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聚丙烯纤维混凝土在水利水电工程中的应用探讨

整理编辑:林凉音 发布时间:2022-08-24

内容摘要:

室内试验和工程实践表明,在混凝土中加入较低水平的聚丙烯纤维可以减少或防止混凝土浇筑后的早期硬化。此外,还可以减少因渗水、排水引起塑性收缩和微裂缝,防止混凝土硬化...

室内试验和工程实践表明,在混凝土中加入较低水平的聚丙烯纤维可以减少或防止混凝土浇筑后的早期硬化。此外,还可以减少因渗水、排水引起塑性收缩和微裂缝,防止混凝土硬化后期温度变化引起的干缩裂缝和微裂缝,从而提高混凝土的抗渗、抗冻、抗磨性能。同时,由于大量纤维随机分布在混凝土中,混凝土结构在初始开裂后的变形能力、剩余强度和韧性都有一定的提高。此外,聚丙烯纤维混凝土具有较高的粘度,可以改善喷射混凝土的性能,降低回弹。这些特点使聚丙烯纤维在国外20多年来成为提高混凝土性能的重要手段。

80年代中期,聚丙烯纤维混凝土逐渐在我国民用建筑和交通行业得到应用,如高层建筑地下室、污水处理厂污水池、游泳池、粮库、大型停车场、公路路面、高架道路路面、桥面铺装、机场停机坪、码头货场等,以及喷射聚丙烯纤维混凝土在地下洞室、护坡等工程中应用。聚丙烯纤维混凝土(PFRC)因其优良的性价比和与常规混凝土相同的施工方法而得到广泛应用。

聚丙烯纤维混凝土性能

作为二次混凝土增强系统(即,不代替承重钢),聚丙烯纤维对混凝土性能有以下影响:

聚丙烯纤维抑制了混凝土的塑性收缩裂缝,提高了建筑物的整体性、耐久性和使用寿命

用美国的Pardon和Zollo方法对混凝土的塑性收缩特性进行了分析,并用模拟体积变化的平面试样代替ASTM中只能反映线性收缩的试样。加入含0.1%体积聚丙烯纤维的砂浆和混凝土,混凝土的裂缝分别比对照试样减少87%和82%,砂浆的收缩比对照试样减少32%~40%,一组的收缩比对照试样减少48%。另一个与对照样品相同。同济大学混凝土材料研究国家重点实验室的结果表明,聚丙烯纤维含量为0.05%和0.15%的砂浆收缩裂缝加权宽度分别为对照试样的63.5%和37.3%。浙江大学土木工程学院28天干缩试验表明,添加0.1%聚丙烯纤维可使混凝土的干缩降低10%左右。大量工程实践也证明,使用聚丙烯纤维降低混凝土塑性收缩,防止混凝土开裂是十分明显的。特别是随着混凝土施工技术的发展,有了激光混凝土平面浇注机,浇注量可达70m3/h,地面每天可铺设2000m2。聚丙烯纤维混凝土的应用成功地解决了在这种结构强度下控制收缩裂缝的问题。根据减少聚丙烯纤维收缩裂缝的机理,第一个原因是聚丙烯纤维的存在减少了水在混凝土中的迁移,减少了渗水现象,从而减少了体积变化。根据英国认证委员会(BBA)的认证,聚丙烯纤维混凝土的泌水可减少35%~55%。另一个理解是聚丙烯纤维具有低的变形模量,然而,它相当于混凝土在硬化早期阶段(24小时内)的变形模量,因此可以有效地抑制开裂。过去,通常采用钢筋网来防止板结构中的裂缝。聚丙烯纤维的广泛使用在某种程度上取代了这种传统做法。圣何塞大学进行的对比试验表明,与普通混凝土相比,使用聚丙烯纤维含量为0.68kg/m3的混凝土减少了71.5%的裂缝,而具有钢丝网的混凝土只减少了6.5%的裂缝。大多数人认为钢筋网和聚丙烯纤维混凝土具有一定的裂缝抑制功能,属于二次加固。然而,由于前者分布稀疏,前者的作用实际上较弱,主要限制了裂缝发生后裂缝的宽度。因此,许多人认为聚丙烯纤维混凝土可以代替钢丝网在地板支撑板结构中的应用,但同时也指出,聚丙烯纤维混凝土配合使用效果更好。聚丙烯纤维混凝土可以代替钢丝网混凝土,方便施工,加快施工进度,带来效益。

