聚丙烯纖維混凝土在水庫大壩中的應(yīng)用分析

彭志杰

（重慶同望水利水電工程設(shè)計有限公司 重慶 400000）

聚丙烯纖維混凝土在水庫大壩中的應(yīng)用分析

彭志杰

（重慶同望水利水電工程設(shè)計有限公司 重慶 400000）

聚丙烯纖維混凝土，屬于是一種具有高強度的混凝土復(fù)合材料，該材料在混凝土中加入了聚丙烯纖維成分，通過改變混凝土物理結(jié)構(gòu)，改良了混凝土自身性能，形成能夠有效防止開裂問題，具有良好抗磨等性能的施工材料。本文探討了聚丙烯纖維混凝土在水庫大壩修建工程中的實際應(yīng)用。

聚丙烯纖維混凝土；水庫大壩；應(yīng)用

1 引言

與傳統(tǒng)的水泥混凝土相比較，具有纖維成分的水泥混凝土具備了更加優(yōu)良的力學(xué)性能，其使用更耐久，因而被廣泛地應(yīng)用于一些施工環(huán)境較為惡劣的工程施工中。化學(xué)工業(yè)不斷發(fā)展，聚合物纖維的性能也隨之得到研究和提高，其中，聚丙烯纖維混凝土是以聚丙烯為原材料，經(jīng)特殊工藝制造而成，由于其價格低廉、施工方便、結(jié)合性好等優(yōu)勢，逐漸開始取代鋼纖維，在工程施工中有良好的應(yīng)用前景。

2 聚丙烯纖維混凝土應(yīng)用性能分析

聚丙烯纖維混凝土的性能指標如表1所示。

表1 聚丙烯纖維的性能指標

2.1 抗凍性能

在混凝土中添加聚丙烯纖維后，即是在混凝土內(nèi)部添加了細密且縱橫交錯的支撐纖維絲，以緩解混凝土在凍融過程中，由于溫度改變而出現(xiàn)的內(nèi)部應(yīng)力作用，從而防止溫度裂縫發(fā)生擴展。根據(jù)混凝土的抗凍試驗，通過多次反復(fù)凍融，聚丙烯纖維混凝土沒有出現(xiàn)分層、龜裂等問題，可見，在混凝土中加入聚丙烯纖維，是一種可行的混凝土抗裂方法。

2.2 抗裂性能

相較于鋼纖維，聚丙烯纖維的細度更高，其當量直徑一般在0.02～0.01mm范圍內(nèi)，且數(shù)量較多，較為常見的0.9kg/m3摻量在充分分散后，可得到約700～3000萬根的纖維單絲。因此，聚丙烯纖維可以有效地控制早期混凝土，避免在離析、泌水或收縮的影響下發(fā)生裂縫問題，或減少出現(xiàn)的裂縫數(shù)量、尺寸大小等，從根本上控制了混凝土的性能劣化問題。

2.3 抗?jié)B性能

混凝土在摻入了聚丙烯纖維后，還可以起到抑制混凝土產(chǎn)生貫通裂縫的作用，由于分布于混凝土中的聚丙烯纖維絲彼此粘連，且為亂向分布，因而能夠?qū)炷凉橇习l(fā)揮承托的重要作用，降低混凝土表面發(fā)生離析、泌水問題的幾率，提高混凝土的抗?jié)B性，降低50～100nm以及大于100nm害孔隙的含量。

2.4 抗沖耐磨性

聚丙烯纖維混凝土還具有良好的抗沖耐磨性。由于聚丙烯纖維是以每立方米數(shù)千萬條的數(shù)量，加入混凝土，聚丙烯纖維絲之間彼此牽連，構(gòu)成均勻而亂向的支撐體系，加強了混凝土體的穩(wěn)定性，有效防止了因沖擊或磨損造成的裂縫。同時，聚丙烯纖維的粘連性好，通過提高混凝土碎塊從基體剝落的能量消耗，進一步加強了耐磨性能。

2.5 抗沖擊性能

聚丙烯纖維混凝土內(nèi)部的支撐體系還有助于提高混凝土在遭受沖擊過程中，對動能的吸收。由于聚丙烯纖維本身的剛度低，荷載傳遞的能力較差，反而有效地降低了裂縫的尺寸，加強了材料的介質(zhì)連續(xù)性，從而減少由于沖擊波阻斷，所導(dǎo)致的局部應(yīng)力集中，約束裂縫的擴展或延伸。

3 聚丙烯纖維混凝土的應(yīng)用原理

聚丙烯纖維的原材料是聚丙烯，是通過獨特的工藝，以及特殊防靜電和抗紫外線處理，使其具備一定的抗紫外線、抗老化性能，從而保障了該纖維的長期作用，維持混泥土性能，其應(yīng)用的機理主要存在以下兩種：

3.1 纖維間距機理

纖維間距機理的主要依據(jù)，是彈性斷裂力學(xué)。該理論認為，在混凝土的內(nèi)部原本即存在強度的缺陷，如果想要提高其強度，需要盡量提高韌性，而降低其內(nèi)部的裂縫端部應(yīng)力集中系數(shù)。通過實驗證明，纖維能夠?qū)α芽p產(chǎn)生約束作用，當纖維的平均中心間距在7.6mm以內(nèi)時，即可提高纖維混凝土的抗拉、抗彎強度，提高其韌性。

3.2 復(fù)合材料機理

如果從復(fù)合材料構(gòu)成混合原理來看，聚丙烯纖維混凝土其實是利用纖維，將混凝土改變成一種纖維強化體系，利用混合原理，推論纖維混凝土所具有的抗拉、抗彎強度等，從而確定纖維混凝土的強度，與纖維的添加數(shù)量、添加方向、長徑以及粘連力關(guān)系。

