聚丙烯纤维在糯扎渡水电站溢洪道抗冲耐磨混凝土中的应用.pdf

西 北水 电 2 0 1 2年 增刊 2 4 7 文章 编号 ： 1 0 0 6 --2 6 1 0 ( 2 0 1 2 ) S 2 —0 o 4 7 —0 5 聚丙烯纤维在糯扎渡水 电站溢洪道 抗冲耐磨 混凝土 中的应 用 盘海燕， 李小明， 王 奇 峰 ( 中国水利水电建设工程咨询西北公司， 西安7 1 0 0 7 5 ) 摘要 ： 通过简述聚丙烯纤维混凝土的特I陛， 介绍聚丙烯纤维在糯扎渡水电站溢洪道抗冲耐磨混凝土中的应用效果， 提高了混凝土结构的整体性能。 关键词： 聚丙烯纤维； 抗裂 ； 抗冲耐磨； 抗冻； 抗渗； 性能； 糯扎渡水电站 中图分类号： T V 6 5 1 ． 1 ； T V 4 3 1 ． 3 文献标识码： A Ap pl i c a t i o n o f Po l y pr o p y l e n e Fi be r i n Sc o ur i ng 一 & W e a r i ng— Re s i s t a nc e Co n c r e t e f o r S p i l l wa y． N u o z h a d u Hy d r o p o w e r P r o j e c t P A N H a i — y a n g ， L I X i a o — m i n g ， WA N G Q i — f e n g ( C h i n a H y d r o C o n s u l t i n g E n g i n e e ri n g C o r p o r a t i o n ， N o ~ h w e s t B r a n c h ， X i " a n 7 1 0 0 7 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h r o u g h t h e b ri e f i n t r o d u c t i o n t o c h a r a c t e ris t i c s o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r ，e f f e c t s o f a p p l i c a t i o n o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r i n s c o u ri n g 一 &w e a r i n g — r e s i s t a n c e c o n c r e t e f o r s p i l l w a y o f N u o z h a d u H y d r o p o w e r P r o j e c t are d e s c ri b e d ．The a p p l i c a t i o n o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r i m — p r o v e s t he i n t e g r a t e d p e r f o r ma n c e o f c o n c r e t e s t r u c t ur e s ． Ke y wo r d s ： p o l y p r o p y l e n e fi b e r ； c r a c k r e s i s t an c e ；s c o u r i n g - ＆ w e a r i n g — r e s i s t an c e ；f r o s t r e s i s t a n c e ；i mp e r me a b l e； p e rf o r ma n c e ；N u o z h a d u H y d r o p o w e r P r o j e c t 0 前言 随着 已建水电站高速含沙水流对泄水建筑物造 成磨蚀破坏严重影响建筑物安全运行的工程实例越 来越多 ， 各种高强抗 冲磨混凝土在水 电站工程泄水 建筑物中得到广泛应用。然而高强抗冲磨混凝土亦 存在裂缝 问题 ， 且抗冲磨强度等级越高裂缝越多 ， 为 了解决抗冲磨混凝土 的裂缝问题 ， 近年来 大量 的试 验研究表明在混凝土中掺人聚丙烯纤维可以改善混 凝土的抗裂性能， 提 高混凝土 的抗拉强度 和极 限拉 伸值 ， 降低混凝土的弹性模量 ， 从而减少混凝土的塑 性开裂， 提高了混凝土结构的整体性能， 使混凝土的 抗冻、 抗渗 、 韧性 、 抗磨蚀性能均得到提高。 聚丙烯纤维是近年来 国际上发展较快的一种新 型复合材料 ， 掺人混凝土中由于其化学性质稳定 ， 与 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 9 - 2 6 作者简介： 盘海燕( 1 9 5 4 -) ， 女， 广东省台山县人， 高级工程师 从事溢洪道 、 泄洪洞抗 冲磨混凝 士性能及工程应用研究． 混凝土各组成材料 ( 水泥、 骨料 、 外加剂 ) 不发生任 何化学反应 ， 仅靠改变混凝土的物理结构改善混凝 土的性能。且聚丙烯纤维在混凝土 中分散性极好 ， 适量的掺人不会影响混凝 土的搅拌工艺， 反而有助 于提高混凝土的黏聚性 ， 降低混凝土的泌水率 J 。 