聚丙烯纤维混凝土在水库大坝中的应用分析

2016-08-11彭志杰

大科技 2016年10期

关键词：聚丙烯大坝骨料

彭志杰

（重庆同望水利水电工程设计有限公司重庆 400000）

聚丙烯纤维混凝土在水库大坝中的应用分析

彭志杰

（重庆同望水利水电工程设计有限公司重庆 400000）

聚丙烯纤维混凝土，属于是一种具有高强度的混凝土复合材料，该材料在混凝土中加入了聚丙烯纤维成分，通过改变混凝土物理结构，改良了混凝土自身性能，形成能够有效防止开裂问题，具有良好抗磨等性能的施工材料。本文探讨了聚丙烯纤维混凝土在水库大坝修建工程中的实际应用。

聚丙烯纤维混凝土；水库大坝；应用

1 引言

与传统的水泥混凝土相比较，具有纤维成分的水泥混凝土具备了更加优良的力学性能，其使用更耐久，因而被广泛地应用于一些施工环境较为恶劣的工程施工中。化学工业不断发展，聚合物纤维的性能也随之得到研究和提高，其中，聚丙烯纤维混凝土是以聚丙烯为原材料，经特殊工艺制造而成，由于其价格低廉、施工方便、结合性好等优势，逐渐开始取代钢纤维，在工程施工中有良好的应用前景。

2 聚丙烯纤维混凝土应用性能分析

聚丙烯纤维混凝土的性能指标如表1所示。

表1 聚丙烯纤维的性能指标

2.1 抗冻性能

在混凝土中添加聚丙烯纤维后，即是在混凝土内部添加了细密且纵横交错的支撑纤维丝，以缓解混凝土在冻融过程中，由于温度改变而出现的内部应力作用，从而防止温度裂缝发生扩展。根据混凝土的抗冻试验，通过多次反复冻融，聚丙烯纤维混凝土没有出现分层、龟裂等问题，可见，在混凝土中加入聚丙烯纤维，是一种可行的混凝土抗裂方法。

2.2 抗裂性能

相较于钢纤维，聚丙烯纤维的细度更高，其当量直径一般在0.02～0.01mm范围内，且数量较多，较为常见的0.9kg/m3掺量在充分分散后，可得到约700～3000万根的纤维单丝。因此，聚丙烯纤维可以有效地控制早期混凝土，避免在离析、泌水或收缩的影响下发生裂缝问题，或减少出现的裂缝数量、尺寸大小等，从根本上控制了混凝土的性能劣化问题。

2.3 抗渗性能

混凝土在掺入了聚丙烯纤维后，还可以起到抑制混凝土产生贯通裂缝的作用，由于分布于混凝土中的聚丙烯纤维丝彼此粘连，且为乱向分布，因而能够对混凝土骨料发挥承托的重要作用，降低混凝土表面发生离析、泌水问题的几率，提高混凝土的抗渗性，降低50～100nm以及大于100nm害孔隙的含量。

2.4 抗冲耐磨性

聚丙烯纤维混凝土还具有良好的抗冲耐磨性。由于聚丙烯纤维是以每立方米数千万条的数量，加入混凝土，聚丙烯纤维丝之间彼此牵连，构成均匀而乱向的支撑体系，加强了混凝土体的稳定性，有效防止了因冲击或磨损造成的裂缝。同时，聚丙烯纤维的粘连性好，通过提高混凝土碎块从基体剥落的能量消耗，进一步加强了耐磨性能。

2.5 抗冲击性能

聚丙烯纤维混凝土内部的支撑体系还有助于提高混凝土在遭受冲击过程中，对动能的吸收。由于聚丙烯纤维本身的刚度低，荷载传递的能力较差，反而有效地降低了裂缝的尺寸，加强了材料的介质连续性，从而减少由于冲击波阻断，所导致的局部应力集中，约束裂缝的扩展或延伸。

3 聚丙烯纤维混凝土的应用原理

聚丙烯纤维的原材料是聚丙烯，是通过独特的工艺，以及特殊防静电和抗紫外线处理，使其具备一定的抗紫外线、抗老化性能，从而保障了该纤维的长期作用，维持混泥土性能，其应用的机理主要存在以下两种：

3.1 纤维间距机理

纤维间距机理的主要依据，是弹性断裂力学。该理论认为，在混凝土的内部原本即存在强度的缺陷，如果想要提高其强度，需要尽量提高韧性，而降低其内部的裂缝端部应力集中系数。通过实验证明，纤维能够对裂缝产生约束作用，当纤维的平均中心间距在7.6mm以内时，即可提高纤维混凝土的抗拉、抗弯强度，提高其韧性。

3.2 复合材料机理

如果从复合材料构成混合原理来看，聚丙烯纤维混凝土其实是利用纤维，将混凝土改变成一种纤维强化体系，利用混合原理，推论纤维混凝土所具有的抗拉、抗弯强度等，从而确定纤维混凝土的强度，与纤维的添加数量、添加方向、长径以及粘连力关系。

