聚丙烯纖維混凝土在混凝土面板堆石壩中的應(yīng)用研究

□張華棟（山西省水利建設(shè)開發(fā)中心）

聚丙烯纖維混凝土在混凝土面板堆石壩中的應(yīng)用研究

□張華棟（山西省水利建設(shè)開發(fā)中心）

混凝土面板堆石壩是近年來(lái)發(fā)展較快的壩型，上游防滲面板對(duì)大壩安全具有決定性作用，在面板混凝土中摻入聚丙烯纖維可有效提高面板質(zhì)量。文章結(jié)合前期試驗(yàn)研究成果，對(duì)聚丙烯纖維混凝土的配合比、纖維摻量、施工技術(shù)進(jìn)行研究，為聚丙烯纖維在面板堆石壩的應(yīng)用提供指導(dǎo)，研究成果還特別對(duì)它在近年來(lái)新出現(xiàn)的溢流面板堆石壩壩頂溢洪道中的應(yīng)用，提出合理性和可行性。

聚丙烯纖維；混凝土；面板堆石壩

0 前言

混凝土面板堆石壩以堆石料為壩面主體，該壩型對(duì)地形及地質(zhì)條件限制條件少，工程造價(jià)低，施工簡(jiǎn)單，施工速度快，是具有相當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)力的一種壩型。壩體由堆石體、以上游防滲面板及下部趾板為主體的防滲系統(tǒng)等組成。我國(guó)混凝土面板堆石壩在20世紀(jì)八九十年代迅速發(fā)展，但與重力壩相比，該壩型需另設(shè)泄洪設(shè)施，樞紐布置復(fù)雜，且增加了工程投資。我國(guó)新疆地區(qū)率先研究并使用壩頂溢流技術(shù)，通過(guò)在壩頂設(shè)置溢流堰，降低了對(duì)壩址區(qū)地形的要求，簡(jiǎn)化了該壩型的工程布置，進(jìn)一步拓寬了混凝土面板堆石壩的適當(dāng)范圍，目前是山西地區(qū)重點(diǎn)推廣的新壩型。該壩型將溢流堰布置于壩頂，泄槽位于后壩坡，由于是壩頂溢流對(duì)大壩上游防滲面板、溢流堰及泄槽混凝土襯砌提出更高的要求，包括抗裂、抗?jié)B和抗沖擊性能，參照工業(yè)及民用建筑中使用的纖維混凝土就具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

1 纖維混凝土的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著社會(huì)發(fā)展，工業(yè)及民用建筑中根據(jù)混凝土抗?jié)B性能要求的提高，可采用的途徑有2種，一是添加混凝土外加劑；二是使用纖維料混凝土。均勻分布的纖維料提高了混凝土的韌性，其抗裂、抗?jié)B和抗沖擊性得到了有效的改善，使混凝土構(gòu)件能更好地適應(yīng)凍脹、沉降變形。

纖維混凝土的使用在早期主要是摻入天然纖維，目前常用的是玻璃纖維和鋼纖維。玻璃纖維抗剪能力差，與混凝土發(fā)生堿-基料反應(yīng)，降低了混凝土強(qiáng)度，目前已基本不采用。摻入鋼纖維能有效提高混凝土的強(qiáng)度，但由于比重大，混凝土構(gòu)件重量增加，且抗?jié)B性改善不明顯，因此在水利工程中運(yùn)用較少。

化學(xué)合成纖維具有穩(wěn)定性好、比重輕的特點(diǎn)，通過(guò)摻入化學(xué)合成纖維，混凝土脆性、抗拉強(qiáng)度、抗?jié)B性得到了明顯改善，廣泛應(yīng)用于各行業(yè)建筑領(lǐng)域，特別是對(duì)水利工程，具有更強(qiáng)的實(shí)用性。目前，摻入的化學(xué)纖維主要是改性聚丙烯纖維，其為單絲改性聚丙烯短纖維，毫米級(jí)長(zhǎng)度，摻入體積率約為0.01%～0.3%。

