聚丙烯纤维混凝土在大型渠道衬砌中的研究应用

颜志强 李 峰

中国水利水电第十一工程局有限公司（450001）

0 引言

南水北调中线一期穿黄工程南岸连接明渠总长4628.57m，为深挖方型渠道。渠道过水断面为梯形，设计底宽12.5m，边坡坡度1∶2.25，渠道纵坡1/8000。渠道设计衬砌混凝土板厚度10.0cm。渠道衬砌混凝土板纵、横缝间距一般为4m，横缝通缝、半缝交错布置，纵缝均为半缝。渠道衬砌混凝土强度等级C20W6F150。

渠道混凝土衬砌主要目的是减小渠道糙率，对抗裂、抗渗、抗冻、抗侵蚀性能等耐久性要求较高。衬砌混凝土板具有厚度薄、面积大的特点，防裂问题尤为突出。聚丙烯纤维在混凝土中可形成三维乱向分布的网状承托作用，阻挡混凝土硬化初期微裂纹发展，从而可提高混凝土的断裂韧性，改善混凝土的抗裂、防渗性能，提高混凝土抗冲击耐磨性能及耐久性。

针对本工程渠道混凝土特点，采用多个品牌聚丙烯纤维进行对比试验，掌握聚丙烯纤维性能特点，选定适合本工程聚丙烯纤维和施工工艺，效果良好。

1 性能对比试验

拟定渠道混凝土聚丙烯纤维掺量0.9kg/m3，选用杜拉纤维（Durafiber）及另外A、B两个厂家纤维材料在室内进行混凝土抗压强度、抗拉强度、极限拉伸、弹性模量、抗冻抗渗、干缩等主要性能对比试验。

1.1 抗压强度

混凝土选取0.45、0.50、0.55三种水胶比，测试基准混凝土及掺三种纤维材料混凝土3d、7d、28 d、90d龄期抗压强度，见表1。

表1 混凝土力学抗压强度对比表

掺入纤维后，混凝土抗压强度较同级配基准混凝土抗压强度略有降低，但降低较小，可以忽略。

1.2 抗拉强度

抗拉强度是混凝土抗开裂性的重要指标。试验选取混凝土水胶比0.50，测试基准混凝土及掺三种纤维材料混凝土3d、7d、28d、90d龄期劈拉强度，成果见表2。

表2 混凝土劈拉强度对比表

掺纤维后混凝土抗拉强度均有提高，早期抗拉强度提高较大。掺杜拉纤维混凝土劈拉强度较基准混凝土提高较大，3d、7d、28d、90d劈拉强度分别提高15.0%、23.45%、3.8%、7.4%，尤其是3d、7d劈拉强度提高较为明显。混凝土硬化早期处于混凝土裂缝发展阶段，劈拉强度提高有利于混凝土防裂。

1.3 极限拉伸

混凝土极限拉伸值是混凝土轴向受拉断裂时的应变值，是混凝土抗裂能力的一个重要指标。试验选取混凝土水胶比0.50，测试基准混凝土及掺三种纤维材料混凝土3d、7d、28d、90d龄期极限拉伸值，成果见表3。

表3 混凝土极限拉伸成果对比表

混凝土掺纤维后，极限拉伸值均有所提高，掺杜拉纤维混凝极限拉伸值提高较大，3d、7d、28d、90d极限拉伸值分别提高28.0%、8.0%、13.0%、12.2%。极限拉伸值提高说明混凝土变形能力增强，抗裂性能提高。

1.4 干缩性能

纤维混凝土的干缩率均小于基准混凝土，对混凝土的裂缝控制有利。见表4。

表4 混凝土干缩试验成果对比表

早期干缩是造成混凝土开裂的重要原因，混凝土开裂主要集中在浇筑完成3~7d内，减小混凝土的早期干缩能有效控制混凝土的开裂，掺入纤维后，混凝土早期的干缩率明显降低，可以极为有效地控制混凝土塑性收缩、干缩、温度变化等因素引起的微裂缝，防止及抑制裂缝的形成及发展，在工程实践中掺入纤维已成为提高混凝土抗裂防渗能力的有效途径。

1.5 分散性

试验结果表明，经混凝土拌和物的分析判断，混凝土和易性好，三种纤维的分散性能均良好，掺杜拉纤维、A纤维、B纤维混凝土中分散性相对误差分别为3.85%、4.15%、4.05%，掺杜拉纤维分散性相对较好。保证纤维在混凝土分散的均匀性，对确保混凝土施工质量有重要作用，均匀分布的纤维在混凝土中形成一种均匀的乱向支撑体系，有助于削弱混凝土塑性收缩的张力，从而极为有效地增强了混凝土的韧性，抑制了微细裂缝的产生和发展，随着混凝土及砂浆中裂缝减少，也有助于改善混凝土的抗渗性与冻融性，因而能够提高混凝土的耐久性。但如果在施工过程中采用的纤维分散性差，搅拌不均匀，造成纤维在混凝土内分布不均，就会在混凝土浇筑时形成局部薄弱部位，纤维不但起不到抗裂作用，反而会起有害作用，极易在薄弱部位造成开裂。

