粉煤灰聚丙烯纖維混凝土在水利工程中的應(yīng)用

□肖建波(揚(yáng)州水利建筑工程公司)

1.前言

南水北調(diào)東線第一期工程劉山泵站位于江蘇省邳州市宿羊山鎮(zhèn)境內(nèi)的不牢河輸水線上，與劉山北站、劉山船閘等工程共同組成南水北調(diào)東線第7個(gè)梯級(jí)樞紐。

劉山泵站工程采用閘站結(jié)合的總體布置方案。泵站設(shè)計(jì)流量125 m3/s，安裝2900ZLQ32-6立式軸流泵配TL2800-40/3250同步電機(jī)5臺(tái)套（含備機(jī)1臺(tái)）。水泵葉輪直徑3.0m，單臺(tái)流量31.5m3/s，配套電機(jī)功率2800kW，總裝機(jī)容量14000kW。節(jié)制閘設(shè)計(jì)流量828 m3/s，采用帶胸墻的開(kāi)敞式結(jié)構(gòu)形式，共5孔，單孔凈寬10m。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求在混凝土施工中摻入聚丙烯纖維,具體部位如下：

泵站部分：胸墻、隔水墻、水泵層、邊墩、進(jìn)水流道、底板至出水流道頂（高程26.45 m）合計(jì)7498 m3，摻入PF-1型聚丙烯纖維，摻入量為0.9kg/m3。

節(jié)制閘部分：底板溢流面合計(jì)878 m3，摻入PF-1型聚丙烯纖維，摻入量0.9kg/m3。

2.聚丙烯纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.1 混凝土的原材料

混凝土的原材料有：水泥、骨料、粉煤灰、附加劑、纖維物質(zhì)。這里，對(duì)于水利工程而言，常常選用P.O42.5硅酸鹽水泥，它的質(zhì)量符合GB175-2005標(biāo)準(zhǔn)。其中水泥需滿足的主要要求有細(xì)度在2%～4.2%之間，在完成施工的第28d,它的抗壓強(qiáng)度需要在35.4MPa到47.1MPa之間，抗折強(qiáng)度在6.5 MPa到8.3 MPa之間。骨料的選擇，骨料分為粗骨料和細(xì)骨料兩種,粗骨料適宜選擇石灰?guī)r碎石，細(xì)骨料適宜選擇中砂。粉煤灰的選擇，要選擇符合GB1596-91標(biāo)準(zhǔn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰；常用的附加劑有高效硫化泵送劑和高效減水劑，他們的加入量通常控制在0.5%～0.7%之間，減水效果比較明顯，且要符合GB8076-1997標(biāo)準(zhǔn)。纖維物質(zhì)則是指聚丙烯纖維，它的幾個(gè)主要性能是無(wú)吸水率、導(dǎo)電率低、抗拉強(qiáng)度在350MPa～770MPa之間，分散性要好。

2.2 混凝土的配合比設(shè)計(jì)

在混凝土攪拌時(shí)候所用的是長(zhǎng)度為20mm的聚丙烯纖維。采用常規(guī)的加料順序，攪拌時(shí)間控制在150 s，旨在攪拌出一種具有良好的粘聚性，無(wú)分離、分層出現(xiàn)的、保持水分能力較強(qiáng)的混凝土。聚丙烯纖維的加入量不能超過(guò)0.2%，盡量不要改變之前的混凝土混合比例，如果聚丙烯纖維的用量超過(guò)0.4%，這時(shí)候的最佳處理方法是，去掉部分骨料。剛剛制造的混凝土的坍落度控制在160～180mm,擴(kuò)展度控制在360～380mm.以上就是該種混凝土配合比和一些注意事項(xiàng)?；厩闆r見(jiàn)表1：

表1 混凝土配合比表

3.聚丙烯混凝土的性能

3.1 混凝土拌和物的性能

與基準(zhǔn)混凝土相比，聚丙烯混凝土的初凝時(shí)間縮短了1h多，終凝時(shí)間也大大縮短了。

不過(guò)需要提出的是，凝結(jié)時(shí)間的多少與聚丙烯纖維的加入量無(wú)太大的關(guān)系。聚丙烯混凝土的析水率大大降低，不過(guò)，這是在聚丙烯摻入后分布均勻的前提下，大大提高了混凝土的保水性能。在這里需要注意的是，如果聚丙烯纖維在混凝土中分布不均勻形成聚團(tuán)現(xiàn)象，所導(dǎo)致的后果是，混凝土的密實(shí)性降低，水分會(huì)通過(guò)混凝土中的氣泡析出，致使混凝土的保水性降低。加入聚丙烯纖維的混凝土的坍落度大大降低。在聚丙烯纖維分布均勻的前提下，混凝土的含氣量沒(méi)有過(guò)分的增大;因此需要格外注意的是，采用合適的操作旨在使聚丙烯纖維分布均勻?？傮w來(lái)說(shuō)，與基準(zhǔn)混凝土相比，加入聚丙烯纖維后混凝土的拌和物性能得到了很大的改善。

3.2 混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度

在混凝土拌和完成后的7d和28d可以采樣對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析得出的結(jié)論是，加入聚丙烯纖維的混凝土在抗壓強(qiáng)度方面沒(méi)有明顯的提高。但是在抗拉強(qiáng)度方面，我們發(fā)現(xiàn)，隨著聚丙烯纖維用量的不斷增多，混凝土的抗拉強(qiáng)度也不斷增強(qiáng)。由此可以得出結(jié)論：適量的聚丙烯纖維的加入可以改善混凝土的抗拉強(qiáng)度。