聚丙烯纖維混凝土已在水利工程中的大壩、渠道、護(hù)坡等施工中廣泛應(yīng)用。我國(guó)從20世紀(jì)90年代初引入該技術(shù)，用于包括二灘水電站、寧波白溪水庫(kù)等工程，其主要作用是提高抗裂性、耐磨性，抑制過(guò)水面混凝土龜裂，采用的纖維摻入量為0.70kg/m3。

2 聚丙烯纖維混凝土的試驗(yàn)指標(biāo)

研究表明，摻入聚丙烯纖維對(duì)混凝土早期塑性裂縫能明顯改善，并減少混凝土析水量，可有效改善混凝土干縮性，從而減少混凝土沉降裂縫。纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理，理論上有復(fù)合材料理論和纖維間距理論2種。纖維間距理論認(rèn)為聚丙烯纖維在混凝土中的阻裂效應(yīng)與纖維間距及單位體積混凝土中纖維根數(shù)有關(guān)。復(fù)合材料理論則是通過(guò)混合原理來(lái)推定纖維混凝土的抗拉及抗彎強(qiáng)度，構(gòu)建混凝土強(qiáng)度與纖維摻量、長(zhǎng)徑比、方向、粘結(jié)力函數(shù)關(guān)系。

在室內(nèi)試驗(yàn)中，0.02m3混凝土以復(fù)合材料理論為指導(dǎo)，以粉煤灰及纖維摻量、水灰比為變量因子，以抗拉強(qiáng)度為目標(biāo)值，試件配合比見(jiàn)表1。

試驗(yàn)表明，纖維摻量0.90kg/m3的混凝土劈裂強(qiáng)度高，見(jiàn)圖1；當(dāng)纖維摻量為0.90kg/m3時(shí)，纖維越長(zhǎng)，混凝土抗裂性越好，當(dāng)纖維長(zhǎng)度為19mm，強(qiáng)度最高，此時(shí)纖維長(zhǎng)度大且在混凝土中分布均勻，當(dāng)纖維長(zhǎng)度增加到30mm時(shí)，強(qiáng)度開始降低，見(jiàn)圖2。

纖維摻量0.90kg/m3時(shí)劈裂強(qiáng)度均高于摻量1.20kg/m3的混凝土，同時(shí)因摻量少還可降低工程造價(jià)，所以是工程混凝土的推薦摻入量。

表1 拌制0.02m3聚丙烯纖維混凝土各材料用量表

圖1 纖維摻量與混凝土強(qiáng)度關(guān)系圖

圖2 纖維長(zhǎng)度與混凝土強(qiáng)度關(guān)系圖

普通聚丙烯纖維經(jīng)過(guò)切割，長(zhǎng)度較短且直徑細(xì)，與混凝土粘著力差，采用改性聚丙烯纖維。由于其在紡絲過(guò)程中微孔有產(chǎn)生，纖維表面粗糙，與混凝土粘著力較強(qiáng)，且由于其本身所具有的化學(xué)穩(wěn)定性，耐腐蝕，分布均勻，因此改性聚丙烯纖維摻入混凝土具有廣泛的使用前景。

3 聚丙烯纖維用于混凝土面板堆石壩的防滲面板

混凝土面板堆石壩由堆石體、混凝土面板、過(guò)渡層、混凝土趾板等部分組成。防滲面板承載上游庫(kù)水壓力，是混凝土面板堆石壩防滲體系的主要部分，適應(yīng)壩體的變形將其水壓力傳遞給下游堆石體。因此要求面板具有足夠的柔性及防滲、抗裂、耐久性。

聚丙烯纖維混凝土特性符合面板功能要求。纖維混凝土面板的性能要達(dá)到面板設(shè)計(jì)要求，主要應(yīng)從混凝土配合比、施工方法2個(gè)方面進(jìn)行控制。

3.1 混凝土配合比

成型混凝土的強(qiáng)度等級(jí)、和易性主要受混凝土配合比的影響，根據(jù)設(shè)計(jì)提出的強(qiáng)度、抗?jié)B、抗凍的指標(biāo)要求，由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提出施工配合比。施工過(guò)程中應(yīng)對(duì)混凝土中的水泥、骨料、水、外加劑等按進(jìn)行檢驗(yàn)，嚴(yán)格控制施工配合比，隨機(jī)抽檢坍落度。