1.2强度和韧性是混凝土的两个主要性能

当聚丙烯纤维含量约为混凝土体积的0.1%时,混凝土的静强度(<压缩、拉伸、弯曲等)不会增加,但韧性会受到显著影响。试验结果表明,它能显著提高混凝土的抗冲击性和柔韧性。圣何塞大学的测试表明,聚丙烯纤维混凝土的抗冲击性是普通混凝土的两倍,柔韧性提高了约40%,抗疲劳性提高了三倍。兰宁综合了一系列试验的结果:通过后裂完整性测量的聚丙烯纤维混凝土的韧性指数(ASTM方法)可提高15%,抗冲击性可提高10%至50%。试验结果还表明,根据ASTM方法,I100的韧性指数可提高70%。Soroushian等人用落重破坏圆筒试样的次数来表示其抗冲击性能,0.1%含量的聚丙烯纤维混凝土约为对照素混凝土的2.9倍。浙江大学进行的抗弯试验表明,掺量为0.1%的聚丙烯纤维混凝土即使不提高抗弯强度,也能保持其完整性,而无需进一步加载。结果表明,聚丙烯纤维混凝土具有良好的韧性。表征韧性的另一个特性是抗破碎性。在压缩试验中,素混凝土在断裂后立即完全断裂,而聚丙烯纤维混凝土在达到最大荷载后仍未断裂,这对地震破坏的建筑结构的人员和财产安全具有重要意义。此外,由于在混凝土中随机地分离出大量聚丙烯纤维(大约每立方米1000万根纤维),因此显著地改善了混凝土的变形性能。据国外报道,高掺量聚丙烯纤维混凝土的极限拉应变可达普通混凝土的2~3倍。指出,为了提高混凝土的韧性,以及对于预制、喷射混凝土,需要大的聚丙烯纤维含量。根据ASTMC1018进行的试验表明,在聚丙烯纤维含量为0.5体积%时,残余强度系数可达到相当于钢纤维含量为20kg/m3的水平。

1.3提高混凝土的抗渗性

圣何塞大学的试验表明,含量为0.5kg/m3的聚丙烯纤维混凝土的透水性降低33%至44%,而含量为1kg/m3的聚丙烯纤维混凝土的透水性降低79%。综合已有的试验数据,可使纤维混凝土的渗透性降低33~45%。同济大学混凝土材料研究国家重点实验室试验表明,聚丙烯纤维含量为0.8kg/m3的混凝土抗渗等级由普通混凝土的S10提高到S14。当纤维砂浆的体积含量为0.05%时,防渗压力提高25%。聚丙烯纤维混凝土具有良好的抗渗性,可防止和延缓渗透、湿气、氯化物等有害介质对混凝土的腐蚀和钢筋的腐蚀,延长建筑物的使用寿命。

1.4增加混凝土的抗冻性

混凝土的抗冻性是混凝土耐久性的特征,也是寒冷地区混凝土的性能要求。为了满足以往工程对抗冻指标要求,除引气剂外,经常增加水泥用量,提高混凝土的等级,使混凝土更容易开裂,不利于抗冻。南京水科学研究所C25混凝土快速冻结试验结果表明,普通混凝土抗冻指数为100,纤维含量大于等于0.9kg/m3的混凝土抗冻指数大于等于200倍。冻融循环试验后,混凝土失重较小,相对动弹性模量下降较多,表明混凝土冻融损伤主要是由混凝土中微裂纹引起,聚丙烯纤维的加入有助于抑制和减少微裂纹的发生和发展,可见聚丙烯纤维对提高混凝土的抗冻性起着重要作用。

