纖維混凝土在南水北調(diào)中線工程總干渠的應(yīng)用

毛敏飛

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

聚丙烯纖維混凝土是20世紀(jì)60年代末國外開發(fā)的一種新型混凝土材料。它具有能防止裂縫、改善長期工作性能，提高變形能力和耐久性等優(yōu)點，已廣泛的應(yīng)用于軍事、交通、機(jī)場、房建、水利工程等領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代起，我國首先將聚丙烯纖維混凝土應(yīng)用于道路、橋梁和房建工程并取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，但很少應(yīng)用于水利工程，基本上處于試驗階段，最初應(yīng)用于水利工程的是浙江省寧波市寧?？h白溪水庫工程，經(jīng)過運行表明摻入聚丙烯纖維可以明顯減少混凝土的收縮和開裂，改善混凝土的變形性能和耐久性，在自然條件下，紫外線長期輻射下不會造成聚丙烯纖維混凝土性能的退化。近年來，水利建設(shè)更多更快，在工程質(zhì)量上也要滿足更高建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)一步采用新技術(shù)、新工藝和新材料。南水北調(diào)工程作為國家大型水利工程項目，對高填方段渠道混凝土襯砌采用了ECC纖維混凝土施工，目的是提高混凝土早期抗裂性，減少塑性收縮裂縫。

南水北調(diào)中線一期工程總干渠陶岔渠首～沙河南段葉縣段工程位于河南省葉縣保安鎮(zhèn)、舊縣鄉(xiāng)、常村鄉(xiāng)和夏李鄉(xiāng)范圍內(nèi)，渠道總長度29.406 km。主要由明渠以及各類交叉建筑物組成，樁號 185+545～209+270、210+130～215+811為明渠段（209+270～210+130段為獨立的澧河渡槽設(shè)計單元），共布置有各類建筑物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，交通橋31座，路渠交叉下穿通道1座、分水口門1座、永久管理房1座。本標(biāo)段位于葉縣夏李鄉(xiāng)、舊縣鄉(xiāng)和保安鎮(zhèn)，樁號193+500～201+500，全長8000 m。該標(biāo)段共有各類建筑物17座，其中左岸排水建筑物5座，渠渠交叉建筑物3座，交通橋8座，分水口門1座。渠道設(shè)計為梯形斷面，渠底寬度為17 m～21 m，渠坡坡比為1∶2.75～1∶2；縱坡比為1/29000，堤頂寬5.0 m。高填方段渠道，設(shè)計采用C20F150W6聚丙烯纖維混凝土襯砌，渠坡厚度10 cm，渠底厚度8 cm。

1 試驗材料和方法

纖維為北京中紡纖建科技有限公司生產(chǎn)CAT-BY30型混凝土防裂抗裂改性聚丙烯纖維，纖維性能指標(biāo)見表1。

表1 改性聚丙烯纖維

水泥為天瑞集團(tuán)南召水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為26.7%，比表面積330 m2/kg，3 d抗壓強(qiáng)度27.8 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度51.0 MPa；外加劑:采用上海馬貝建筑材料有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能緩凝型減水劑及PT-C1引氣劑；粗集料為方城縣楊集鄉(xiāng)大河口王家崗?fù)鯂A石子廠的5 mm～20 mm和20 mm～40 mm的碎石,根據(jù)每級骨料所占的不同比例做緊密密度，選擇緊密密度最大時的比例作為最佳搭配比例，見表2。

表2 粗骨料不同比例緊密密度試驗結(jié)果

細(xì)骨料為方城縣楊集鄉(xiāng)大河口黃土崗采石場(南陽白河)的河砂,細(xì)骨料性能指標(biāo)滿足規(guī)范要求，細(xì)骨料篩分結(jié)果見圖1。

圖1 細(xì)骨料篩分結(jié)果

2 結(jié)果與分析

總干渠混凝土設(shè)計指標(biāo)強(qiáng)度等級C20，抗?jié)B標(biāo)號為W6，抗凍標(biāo)號為F150。分別對摻入聚丙烯纖維的混凝土的工作性能和耐久性等方面進(jìn)行對比研究。