综合上述因素，施工中选用了杜拉纤维。

2 渠道聚丙烯纤维混凝土衬砌施工关键技术

2.1 混凝土配合比

根据试验成果，结合《南水北调渠道衬砌机械化施工技术规程》，选定混凝土配合比见表5。

表5 衬砌混凝土配合比

2.2 混凝土拌制

聚丙烯纤维混凝土宜采用强制式搅拌站拌制。与普通混凝土有所不同，衬砌混凝土需添加聚丙烯纤维。本工程采用HZ60拌合站，为确保计量的准确性，搅拌时每盘混凝土量为1.11m3，对应加入一个1kg标准包装的纤维。纤维添加方式不当或搅拌时间不足，容易局部结团，均匀性差，拌合期间需派专人在拌合楼内直接向搅拌机内均匀添加，保证均匀加料。

混凝土搅拌时间控制应根据《纤维混凝土应用技术规程》JGJT221—2010，纤维混凝土搅拌宜将纤维和粗细骨料投入搅拌机干拌30~60s，再掺入水泥、矿物掺和料、水、外加剂搅拌90~120s，较常规混凝土搅拌时间增加较多，混凝土生产效率效率低。为此进行了对比试验:搅拌总时间按120s、90s、75 s、60s进行对比，其中干拌时间按30s控制，搅拌完成后，测试纤维分散度，并进行生产试验、长期跟踪，确定总搅拌时间为90s在保证质量前提下，提高了混凝土生产效率。

混凝土出机口坍落度宜控制为60~75mm，入仓坍落度控制为50~65mm。当气候变化时，可微调用水量，维持入仓混凝土坍落度不变，保证衬砌混凝土机械化施工的工作性。

混凝土采用搅拌车运输，拌和物从拌和楼出料到入仓的时间一般控制为30~45min。

2.3 混凝土浇筑

2.3.1 混凝土摊铺振捣

采用振碾式渠道衬砌机施工。振碾式渠道衬砌机集混凝土布料摊铺、振捣、提浆等多功能为一体的渠道衬砌设备，由主机架及整机行走系统、摊铺小车、混凝土输送系统、电气控制系统组成，核心部件摊铺小车集成下料摊铺、内部振捣、表面碾压振捣，实现混凝土衬砌板密实、平整。

混凝土由上料皮带输送至沿主机架布置的主皮带，通过分料装置进入摊铺小车，并经螺旋输送机摊铺平整。摊铺小车料仓采用深仓式，下料后混凝土面板上部混凝土堆积厚度30~40cm。

摊铺小车振捣系统由内部振捣、表面振捣系统组成。摊铺小车前部设4根Φ50mm软轴振捣器，振捣器布置在混凝土面板内，顺面板布置；中部设两台1.5kW附着振捣器进行表面振捣；尾部安装振动压光辊进行整平提浆，微型平板振动器对幅间接头补充振捣。软轴振捣器及附着振捣器均采用变频装置，软轴振捣器振捣频率12000次/min，附着振捣器振捣频率9000次/min。摊铺小车自坡底向坡顶沿主机架移动分幅摊铺振捣，通过底部刮板控制混凝土表面位置，摊铺小车行走速度对混凝土振碾效果影响较大，控制为3m/min，并现场观察调整。

2.3.2 混凝土抹面

混凝土抹面先使用抹光机提浆，再人工收面压光。提浆开始时间与环境温度及摊铺宽度有关，一般可在混凝土摊铺宽度超过4m，且滞后摊铺1~1.5h后实施，若环境温度较高，则应提前启动提浆作业，反之亦然，提浆自下而上分幅进行，幅间搭接10~20cm，提浆一般需2~3遍。混凝土接近初凝时，及时进行压光处理，消除表面气泡，使混凝土表面平整、光滑无抺痕。

聚丙烯纤维混凝土对表面收光影响较大。一是聚丙烯纤维能保持水分，泌水速度减缓，收面工序应较普通混凝土宜适当推后；二是较普通混凝土压光难度大，收面压光先由人工用铁抹子收一遍，然后使用树脂叶片抹光机压光1~2遍，之后人工收面1遍。收面时，抹子应相互叠压，消除抹痕。

2.3.3 混凝土养护

坡面混凝土洒水后，用塑料薄膜封闭覆盖，可在板面上形成较多水珠，满足混凝土养护要求。养护期间，塑料薄膜应贴紧混凝土板面，边角覆土或用沙袋压牢，并经常性检查。

对底板混凝土在仓号两端堆土堤，蓄水养护，蓄水高度0.05～0.20m。

环境温度低于0℃时，采取蓄热养护，在混凝土板面上覆盖1层塑料薄膜后，再覆盖2层棉毡。

2.3.4 衬砌板伸缩缝切缝

依据规范规定，切缝施工宜在衬砌混凝土抗压强度为1～5MPa时进行。根据现场经验，切缝时间控制在当混凝土浇筑后平均气温与时间的乘积为200～300。渠道衬砌主要在春秋季进行，环境平均温度一般为15℃，可在收仓后16～24h内开始切割，并在24h内完成。若气温较高，可在收仓后10～12 h开始切割，具体操作时可以混凝土无缺角、缝面平直为原则。

实际施工中，由于人员组织、设备故障等原因，部分混凝土面板切缝时间有所推迟，但发生由此引起的混凝土裂缝，可见聚丙烯纤维对混凝土面板防裂作用较大。

3 结语

南水北调中线穿黄工程Ⅰ标渠道衬砌混凝土面板大约25万m2，面板厚度10cm。掺用聚丙烯纤维后，裂缝明显减少，无温度裂缝，表面干缩裂缝仅12处。裂缝数量在南水北调中线工程中属最少标段之一，防裂效果明显。