熊剑

（贵州省正安县水务局，贵州 正安 563400）

1 引言

文章以位于贵州省正安县城凤仪镇西南面梨坝村境内清溪河支流的深沟溪上的八岔林水库工程为背景，对聚丙烯纤维掺加后，大坝混凝土工程性能的改善展开试验研究，为聚丙烯混凝土在水利工程中的应用提供指导。

2 试验设计

2.1 试验材料及配合比

此次水工混凝土掺聚丙烯纤维改性的试验以P.O42.5 和P.O52.5 普通硅酸盐水泥、比表面积500 m2/kg 的矿渣、细度模数2.80的中砂、粒径在10 mm以下的碎石料及聚丙烯纤维材料和高效减水剂等为主要材料。聚丙烯纤维物理性能详见表1。外加剂选用减水率为15%～20%、抗压强度比为109%的QX-A型高效减水剂，按照胶材实际用量的0.50%～0.70%掺加，其余性能均满足《混凝土外加剂规范》规定。

表1 聚丙烯单丝纤维物理性能表

为展开水工混凝土配合比设计，设置4组聚丙烯纤维混凝土（编号为B-1、B-2、B-3）和1组普通混凝土（编号为A-1），按照不超出0.20%的比例掺加聚丙烯纤维；若纤维掺量达到0.40%，则相应降低骨料掺量，确保水工混凝土性能。配合比情况详见表2。试验过程中通过减水剂掺量的调整，将水工混凝土出机塌落度控制在120～150 mm。

表2 水工混凝土配合比表

2.2 试验方法

按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》的相关规定，通过劈拉试验检测水工混凝土抗压强度和抗拉强度。具体而言，使用INSTRON-8501电液伺服万能试验机，在试件中部安装夹式引伸仪，并在等应变控制模式下展开试验。试验仪器结构见图1，通过夹式引伸仪和荷载传感器量测位移和荷载，并在计算机控制下实时输出劈拉荷载-位移曲线。因水工混凝土试件在劈拉试验中主要存在两种破坏模式，聚丙烯纤维混凝土劈拉荷载-位移曲线的第一峰值小于第二峰值，为保证试验结果的准确可靠，在抗拉强度计算时统一取第一峰值处荷载值。

图1 劈拉试验装置图

3 试验过程及结果

3.1 拌和物性能

为研究聚丙烯纤维掺加后水工混凝土拌和物性能的变化，对普通混凝土拌和物和聚丙烯纤维混凝土拌和物性能展开比较，结果见表3。由表中结果可知，掺加聚丙烯纤维材料后混凝土初凝时间缩短了1～1.50 h，终凝时间也相应缩短，但这种凝结时间的改变与聚丙烯纤维掺量之间无明显的规律性。聚丙烯纤维混凝土的塌落度损失比普通混凝土低。B-2 组聚丙烯混凝土含气量明显增大，通过观察试件发现，该混合物中纤维分布不均，且明显成团；其余混合物因纤维分布均匀，而含气量取值较为接近。

表3 拌和物性能对比

同时B-2组聚丙烯混凝土因纤维分布不均匀，导致混凝土密实性降低，泌水率较大；其余拌和物因纤维的加入而表面析水减少，泌水率均下降。可见，聚丙烯纤维均匀掺加后，可降低拌和物泌水性，提升混凝土保水性。

3.2 抗压强度及劈拉强度

按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》制作150 mm长、150 mm宽、150 mm高的正方体混凝土试件，并按规范要求养护后，通过液压机测试7 d和28 d抗压强度及劈拉强度。根据测试结果，普通混凝土试件的7 d 和28 d 抗压强度分别为25.43 MPa 和36.21 MPa，劈拉强度为2.23 MPa 和3.21 MPa；聚丙烯纤维混凝土试件B-1 的7 d 和28 d 抗压强度分别为28.34 MPa和36.73 MPa，劈拉强度为2.47 MPa和3.54 MPa；试件B-2的7 d和28 d抗压强度分别为28.41 MPa和36.74 MPa，劈拉强度为2.49 MPa和3.56 MPa；试件B-3的7 d和28 d抗压强度分别为27.60 MPa 和36.01 MPa，劈拉强度为2.50 MPa 和3.61 MPa。结果表明，聚丙烯混凝土抗压强度与普通混凝土抗压强度较为接近，聚丙烯纤维的掺加对混凝土抗压强度的贡献并不显著。混凝土劈拉强度随纤维掺量的增大而增大，纤维掺加对水工混凝土抗裂性能的改善十分明显。

试验结果还表明，聚丙烯纤维混凝土试件破坏过程中仅个别试件完全劈裂，大部分试件仅出现裂缝；其试件破坏时存下一个明显的变形继续发展但荷载维持原状的阶段。试件开裂后立即卸载，则表面裂缝会随之闭合，说明聚丙烯纤维材料的掺加能增大混凝土延性和徐变性。

3.3 收缩开裂性能

通过平板法展开混凝土收缩开裂性能试验。根据试验结果，聚丙烯纤维混凝土试件中大、中裂缝显著减少，细小裂缝增多，且细小裂缝在卸载后均闭合，说明聚丙烯纤维材料的掺加能降低混凝土收缩开裂性能。通过分析原因发现，混凝土浇筑完成时含水率较大，因环境温度等原因，表面水分快速蒸发，出现表层收缩；在内层混凝土限制下出现拉应力及大量不规则裂缝；而掺加聚丙烯纤维材料后，因纤维材料直径细小，会在混凝土结构中形成三维网格，较好地承受基材收缩而产生的拉应力，起到抑制裂缝产生及卸载后促进细小裂缝闭合效果。

4 应用效果

八岔林水库工程大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，坝高最大为65.50 m，坝顶长133 m、宽6 m，坝顶高程735.50 m，上游设3.70 m高的L型防浪墙。上下游坝坡坡比均为1：1.40，坝底最大宽度为187.48 m。为增强堆石坝面板施工效果，使用掺聚丙烯纤维混凝土材料。

该水库堆石坝面板于2019年10月处浇筑完成，蓄水前，参建各方对混凝土面板展开联合检查，共发现9 条裂缝，且均非贯穿性裂缝，裂缝最大长度为1.50 m，最大宽度为0.16 mm，均未超出设计和规范值，无需特殊处理。

因掺加聚丙烯纤维的面板混凝土能有效防止和改善裂缝，使水库堆石坝在后期运行过程中针对裂缝处理而产生的费用大大减少。根据配合比试验，该堆石坝面板混凝土中聚丙烯纤维掺加量为1 kg/m3，混凝土施工成本提高不多，但是预防裂缝效果十分显著。水库蓄水运行至今，经历几次较大规模洪水的检验，堆石坝面板各项技术指标均正常。

5 结论

综上所述，随着水工混凝土龄期的增长，拉压比减小，脆性增大，而掺加聚丙烯纤维材料后既会提升水工混凝土粘聚性和抗泌水性，又能影响和改善搅拌工艺。根据试验及相关研究结果，水泥凝胶体与聚丙烯纤维具有不同的弹性模量。在构件受力后，水泥胶凝体与纤维产生不同的应力应变，胶凝体将部分应力传递至纤维，纤维因延伸率较高，故在其与水泥胶体交界面产生剪应力，阻碍混凝土内部裂缝的发生，提升聚丙烯纤维混凝土的韧性和抗裂性能。根据八岔林水库大坝加固施工效果，聚丙烯纤维材料对混凝土工作性能无不良影响，聚丙烯纤维混凝土在水利水电工程中具有广阔的应用前景。