根據(jù)這兩種理論可以發(fā)現(xiàn)，添加聚丙烯纖維的主要作用，在于提高混凝土的抗拉強度，防止微裂紋擴展衍生，提高其變形能力，改善韌性，最終改良混凝土的自身性能。

4 聚丙烯纖維混凝土在大壩施工中的應(yīng)用

4.1 工程概況

某水庫地處黃土高原溝壑區(qū)，其流域面積約為3478km2。該水庫的大壩為黃土均質(zhì)壩，初建時高為58m，經(jīng)歷三次加高后達到75.6m，壩長為565m，總庫容約5.4億m3。該水庫的樞紐工程包括大壩、兩條泄洪洞、溢洪道、輸水洞以及兩級電站，其最大泄流量達到5349m3/s。

4.2 工程任務(wù)

為了維護水庫安全，需要對水庫大壩的溢洪道進行改建，施工工程包括進口導(dǎo)流段、引渠段、閘室段（溢流堰）、泄槽段和下游消能防沖段。工程全長為427m，最大泄流量為4709m3/s。要求其閘室使用兩孔開敞式泄洪閘，以一孔一聯(lián)的結(jié)構(gòu)型式進行布置，其單孔的凈寬設(shè)置為13m，閘室的總寬設(shè)計為36m。其中的堰體施工，設(shè)計為混凝土實體WES型的溢流堰；泄槽則設(shè)計為矩形斷面，起始寬度為31m，總長164m，坡比0.025。

由于普通的混凝土材料早期強度低，容易出現(xiàn)裂縫問題，因此，根據(jù)混凝土設(shè)計強度和耐久性要求及施工和易性需要，為了提高混凝土的抗裂抗磨性能，要求在該工程中運用聚丙烯纖維混凝土，設(shè)計其強度為C30/W6/F150，澆筑總量 5138m3。

4.3 混凝土原材料及配合比

工程中所選用的混凝土工程纖維為100%改性聚丙烯，纖維的長度為18mm，其當量直徑為15～50μm，物理力學(xué)性能如表2所示。此外，采用的水泥為P.O.42.5級普通硅酸鹽水泥，天然河砂、骨料以及粉煤灰，添加過高效減水和引氣劑緩凝的混凝土等。

表2 聚丙烯纖維物理力學(xué)性能

依據(jù)工程對于混凝土強度、耐久性方面的要求，結(jié)合施工易性需求，對原材料的性能、混凝土配合比等進行試驗，其中每立方米的混凝土材料用量為：水泥257kg；細骨料373kg；粗骨料1663kg；粉煤灰45kg；減水劑 2.4kg；引氣劑 0.018kg；聚丙烯纖維 0.8kg；水 106kg；水膠比 0.35；坍落度70～90mm。澆筑施工前，需要及時對理論配合比進行調(diào)整，以符合施工要求。

4.4 聚丙烯纖維混凝土應(yīng)用施工

4.4.1 施工流程（見圖1）

施工流程為（見圖1）：原材料儲備、檢驗→倉面清理→測量放樣→鋼筋綁扎焊接→模板安裝→開倉驗收→拌和系統(tǒng)檢查→混凝土制備、運輸、入倉→溫度、坍落度檢測→混凝土試塊取樣→混凝土平倉、振搗→拆模、養(yǎng)護→外觀檢查。

圖1 基本施工流程圖

4.4.2 混凝土澆筑

（1）拌和：聚丙烯纖維和外加劑的拌合應(yīng)當由人工進行，經(jīng)人工稱量后，均勻拋撒到粗骨料上，和攪拌艙中。其余的原料則均可以采用配料機進行自動稱量和適配，然后進行攪拌，攪拌時間為5min。拌和施工要使纖維均勻分布，保證混凝土的易性。

（2）運輸：為了有效控制混凝土在運輸過程中可能出現(xiàn)的離析和泌水問題，要求運輸必須運用混凝土罐車，垂直運輸過程則采用塔吊配錐形料罐，而倉面的運輸則采用溜槽入倉。

（3）澆筑：混凝土的澆筑施工，所采用的為臺階法，即是由低向高進行分層鋪料和澆筑，工程要求將澆筑的厚度控制在30cm。等到混凝土入倉，首先由人工進行攤鋪和整平，然后使用準70插入式的振搗器，進行梅花形振搗，注意應(yīng)當快入慢提，直到粗骨料沒有出現(xiàn)明顯的下沉，即可開始泛漿。在模板出現(xiàn)滑升或提起后，開展一次收面，在混凝土初凝前進行二次收。

（4）養(yǎng)護：在二次抹面結(jié)束后，需要使用塑料薄膜進行覆蓋保護，約9h后，再覆蓋草袋，并進行灑水養(yǎng)護，以維持混凝土表面的濕潤程度。

4.5 應(yīng)用效果

聚丙烯纖維混凝土在該水庫大壩工程中的實際應(yīng)用，有效地抑制了混凝土表面裂縫問題的產(chǎn)生，提高了混凝土體的抗?jié)B、抗凍、抗沖擊以及抗磨性能，進而有效保障混凝土施工質(zhì)量。聚丙烯纖維混凝土對于工程施工沒有較高要求，且自身具備良好的力學(xué)性能，能夠為工程提供質(zhì)量的保證，經(jīng)濟實用、安全耐用且方便操作，能夠得到良好的施工效果。

5 結(jié)語

聚丙烯纖維混凝土具有良好的抗壓強度、抗?jié)B以及抗凍性能，易性好，不容易發(fā)生離析，因而能夠有效控制混凝土表面的龜裂和干縮裂縫等問題，同時改善了其表面平整度，同時還提高了大壩實際的抗?jié)B、抗凍性能。

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