1.5提高海水环境中的耐腐蚀性

混凝土在海水中浸泡时,由于海水与水泥和骨料中的一些离子发生化学反应,表面会形成水镁石和文石(碳酸钙)。一些骨料中的一些离子溶解在水中,这软化了混凝土的表面,降低了混凝土的抗渗性和耐电解性,并导致混凝土失去耐久性和混凝土的破坏。AbdulHamid等人。模拟了现场条件,结果表明0.2%聚丙烯纤维混凝土表面的结垢时间比普通混凝土长1-10倍。普通混凝土在海水中浸泡后表面呈片状,易剥落,而聚丙烯纤维混凝土表面不处于分离状态。根据X射线衍射试验,用于测定混凝土腐蚀程度的石膏和文石含量仅为普通混凝土的38%和58%。研究人员认为,掺入聚丙烯纤维是降低混凝土受海水腐蚀的有效措施。西班牙的一项研究表明,聚丙烯纤维混凝土通过减少内部气体循环来减缓海水中的腐蚀。

1.6聚丙烯纤维混凝土抗弯强度

聚丙烯纤维混凝土的抗压强度与普通混凝土相似,但能在一定程度上提高混凝土的抗弯强度,其改善程度与外加剂的用量有关。体积含量为0.5%~1%的聚丙烯纤维混凝土的抗弯强度是普通混凝土的1.6~1.9倍。通过对比试验表明,采用添加聚丙烯纤维的方法可以减少传统方法设计的钢筋网数量。同济大学的试验结果表明,掺0.8kg/m3聚丙烯纤维的混凝土抗弯强度提高了7.6%,表明低聚丙烯纤维对混凝土抗弯强度的影响非常有限。

混凝土抗磨性能提高1.7倍

根据挪威政府公路实验室模拟抗磨性试验,聚丙烯纤维混凝土抗磨性提高52%,材料损失降低34.4%。根据美国陆军工兵部队的CRD-C52-54方法,聚丙烯纤维混凝土的耐磨性提高了105%,在相同条件下加入聚丙烯纤维可以使混凝土寿命加倍。南京水科学研究所和长江科学院采用不同的试验方法进行了抗磨性试验,证明聚丙烯纤维混凝土具有较好的抗磨性。聚丙烯纤维混凝土的其它性能,如在施工振动过程中防止粗骨料沉降,提高表面强度;由于聚丙烯纤维的熔点为160℃~170℃,聚丙烯纤维混凝土可以熔化形成气体通道,防止高强混凝土(60~100MPa)爆炸,因此可以作为高层建筑的耐火混凝土。此外,为了缩短老化建筑物的修复时间,国外广泛采用快硬混凝土(<1h硬化时间),且水泥用量增加较多,从而增加混凝土的脆性。聚丙烯纤维混凝土可以弥补这一不足。

聚丙烯纤维混凝土的经济性

目前,进口优质聚丙烯纤维网和聚丙烯纤维纱的价格均在100元/公斤以上,国产优质改性聚丙烯纤维纱的价格为50-65元。按每立方米混凝土0.9kg改性聚丙烯纤维计算,每立方米混凝土单价将增加50元左右,远低于钢纤维混凝土单价。国内外许多文献都指出聚丙烯纤维混凝土与钢纤维、钢丝网相比具有较好的经济性。在我国国情下,以桥梁路面、公路路面、厚度为65mm的耐磨、耐寒、抗裂层路面为例,对聚丙烯纤维混凝土、钢纤维混凝土和钢丝网加固表面进行了比较。铺路材料每平方米价格分别为9.6元、29.3元和26元。聚丙烯纤维是最经济的。这不涉及其他种类材料在运输、安装过程中增加的成本和施工增加的麻烦。喷射聚丙烯纤维混凝土的回弹损失比普通喷射混凝土小得多。

聚丙烯纤维混凝土施工方法

在混凝土中加入聚丙烯纤维非常方便,不需要改变原混凝土的比例,也不需要更换原设计的承重钢筋。一般现浇混凝土的配合比为0.6~1.2kg/m3,纤维长度为15~19mm。聚丙烯纤维在加入干材料(沙子、水泥等)之后和在加入水之前加入。混合时间取决于混合方法和混合器的类型,并且可以基本上与不添加聚丙烯纤维的混合时间相同或稍长。此外,聚丙烯纤维总表面积大到必须将水吸附在其表面上,因此聚丙烯纤维的加入将增加混合物的粘度并降低坍落度。如果施工浇注困难,一般不宜增加耗水量,应使用增塑剂或减水剂。由于聚丙烯纤维能保持水分,且泌水速度减慢,因此整理过程应适当推迟,并应在终凝接近普通混凝土时进行。此外,由于聚丙烯纤维混凝土粘度较大,比普通混凝土更适合滑模施工。对于预制混凝土产品的施工,聚丙烯纤维混凝土也可以减少搬运过程中的损坏。