2.1 拌合物性能

渠道邊坡襯砌混凝土和渠道渠底襯砌混凝土水灰比分別按照0.46和0.44設(shè)計，纖維摻量為0.9 kg/m3，粉煤灰超量系數(shù)1.2。

表3 拌合物性能

摻加聚丙烯纖維后，單方混凝土用水量較未摻纖維配合比用水量有所增加，所以為保證混凝土的強(qiáng)度，保持水灰比不變，通過增加外加劑的摻量，以保證混凝土拌合物的性能與原配合比相近（流動性、保水性和粘聚性等）。

2.2 力學(xué)性能

為比較摻入聚丙烯纖維混凝土力學(xué)性能的影響，對比結(jié)果見圖2。

圖2 摻入纖維對混凝土力學(xué)性能的影響

從圖2可以看出，單位體積混凝土摻入0.9 kg/m3聚丙烯纖維，混凝土的力學(xué)性能有一定的提高，7 d強(qiáng)度提高幅度較28 d提高幅度大。聚丙烯纖維混凝土在受壓破壞后仍保持一個整體，普通混凝土在受壓破壞后形成斷碎狀。聚丙烯纖維的摻入，改變了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得抗壓強(qiáng)度提高。

2.3 早期收縮性能

通過單軸約束收縮試驗對比纖維混凝土和普通混凝土的早期收縮性，摻入纖維混凝土的早期收縮抗裂性能提高約15%，是由于聚丙烯纖維本身韌性很好且在混凝土中亂向分布，在混凝土中形成三維支撐體系，抵抗混凝土的干縮應(yīng)力。再者聚丙烯纖維混凝土的工作性能良好，混凝土泌水較少，使得抗干縮性能提高。

2.4 抗?jié)B性能

對比摻入聚丙烯纖維混凝土和普通混凝土的抗?jié)B性能，摻入聚丙烯纖維混凝土在滲水壓力為0.8 MPa時6個試件均未出現(xiàn)滲透，普通混凝土試件中有1個出現(xiàn)了滲透，摻入纖維后混凝土的粘聚性變好，使得抗?jié)B性能提高。

2.5 抗凍性能

摻入纖維和普通混凝土抗凍性能的影響見表4。摻入纖維較普通混凝土的抗凍性能提高，摻入纖維混凝土的含氣量增大，緩解了低溫循環(huán)中靜水壓力和循環(huán)壓力，聚丙烯纖維的摻入改變了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減少了內(nèi)部缺陷的數(shù)量，從而提高了混凝土的抗凍耐久性。

表4 摻入纖維對混凝土抗凍性能的影響

3 應(yīng)用效果

對葉縣2標(biāo)已施工完成的高填方196+600-196+700的左岸和渠底混凝土進(jìn)行回彈檢測，分別檢測50個測區(qū)，進(jìn)行統(tǒng)計分析結(jié)果見表5。

表5 回彈檢測結(jié)果

對葉縣2標(biāo)使用聚丙烯纖維混凝土施工的高填方段進(jìn)行混凝土質(zhì)量普查。調(diào)查裂縫的形式、寬度、長度、發(fā)生的部位和分布情況以及其他混凝土缺陷。共發(fā)現(xiàn)混凝土裂縫9條，其中6條橫縫，2條縱縫，1條三叉縫,均為表層裂縫。本次質(zhì)量普查情況較好，相比于使用普通混凝土施工的襯砌段裂縫數(shù)量明顯減少。

4 結(jié)語

目前，南水北調(diào)中線干線工程葉縣2標(biāo)渠道襯砌施工已全面完成，高填方段聚丙烯纖維混凝土的使用加快了施工進(jìn)度，提高了混凝土的抗裂性能，保證了工程質(zhì)量，同時提高了長期經(jīng)濟(jì)效益。作為一種新型混凝土材料聚丙烯纖維混凝土具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。可在同類工程中推廣應(yīng)用。