混凝土中分散均匀。网状纤维混凝土采用强制式搅拌机、随意的投料顺序，拌和5min，得到的拌和物聚合物纤维分散均匀。

2.4 试验结果分析

聚合物纤维混凝土28d龄期的强度、变形和耐久性能试验结果见下页表2，其中抗渗性能采用一次加压法［5］(压力为0.8MPa)，恒定24h 得出的渗水高度来评定。聚合物纤维混凝土早期硬化阶段的抗裂性能试验采用自行设计的约束法进行，即将试件浇筑于尺寸为900mm×600mm×20mm的木模中，木模底板与内侧铺塑料薄膜，以防木模吸水，在木模的厚度中间固定15mm×15mm钢丝网，以形成对混凝土收缩变形的约束。在室内浇筑后不养护，立即用电风扇(风速约5m/s)吹试件表面，加速试件表面水分蒸发，连续吹24h后，测定试件表面的裂缝长度来评定抗裂性能。采用砂浆试件，砂浆配合比中水泥、砂和水的比例与表1中 S-1、S-3和A-2的配合比相同，抗裂性能试验结果见表3。

表2 聚合物纤维混凝土强度、变形和耐久性能

表3 聚合物纤维砂浆抗裂性能

从表2可以看出:ⓐ混凝土掺入聚合物纤维后，其抗渗性能和强度性能明显提高，变形性能显著改善，聚合物纤维掺量在0.50～1.20kg/m3时，抗拉强度提高13% ～38%，抗折强度提高5% ～12%，抗压强度提高7% ～28%，抗渗性能提高11% ～64%，极限拉伸值提高17% ～45%，弹性模量降低4% ～5%;ⓑ纤维的掺量对混凝土的强度、变形和抗渗性能有显著影响，随着纤维掺量的增加，混凝土强度和抗渗性能随之提高，极限拉伸值亦随之增大，纤维掺量在0～0.90kg/m3时，混凝土强度、抗渗和极限拉伸值增加的幅度较大，纤维掺量超过0.90kg/m3时，增幅较为平缓，当纤维掺量超过1.20kg/m3时，由于难以振捣密实，各项性能呈下降趋势;ⓒ纤维的品种对混凝土的强度、变形和抗渗性能亦有显著影响，在纤维掺量相同的条件下，网状纤维混凝土的各项性能均优于单丝纤维混凝土。

从表3可以看出，混凝土掺入聚合物纤维后，有效减少了混凝土塑性收缩裂缝的产生，提高了混凝土抗裂性能。纤维掺量为0.90kg/m3时，单丝纤维混凝土裂缝减少65%，网状纤维混凝土裂缝减少79%，网状纤维混凝土抗裂性能优于单丝纤维混凝土。

3 现场应用

3.1 施工配合比

达开水库灌区渠道防渗混凝土工程施工具有线长面广的特点，工程量分散，而且网状聚合物纤维依赖进口，价格较贵，为国产单丝聚合物纤维价格的2～3倍，因此，综合比较性能、价格和施工等因素，渠道防渗宜采用国产的单丝聚合物纤维，纤维掺量宜采用0.90kg/m3。经现场试验调整确定的聚合物纤维混凝土施工配合比见表4。

表4 聚合物纤维混凝土施工配合比

3.2 施工工艺

3.2.1 拌和

采用容量为0.4m3的自落式搅拌机拌和，为了便于计量，每拌混凝土按0.20m3(一袋水泥)配料。砂、石和水称量由重量换算成体积，分别用斗车和盛水桶量测。聚合物纤维和减水剂按每次拌混凝土所需用量由厂家出厂时秤量包装，聚合物纤维每袋0.18kg，减水剂每袋0.31kg，各种材料均设专人投放，并做好记录。为了防止聚合物纤维漂失，按“石→聚合物纤维→水泥→砂→水”的投料顺序，湿拌3min。

3.2.2 运输及浇筑

渠基填土经过压实并洒水浸润后，采用自卸式手拖和人工手推车运输混凝土至渠道上，利用溜槽将混凝土输送到渠道底面，然后采用人工铲运将混凝土由下往上铺设在渠坡上，经过人工平仓后，采用表面式振荡器振捣，振捣渠坡混凝土时，上行振动下行不振动，振动时间以混凝土表面完全泛浆时为准，振捣完成2～3h后进行人工收面，使纤维混凝土衬砌表面平整光滑。