聚丙烯纤维混凝土在水利水电工程中的应用探讨

根据聚丙烯纤维混凝土的特点,主要用于水利水电工程的以下结构部位。

4.1主楼水下部分

在水电站主厂房水下结构中,普通混凝土由于微裂缝或裂缝的存在,往往会降低其防渗能力,使主厂房下层非常潮湿,影响机电设备的正常运行。聚丙烯纤维混凝土由于具有很强的抗渗能力,在上海等高层建筑地下室中取得了许多成功的经验,可为解决水电站主厂房下层的潮湿问题提供借鉴。聚丙烯纤维混凝土在国外水池、水利工程、海岸工程等混凝土结构中应用,对混凝土的抗裂、防渗要求较高,不仅抑制了混凝土的塑性开裂,提高了混凝土的抗渗性能,特别适用于薄壁结构。

4.2板混凝土结构

聚丙烯纤维混凝土(PFRC)在表承板结构、水电站消力池、护岸、船闸底板等领域有着广泛的应用。其厚度大多较小,常与基岩直接接触,由于基岩约束,混凝土浇筑后容易开裂。聚丙烯纤维混凝土(PFRC)由于其干缩小、初凝时塑性收缩微裂纹的抑制,可以减少楼板混凝土的开裂。在传统设计中,为了防止表面收缩裂缝,经常设置表层分布钢筋网。由于钢丝网的间距一般为15~20cm,由于种种原因,混凝土表面防裂的目的可能无法实现。用聚丙烯纤维混凝土代替钢筋网是一种经济有效的措施,大大简化了施工过程,加快了施工进度,值得进行试验研究。

采用滑模施工的堆石坝面板也是一种板结构,面板的长度从10米到200米不等。堆石坝面板是一种挡水结构,过大的裂缝会造成过大的渗漏,对工程有害。聚丙烯纤维混凝土(PFRC)由于能减少或防止裂缝,从而提高抗渗性,特别适合于面板应用。浙江百溪水库堆石坝坝高124m,在大量室内试验和现场技术试浇基础上,于2000年9月~12月进行了二期聚丙烯纤维混凝土面板滑模施工,检查发现裂缝比未加聚丙烯纤维的一次面板小、窄。大坝蓄水后实测渗漏量仅为5~6L/s。

4.3喷射混凝土在工程中的应用

聚丙烯混凝土粘度高,适用于喷射混凝土。与普通喷射混凝土相比,喷射聚丙烯纤维混凝土能显著降低回弹损失,增加一次喷射厚度,提高生产能力,降低总成本,防止裂缝的发生。可用于隧道支护、护坡、拱桥拱底修复、水池及筒仓结构的预应力钢丝缠绕喷射混凝土施工。1985年,瑞典国家研究院对钢纤维聚丙烯纤维喷射混凝土与普通喷射混凝土进行了对比试验。结果含纤维喷射混凝土的抗压强度和抗弯强度分别比无纤维喷射混凝土高34%和46%。在矿山加固工程应用中,不添加纤维时实际回弹量为25%,添加钢纤维时实际回弹量为10%。添加4%~5%聚丙烯纤维。Morgan等人.对含4~6kg/m3聚丙烯纤维高飞灰混凝土(占胶凝材料的63%左右)的喷射混凝土进行测试,并对从喷射层取样的结果进行测试。无聚丙烯纤维的混凝土基本无韧性指标,但两种聚丙烯纤维含量的混凝土均能满足ASTM试验规范的要求,开裂后的剩余强度系数达到0.33~0.55。

在工程应用方面,美国亚利桑那州渠道防洪工程加固中使用的喷射混凝土均采用聚丙烯纤维金属网代替,喷射混凝土厚度为100~150mm。为符合环保、电力及商业需要,香港的新隧道工程已将钢纤维换成聚丙烯纤维及厚度为75mm的喷射混凝土。菲律宾的一个隧道已经成功地使用聚丙烯纤维混凝土来加固洞口的斜坡,并为隧道提供初始支撑。引黄工程和铁路工程采用喷射聚丙烯纤维混凝土护坡。根据他们的经验,聚丙烯纤维混凝土的边坡稳定性优于普通喷射混凝土。