根据这两种理论可以发现，添加聚丙烯纤维的主要作用，在于提高混凝土的抗拉强度，防止微裂纹扩展衍生，提高其变形能力，改善韧性，最终改良混凝土的自身性能。

4 聚丙烯纤维混凝土在大坝施工中的应用

4.1 工程概况

某水库地处黄土高原沟壑区，其流域面积约为3478km2。该水库的大坝为黄土均质坝，初建时高为58m，经历三次加高后达到75.6m，坝长为565m，总库容约5.4亿m3。该水库的枢纽工程包括大坝、两条泄洪洞、溢洪道、输水洞以及两级电站，其最大泄流量达到5349m3/s。

4.2 工程任务

为了维护水库安全，需要对水库大坝的溢洪道进行改建，施工工程包括进口导流段、引渠段、闸室段（溢流堰）、泄槽段和下游消能防冲段。工程全长为427m，最大泄流量为4709m3/s。要求其闸室使用两孔开敞式泄洪闸，以一孔一联的结构型式进行布置，其单孔的净宽设置为13m，闸室的总宽设计为36m。其中的堰体施工，设计为混凝土实体WES型的溢流堰；泄槽则设计为矩形断面，起始宽度为31m，总长164m，坡比0.025。

由于普通的混凝土材料早期强度低，容易出现裂缝问题，因此，根据混凝土设计强度和耐久性要求及施工和易性需要，为了提高混凝土的抗裂抗磨性能，要求在该工程中运用聚丙烯纤维混凝土，设计其强度为C30/W6/F150，浇筑总量 5138m3。

4.3 混凝土原材料及配合比

工程中所选用的混凝土工程纤维为100%改性聚丙烯，纤维的长度为18mm，其当量直径为15～50μm，物理力学性能如表2所示。此外，采用的水泥为P.O.42.5级普通硅酸盐水泥，天然河砂、骨料以及粉煤灰，添加过高效减水和引气剂缓凝的混凝土等。

表2 聚丙烯纤维物理力学性能

依据工程对于混凝土强度、耐久性方面的要求，结合施工易性需求，对原材料的性能、混凝土配合比等进行试验，其中每立方米的混凝土材料用量为：水泥257kg；细骨料373kg；粗骨料1663kg；粉煤灰45kg；减水剂 2.4kg；引气剂 0.018kg；聚丙烯纤维 0.8kg；水 106kg；水胶比 0.35；坍落度70～90mm。浇筑施工前，需要及时对理论配合比进行调整，以符合施工要求。

4.4 聚丙烯纤维混凝土应用施工

4.4.1 施工流程（见图1）

施工流程为（见图1）：原材料储备、检验→仓面清理→测量放样→钢筋绑扎焊接→模板安装→开仓验收→拌和系统检查→混凝土制备、运输、入仓→温度、坍落度检测→混凝土试块取样→混凝土平仓、振捣→拆模、养护→外观检查。

图1 基本施工流程图

4.4.2 混凝土浇筑

（1）拌和：聚丙烯纤维和外加剂的拌合应当由人工进行，经人工称量后，均匀抛撒到粗骨料上，和搅拌舱中。其余的原料则均可以采用配料机进行自动称量和适配，然后进行搅拌，搅拌时间为5min。拌和施工要使纤维均匀分布，保证混凝土的易性。

（2）运输：为了有效控制混凝土在运输过程中可能出现的离析和泌水问题，要求运输必须运用混凝土罐车，垂直运输过程则采用塔吊配锥形料罐，而仓面的运输则采用溜槽入仓。

（3）浇筑：混凝土的浇筑施工，所采用的为台阶法，即是由低向高进行分层铺料和浇筑，工程要求将浇筑的厚度控制在30cm。等到混凝土入仓，首先由人工进行摊铺和整平，然后使用准70插入式的振捣器，进行梅花形振捣，注意应当快入慢提，直到粗骨料没有出现明显的下沉，即可开始泛浆。在模板出现滑升或提起后，开展一次收面，在混凝土初凝前进行二次收。

（4）养护：在二次抹面结束后，需要使用塑料薄膜进行覆盖保护，约9h后，再覆盖草袋，并进行洒水养护，以维持混凝土表面的湿润程度。

4.5 应用效果

聚丙烯纤维混凝土在该水库大坝工程中的实际应用，有效地抑制了混凝土表面裂缝问题的产生，提高了混凝土体的抗渗、抗冻、抗冲击以及抗磨性能，进而有效保障混凝土施工质量。聚丙烯纤维混凝土对于工程施工没有较高要求，且自身具备良好的力学性能，能够为工程提供质量的保证，经济实用、安全耐用且方便操作，能够得到良好的施工效果。