3.2.3 养护

受施工条件限制，采用人工洒水养护，纤维混凝土浇筑完毕达到终凝(6～8h)后，定时人工洒水养护方式，养护7～10d，保持混凝土表面湿润。

3.3 质量检测评定

3.3.1 性能检测

采取在机口随机抽样的方法，对纤维混凝土各项性能进行检测，检测结果见表5。从表5可以看出，纤维混凝土各项性能均满足设计要求，符合规范规定。

表5 聚合物纤维混凝土性能现场检测结果

3.3.2 裂缝检测

聚合物纤维混凝土防渗衬砌浇筑后一个月内，经检测未发现任何裂缝。在渠道输水运行5年后，渠道临时干涸，对相邻同时施工的纤维混凝土防渗渠道和普通混凝土防渗渠道各取200m渠段进行观测对比。观测结果显示:由于渠基填土质量难以保证，混凝土养护条件差，普通混凝土防渗渠段出现了较多裂缝，其中贯通整个浇筑块的裂缝就有5条，缝宽在0.60mm以上，裂缝总长度达36m，见图1。在相同施工条件下，纤维混凝土防渗渠段仅出现2条短裂缝，宽度很小，属发丝裂缝，裂缝总长度仅3.50m，见图2。裂缝检测结果表明，纤维混凝土防渗渠道比普通混凝土防渗渠道裂缝减少90%，聚合物纤维对减少混凝土裂缝效果显著。从图1和图2还可以看出，纤维混凝土表面平整光滑，普通混凝土表面粗糙呈麻面，部分砂石裸露，纤维混凝土的抗冲磨性能比普通混凝土显著提高。

图1 普通混凝土防渗渠道

图2 纤维混凝土防渗渠道

3.4 渠道渗漏测验

渠道输水运行5年后，采用静水法［6］对纤维混凝土防渗渠道和普通混凝土防渗渠道进行渗漏测验对比分析。在相邻施工条件相同的两类防渗渠道上，各选择一段具有代表性的渠段作为渠道渗漏测验段。测验段长40m，测验水深2m，渗漏平衡区长10m，渠基土类均为含砾黏土，渠床均为回填式。渠道渗漏测验结果见表6。

表6 渠道渗漏测验结果

检测结果显示，在渠道防渗衬砌厚度减少20%的情况下，纤维混凝土防渗渠道的稳渗强度比普通混凝土防渗渠道降低22%，纤维混凝土防渗渠道的渗漏损失明显低于普通混凝土防渗渠道。

4 结语

a.渠道防渗混凝土掺用聚合物纤维，可以有效地减少塑性收缩，改善变形性能，提高抗裂性能、抗渗性能和耐久性能。纤维掺量在0.50～1.20kg/m3时，在保持水灰比不变的前提下，混凝土抗压强度提高7%～28%、抗拉强度提高13% ～38%、极限拉伸值提高17%～45%、弹性模量降低4% ～5%、抗渗性能提高11% ～64%、抗裂性能提高65% ～86%。

b.网状纤维混凝土性能优于单丝纤维混凝土，但网状纤维混凝土需要强制式搅拌机搅拌，拌和时间长，施工要求高，且网状纤维价格较贵，对于渠道防渗宜采用单丝纤维混凝土，纤维适宜掺量为0.90～1.20kg/m3。

c.达开水库灌区渠道防渗衬砌工程采用单丝聚合物纤维混凝土，解决了渠道防渗衬砌混凝土易开裂、易冲磨、耐久性低的问题，在渠道防渗衬砌厚度减少20%、工程投资基本不增加的情况下，渠道裂缝减少90%，渠道渗漏损失降低22%，工程使用寿命得到延长，经济效益显著，值得推广应用。

［1］吴中伟.纤维增强—水泥基材料的未来［J］.混凝土与水泥制品，1999(1):5-6.

［2］戴建国，黄承逵.网状聚丙烯纤维混凝土的试验研究［J］.混凝土与水泥制品，1999(4):35-38.

［3］朱江.聚丙烯纤维混凝土在路面工程中的应用研究［J］.混凝土，2000(9):8-10.

［4］刘鲁强，等.达开水库灌区渠道防渗混凝土配合比设计试验报告［R］.广西水利科学研究院，2001.

［5］SD 105—82水工混凝土试验规程［S］.

［6］SL 18—2004渠道防渗工程技术规范［S］.