纤维混凝土在南水北调中线工程总干渠的应用

毛敏飞

（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000）

0 引言

聚丙烯纤维混凝土是20世纪60年代末国外开发的一种新型混凝土材料。它具有能防止裂缝、改善长期工作性能，提高变形能力和耐久性等优点，已广泛的应用于军事、交通、机场、房建、水利工程等领域。20世纪90年代起，我国首先将聚丙烯纤维混凝土应用于道路、桥梁和房建工程并取得了良好的技术经济效果，但很少应用于水利工程，基本上处于试验阶段，最初应用于水利工程的是浙江省宁波市宁海县白溪水库工程，经过运行表明掺入聚丙烯纤维可以明显减少混凝土的收缩和开裂，改善混凝土的变形性能和耐久性，在自然条件下，紫外线长期辐射下不会造成聚丙烯纤维混凝土性能的退化。近年来，水利建设更多更快，在工程质量上也要满足更高建设标准，需要进一步采用新技术、新工艺和新材料。南水北调工程作为国家大型水利工程项目，对高填方段渠道混凝土衬砌采用了ECC纤维混凝土施工，目的是提高混凝土早期抗裂性，减少塑性收缩裂缝。

南水北调中线一期工程总干渠陶岔渠首～沙河南段叶县段工程位于河南省叶县保安镇、旧县乡、常村乡和夏李乡范围内，渠道总长度29.406 km。主要由明渠以及各类交叉建筑物组成，桩号 185+545～209+270、210+130～215+811为明渠段（209+270～210+130段为独立的澧河渡槽设计单元），共布置有各类建筑物60座，其中：河渠交叉建筑物1座，左岸排水建筑物17座，渠渠交叉建筑物8座，交通桥31座，路渠交叉下穿通道1座、分水口门1座、永久管理房1座。本标段位于叶县夏李乡、旧县乡和保安镇，桩号193+500～201+500，全长8000 m。该标段共有各类建筑物17座，其中左岸排水建筑物5座，渠渠交叉建筑物3座，交通桥8座，分水口门1座。渠道设计为梯形断面，渠底宽度为17 m～21 m，渠坡坡比为1∶2.75～1∶2；纵坡比为1/29000，堤顶宽5.0 m。高填方段渠道，设计采用C20F150W6聚丙烯纤维混凝土衬砌，渠坡厚度10 cm，渠底厚度8 cm。

1 试验材料和方法

纤维为北京中纺纤建科技有限公司生产CAT-BY30型混凝土防裂抗裂改性聚丙烯纤维，纤维性能指标见表1。

表1 改性聚丙烯纤维

水泥为天瑞集团南召水泥有限公司生产的P·O42.5，标准稠度用水量为26.7%，比表面积330 m2/kg，3 d抗压强度27.8 MPa，28 d抗压强度51.0 MPa；外加剂:采用上海马贝建筑材料有限公司生产的聚羧酸高性能缓凝型减水剂及PT-C1引气剂；粗集料为方城县杨集乡大河口王家岗王国华石子厂的5 mm～20 mm和20 mm～40 mm的碎石,根据每级骨料所占的不同比例做紧密密度，选择紧密密度最大时的比例作为最佳搭配比例，见表2。

表2 粗骨料不同比例紧密密度试验结果

细骨料为方城县杨集乡大河口黄土岗采石场(南阳白河)的河砂,细骨料性能指标满足规范要求，细骨料筛分结果见图1。

图1 细骨料筛分结果

2 结果与分析

总干渠混凝土设计指标强度等级C20，抗渗标号为W6，抗冻标号为F150。分别对掺入聚丙烯纤维的混凝土的工作性能和耐久性等方面进行对比研究。

2.1 拌合物性能

渠道边坡衬砌混凝土和渠道渠底衬砌混凝土水灰比分别按照0.46和0.44设计，纤维掺量为0.9 kg/m3，粉煤灰超量系数1.2。

表3 拌合物性能

掺加聚丙烯纤维后，单方混凝土用水量较未掺纤维配合比用水量有所增加，所以为保证混凝土的强度，保持水灰比不变，通过增加外加剂的掺量，以保证混凝土拌合物的性能与原配合比相近（流动性、保水性和粘聚性等）。

2.2 力学性能

为比较掺入聚丙烯纤维混凝土力学性能的影响，对比结果见图2。

图2 掺入纤维对混凝土力学性能的影响

从图2可以看出，单位体积混凝土掺入0.9 kg/m3聚丙烯纤维，混凝土的力学性能有一定的提高，7 d强度提高幅度较28 d提高幅度大。聚丙烯纤维混凝土在受压破坏后仍保持一个整体，普通混凝土在受压破坏后形成断碎状。聚丙烯纤维的掺入，改变了混凝土内部结构，使得抗压强度提高。

2.3 早期收缩性能

通过单轴约束收缩试验对比纤维混凝土和普通混凝土的早期收缩性，掺入纤维混凝土的早期收缩抗裂性能提高约15%，是由于聚丙烯纤维本身韧性很好且在混凝土中乱向分布，在混凝土中形成三维支撑体系，抵抗混凝土的干缩应力。再者聚丙烯纤维混凝土的工作性能良好，混凝土泌水较少，使得抗干缩性能提高。

2.4 抗渗性能

对比掺入聚丙烯纤维混凝土和普通混凝土的抗渗性能，掺入聚丙烯纤维混凝土在渗水压力为0.8 MPa时6个试件均未出现渗透，普通混凝土试件中有1个出现了渗透，掺入纤维后混凝土的粘聚性变好，使得抗渗性能提高。

2.5 抗冻性能

掺入纤维和普通混凝土抗冻性能的影响见表4。掺入纤维较普通混凝土的抗冻性能提高，掺入纤维混凝土的含气量增大，缓解了低温循环中静水压力和循环压力，聚丙烯纤维的掺入改变了混凝土的内部结构，减少了内部缺陷的数量，从而提高了混凝土的抗冻耐久性。

表4 掺入纤维对混凝土抗冻性能的影响

3 应用效果

对叶县2标已施工完成的高填方196+600-196+700的左岸和渠底混凝土进行回弹检测，分别检测50个测区，进行统计分析结果见表5。

表5 回弹检测结果

对叶县2标使用聚丙烯纤维混凝土施工的高填方段进行混凝土质量普查。调查裂缝的形式、宽度、长度、发生的部位和分布情况以及其他混凝土缺陷。共发现混凝土裂缝9条，其中6条横缝，2条纵缝，1条三叉缝,均为表层裂缝。本次质量普查情况较好，相比于使用普通混凝土施工的衬砌段裂缝数量明显减少。

4 结语

目前，南水北调中线干线工程叶县2标渠道衬砌施工已全面完成，高填方段聚丙烯纤维混凝土的使用加快了施工进度，提高了混凝土的抗裂性能，保证了工程质量，同时提高了长期经济效益。作为一种新型混凝土材料聚丙烯纤维混凝土具有良好的技术经济指标。可在同类工程中推广应用。