另外，適量引氣劑和減水劑的加入可改善混凝土抗凍性及耐久性。理論上，聚丙烯纖維是不吸水的，但由于纖維表面附水性，隨纖維比表面積的增加附水量會(huì)增加,應(yīng)用時(shí)針對(duì)纖維附水造成的拌和水減少現(xiàn)象，應(yīng)根據(jù)附水情況補(bǔ)充少量拌和水及減水劑。

3.2 面板施工方法

無(wú)軌滑模技術(shù)澆筑在澆筑混凝土面板堆石壩的面板混凝土?xí)r，利用新澆混凝土的浮托力支承滑模的法向重量，由壩頂卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引，側(cè)模板控制,該施工方法材料節(jié)省、工期短、澆筑速度快，對(duì)面板變寬、變坡角具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

3.2.1 側(cè)模安裝

側(cè)模用于支撐滑動(dòng)模板，是模板滑移軌道,限制拌和混凝土的側(cè)向流動(dòng)。側(cè)模采用木模板，從下至上人工安裝，側(cè)模間無(wú)錯(cuò)臺(tái)。

3.2.2 滑模安裝

滑模分段運(yùn)輸，整體拼裝，由壩頂施工平臺(tái)下放，尾部抹面平臺(tái)兩側(cè)支承滑輪，將滑模吊裝于側(cè)模，行走機(jī)構(gòu)以手拉葫蘆固定滑模，卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引?；；浦翝仓l塊底部，滑模就位后鋼筋網(wǎng)上設(shè)置溜槽，溜槽與鋼筋網(wǎng)連系。溜槽頂部苫布覆蓋。

3.2.3 混凝土澆筑與滑?；?/p>

混凝土澆筑時(shí)，施工人員在滑模前沿操作，插入式振搗器振搗倉(cāng)面，側(cè)模和止水片位置用軟管振搗器振搗?；俣葹?～2m/h，最后對(duì)尾部平臺(tái)抹面壓實(shí)。

澆筑后的混凝土噴水養(yǎng)護(hù)，苫布遮蓋，潤(rùn)濕保溫養(yǎng)護(hù)持續(xù)90d。

4 聚丙烯纖維用于溢流面板堆石壩的壩頂溢洪道

不同于常規(guī)面板堆石壩，溢流面板堆石壩壩頂溢流堰及后壩坡泄槽是建筑在以松散介質(zhì)為材料，人工碾壓填筑的堆石體上，溢洪道由溢流堰、泄槽及出口消能組成。除出口消能采用常規(guī)混凝土外，溢流堰及泄槽均可應(yīng)用聚丙烯纖維混凝土，類似于上游防滲面板需具有較強(qiáng)的防滲性能。

目前普遍認(rèn)可溢流堰采用圓弧與壩體上下邊坡相切的圓形堰，堰身最大厚度3m；泄槽底板厚度0.60m，混凝土采用C45～C50高性能鋼筋混凝土澆筑。采用聚丙烯纖維混凝土可將混凝土標(biāo)號(hào)可降低至C25。但其配合比應(yīng)由施工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。施工方法同防滲面板。

5 結(jié)語(yǔ)

聚丙烯纖維混凝土在混凝土面板堆石壩的防滲面板中在國(guó)內(nèi)外已具有廣泛應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐表明，纖維摻量0.90kg/m3為最佳，但要對(duì)混凝土配合比進(jìn)行嚴(yán)格控制；無(wú)軌滑模技術(shù)澆筑面板的施工方法澆筑速度較快，對(duì)面板變寬度、變坡角的適應(yīng)性強(qiáng)。

由于溢流面板壩是一種新型壩型，將其應(yīng)用于壩頂溢洪道還需有實(shí)踐支撐，其關(guān)鍵是在常態(tài)混凝土的基礎(chǔ)上降低混凝土的標(biāo)號(hào)，簡(jiǎn)化施工控制，初步判定混凝土可由C45～C50降低至C25，但在工程實(shí)踐中還需做進(jìn)一步現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。

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