在喷射聚丙烯纤维混凝土施工中,宜采用湿喷法,准确控制水灰比,提高喷射混凝土质量,降低回弹损失,使聚丙烯纤维充分分散在混凝土中。过去,湿式喷涂机完全是进口的,主要有日本和美国开发的挤压泵、英国的Compernass和德国的BSM-903湿式喷涂机,价格昂贵。近年来,中国铁路科学研究院西南分院研制了TK-961型混凝土湿喷机,比进口产品便宜得多,喷射速度可达5m3/h,最大水平输送距离可达40m,最大垂直输送距离可达20m,但自动化程度低,操作人员需要仔细控制喷射参数。

聚丙烯纤维混凝土在水利水电工程上的应用探讨

4.4高速水流位置

水利水电工程溢流面、溢洪洞、消力池、溢洪道斜槽、闸门槽、排砂槽等都存在高速水流冲刷、冲刷、汽蚀等问题,特别是在水流混沙时。问题更加严重。为了提高这些部位混凝土的抗冲性能,过去的工程措施中采用了高强混凝土、硅粉混凝土和钢纤维混凝土。高强混凝土、钢纤维混凝土和硅粉混凝土施工难度较大。在上述工程中采用抗冲击、抗磨性好的聚丙烯纤维混凝土是合理的选择,不需要增加混凝土等级。

4.5现场路面和桥梁工程

在国内外公路工程中,聚丙烯纤维混凝土采用了大量成功实例,工程建设实践证明,聚丙烯纤维混凝土具有良好的抗磨、抗冲疲劳性能,公路混凝土路面的使用寿命比普通混凝土路面长5~10年。大中型水利水电工程往往需要配备重型或超重型车辆,在现场施工中对路面的抗磨、抗裂、抗冲要求很高。普通混凝土路面耐久性差,但钢纤维混凝土路面价格昂贵,存在轮胎磨损问题。聚丙烯纤维混凝土路面可满足大中型水利水电工程施工及运输需要。天荒坪抽水蓄能电站后期,在数千平方米的厂区道路上浇筑了聚丙烯纤维混凝土,至今未发现裂缝。小湾水电站也开始使用大量混合温度骤降至-8℃,经过检测调试后,对路面的非固化土进行检测。任何裂缝.三峡大坝120号栈桥垫层采用聚丙烯材料。

采用聚丙烯纤维混凝土作桥面铺装,可以代替钢纤维混凝土,节省投资。它能有效地抑制和减少裂缝,提高桥面的防水性和20多年来开发的合成纤维混凝土的抗破坏能力,减缓钢筋的腐蚀,延长结构的使用寿命。山东经济史。除聚丙烯纤维外,还存在高模量聚乙烯、丙烯酸类公路桥面混凝土断裂严重的问题,1996年与聚丙烯、聚酯纤维等一起使用,一些试验表明,这些纤维在工程性能上优于聚丙烯纤维,但由于价格比的原因,它们优于聚丙烯纤维。郑州市自1996年起,以聚丙烯纤维为主要原料混配或大量应用聚丙烯纤维。聚丙烯纤维混凝剂替代金属网作为我国公路桥梁路面加固结构。浙江土的应用比其他国家落后近20年,阜阳中步大桥虽然是我国320国道上的一座富春江大桥,但近年来这种材料的应用发展迅速。但进口路面为C50钢纤维混凝土。我们与设计、施工、纤维昂贵,限制了其使用范围,使新施工单位和监理单位同意尝试少量国产改性聚丙烯纤维的技术不能得到显著发展。目前,我国已发展了以钢纤维为替代材料的改性技术,并进行了室内混凝土对比试验。1999年,阜阳中埠大桥22号段下游1/3桥面丙纶价格仅为进口纤维价格的1/212。白溪水库二期面板采用国产改性聚丙烯纤维混凝土浇筑120纤维混凝土的成功经验,在我国水利水电建设中已达到m2。次年1月8日,发生了30年来未曾遇到的一次大寒潮。

钟秉章

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