3.3 混凝土的抗開(kāi)裂強(qiáng)度

剛剛制作完成的混凝土的含水量很大，在流動(dòng)空氣的作用下致使混凝土表面的水分大量蒸發(fā)，所以它的表面會(huì)發(fā)生收縮現(xiàn)象，由于在內(nèi)部混凝土的限制作用下，會(huì)產(chǎn)生表面拉力，因?yàn)樘幵趧倓偼瓿傻碾A段，混凝土的剛度很低，所以表面會(huì)產(chǎn)生很多細(xì)小的裂縫。不過(guò)在加入聚丙烯纖維后，基于聚丙烯纖維直徑細(xì)小的特點(diǎn)，聚丙烯纖維會(huì)形成三維網(wǎng)格，削弱了混凝土內(nèi)部的感應(yīng)力，從而大大減少了裂縫的產(chǎn)生。另外一個(gè)原因是聚丙烯纖維有增加混凝土延展性的作用，能夠減少混凝土開(kāi)裂的速度。所以在加入聚丙烯纖維后混凝土開(kāi)裂的縫隙在數(shù)量和尺寸上大大減小,在正常使用時(shí)，它的性能更是優(yōu)異。

3.4 混凝土的抗?jié)B性

在混凝土內(nèi)部，水分主要是靠?jī)?nèi)部的裂縫作為通道流通的，但是在加入了聚丙烯纖維后，聚丙烯纖維大大減少了裂縫的出現(xiàn)，所以致使水分流通通道大大減少，從而提高了混凝土的抗?jié)B性。

4.粉煤灰聚丙烯纖維混凝土在水利工程中的應(yīng)用

在水利工程中，套閘的室內(nèi)墻的結(jié)構(gòu)比較薄弱，表面系數(shù)大，以往的室內(nèi)墻面會(huì)出現(xiàn)多條裂縫，并且裂縫的寬度也很大，在使用聚丙烯纖維混凝土之后，墻面上的裂縫數(shù)量大大減少，并且裂縫的寬度也降低了很多，這說(shuō)明聚丙烯纖維對(duì)混凝土的抗開(kāi)裂性能的改善在水利工程中的套閘室得到了合理的應(yīng)用。出色地解決了水利工程薄壁結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂現(xiàn)象。另外需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，聚丙烯纖維對(duì)混凝土的物理性質(zhì)有很大的改善，這個(gè)特性可以在水利工程中得到廣泛應(yīng)用。加入聚丙烯纖維的混凝土劈拉強(qiáng)度得到了很大的改善，混凝土可塑性得到提高，這樣可以減少混凝土中非結(jié)構(gòu)性原因?qū)е铝芽p的產(chǎn)生。主要原因是，聚丙烯纖維在混凝土中均勻分布，混凝土開(kāi)始產(chǎn)生裂縫時(shí)，均勻分布的纖維，將會(huì)充分利用它們自身的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，搭建成為三位網(wǎng)格，在混凝土中形成一套雜亂無(wú)章的體系，但是這種體系又有著很好的牽制作用和連接左右的作用，從而抑制裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)大。

在施工操作時(shí)，周圍環(huán)境溫度在28℃左右，這時(shí)候，這種混凝土的初凝時(shí)間縮短在8h左右，終凝時(shí)間為10h多。這些時(shí)間的改變對(duì)施工操作爭(zhēng)取了更多的機(jī)會(huì)，避免了更多的失誤和人為意外。另外，使用一定量的粉煤灰代替水泥，可以使混凝土的粘稠度增加，大大降低了混凝土的泌水率；這樣大大減少了流動(dòng)阻力，非常有利于混凝土的泵送，并且很有利于混凝土的搗制。

5.總結(jié)

通過(guò)這些年的研究分析發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維對(duì)混凝土的物理性能有很大的改善；特別在抗開(kāi)裂性能方面。在混凝土加入聚丙烯纖維之后，同那些沒(méi)有加入的混凝土相比較，混凝土的表面多了一層纖維物質(zhì)，它的作用是使混凝土的失水面積大大減少，另外對(duì)水分的流通也帶來(lái)了阻礙作用，進(jìn)而減少了由于毛細(xì)管收縮造成的收縮力的降低。另一方面，聚丙烯纖維依靠它與水泥材料之間的粘著力和齒合力，使混凝土的塑性抗裂性能得到改善；在抗開(kāi)裂性能方面，另外一個(gè)重要的因素是，聚丙烯纖維的均勻分布有效地減弱了裂縫的發(fā)展，起到牽制作用，使得開(kāi)裂能量大大減少，從而阻礙了裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。聚丙烯纖維在混凝土中的存在可以增強(qiáng)混凝土的斷裂韌性，提高抗拉強(qiáng)度。

聚丙烯纖維的阻止裂縫出現(xiàn)的作用，很大程度上改善了水泥的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了水泥石的抗?jié)B性。這些優(yōu)異的性能在水利工程中有重要的應(yīng)用。聚丙烯纖維的摻入改善了混凝土的性能，對(duì)與水利工程操作中夏季通過(guò)泵機(jī)傳送的要求，可以基本上滿足，因?yàn)檫@種混凝土的流動(dòng)性得到了很大的提高。它的強(qiáng)度滿足了水閘施工規(guī)范中的要求；在混凝土中摻入聚丙烯纖維，大大提高了混凝土在澆制完成的初期對(duì)其抗開(kāi)裂和抗拉方面的要求。另外一個(gè)重要的推廣是這種混凝土在水利工程中的一些薄壁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，強(qiáng)有力地提高了水利工程的安全性和穩(wěn)定性。

[1]孫海燕，龔愛(ài)民，彭玉林.聚丙烯纖維混凝土性能試驗(yàn)研究[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007(1).

[2]張鵬,郭平功,趙鐵軍.聚丙烯纖維混凝土的收縮抗裂性能[J].低溫建筑技術(shù),2008(1).