聚丙烯纤维的形状分为三叶状、 束状单丝及网 状等 ， 外观呈白色 ， 表面粗糙 多孔 ， 不溶于水 ， 抗拉强 度高， 化学性质稳定 ， 与酸、 碱 、 外加剂等化学物质不 发生作用 ， 具有 良好的耐久性 。聚丙烯纤维主要技 术指标见表 1 。 1 聚丙烯纤维混凝土性能 聚丙烯纤维在混凝土中呈均匀分散 ， 乱向分布 ， 相互搭接成立体 网状结构 ， 能有效地改善混凝 土的 抗裂性能 ， 其主要作用 ： ① 提高混凝土初 、 终凝前的 抗拉强度 ， 减少 了微裂缝的数量 ， 提高混凝土结构的 整体性； ② 阻止混凝土中原有微裂缝的扩展， 延缓 新裂缝的生成； ③ 提高混凝土的变形能力， 有利于 混凝土承受各种收缩应力 的破坏 ， 增强混凝土的韧 48 性和抗冲磨性能 ； ④ 抑制混凝 土的塑性收缩 ， 提 高 混 凝土 耐 久性 。 表 1 聚丙烯纤维主要技术指标表 i i 抗 裂性 能 由于温度 、 湿度等环境 因素变化引起 混凝土收 缩 ， 加上基础的约束而在混凝土内诱发拉应力， 是导 致发生裂缝的破坏力 ， 当这种破坏力超过 了混凝土 自身的抗裂能力时， 混凝土就会产生裂缝。此外混 凝土拌和物存在泌水 、 黏聚性差致使骨料分离 、 入仓 量 { 控 ! 蜜 混凝土纤维用量‘／ ( k g ’m。 ) 透 僻 麓 振捣不密实等内部缺陷时 ， 将引起体积收缩 ， 对混凝 土尤其是处于斜面上的混凝土 ， 因白重产生的向 分力及钢筋 、 基础约束的作用下 ， 在其内部产生一定 的拉应力 ， 由于此时混凝土 尚未初凝 ， 抗拉强度低 ， 亦会 导致混凝土产生微裂缝。温度、 湿度变化引起 的温度变形 、 干缩变形是导致混凝土产生裂缝的直 接原因， 而内部缺陷引起 的体积收缩是导致混凝土 产生裂缝 的间接原 因 。为了提 高混凝 土的 自身 抗裂能力 ， 通常提高混凝土 的抗拉强度和极 限拉伸 值 ， 降低混凝土的弹性模量和干缩变形， 以提高混凝 土承受温度变形 、 于缩变形的能力。减小混凝土 的 泌水 ， 在满足施工要求的前提下尽可能减小混凝土 拌和物的坍落度 ， 提高混凝土的黏聚性 ， 避免由于内 部缺陷造成的混凝土体积收缩 。南图 1可见， 当水 基准与纤维混凝土弹性模量 4 O ．0 ， 0 ： 0 。0 o l!事 图 1 基准混凝土与聚丙烯纤维混凝土-性能比较 图 ∞ 加 ∞ 印 ∞ 狮 0 西北 水 电 2 0 1 2年 增 -? lJ 2 4 9 灰 比相同， 每立方米混凝 土聚丙烯纤 维用量为0 ． 9 k g 时： ① 聚丙烯纤维混凝土的坍落度、 泌水率均小 于基准混凝土 ， 且随聚丙烯纤维掺量 的增加而减小 ， 要保持与基准混凝土相同的坍落度 ， 需适 当增加用 水量或掺用高性能减水剂 。聚丙烯纤维混凝土的泌 水率较基准混凝土泌水率大幅度减低 ， 表 明聚丙烯 纤维能够有效地控制混凝土拌和物的泌水现象。② 聚丙烯纤维混凝土各龄期 干缩变形小 于基 准混凝 土 ， 表明聚丙烯纤维对混凝土的干缩变形具有抑制 作用 ， 当在聚丙烯纤维 混凝土 中掺入 2 0 ％粉煤 灰 ， 抑制干缩变形效果更好。③ 各龄期聚丙烯纤维混 凝土的劈拉强度 、 轴拉强度、 极 限拉伸值均高于基准 混凝土 ， 静压弹模和拉伸弹模均低于基准混凝土 ， 在 相 同混凝土强度下 ， 弹性模量越低越有利 于混凝土 承受变形的能力 。由此表明聚丙烯纤维混凝土较基 准混凝土具有较好的抗裂性能 _ 4 J 。 1 ． 2抗冲耐磨性能 高速含沙水流对泄水建筑物过流面的冲刷磨损 和空蚀作用导致混凝土表层 大面积剥蚀 ， 严重影响 泄水建筑物 的安全运行 J 。为此 ， 对于含推移质较 基准与纤维混凝土拉压比值 四基准混凝土■聚丙烯纤维混凝土 l 2 l 9 o 劈拉与抗压强度比值 l 2 } 9 0 轴拉与抗压强度比值 龄期／ d 多的河流， 不仅要求过流部位 的混凝 土具有 良好 的 抗冲磨性能 ， 还要求具有较高的抗 冲击能力 。普通 混凝土属脆性材料 ， 硬度较低 ， 当混凝土表面反复被 磨擦、 冲击时很容易破坏脱落 ， 提高混凝土的硬度和 韧性将有助于增强混凝土的抗冲击与抗磨性能。混 凝土抗拉强度与抗压强度的比值是反映混凝土脆性 的重要指标 ， 其值越大表 明混凝土 的韧性越好 。由 图 2可见 ， 当混凝土水灰比保持不变 ， 每方混凝土聚 丙烯纤维用量为 0 ． 9 k g 时 ： ① 聚丙烯纤维混凝土各 龄期抗压强度与基准混凝土基本相同， 差别不大 ， 在 混凝土中掺人聚丙烯纤维改善抗压强度作 用不明 显 。② 聚丙烯纤维混凝土各龄期拉压 比均高于基 准混凝土 ， 表明聚丙烯纤维混凝土的韧性高于基准 混凝土。在混凝土中掺人聚丙烯纤维能显著提高混 凝土的韧性 ， 充分显示聚丙烯纤维对混凝土具有较 强 的阻裂和增韧作用。③ 聚丙烯纤维混凝土与基 准混凝土相 比， 前者提高混凝土各龄期的抗 冲磨强 度效果显著， 抗冲磨性能优于基准混凝土。④ 聚丙 烯纤维混凝土抗冲击性能 明显优 于基准混凝 土， 具 有较高的抗冲击能力 。 杂 柑 嫩 混凝土聚丙烯纤维用量／ ( k g ． m 。 ) 图2 基准混凝土与聚丙烯纤维混凝土抗冲磨性能对比图 O 8 6 4 2 0 D／ o ／ 幽鞭 5 0 盘海燕， 李小明， 王奇峰． 聚丙烯纤维在糯扎渡水电站溢洪道抗冲耐磨混凝土中的应用 1 ． 3 抗 渗性 能 混凝土的抗渗性与耐久性有着密切关系， 是确 保水工混凝土建筑物安全运行的一个重要指标。当 水工钢筋混凝土建筑物长期处 于渗漏状态 ， 会引起 钢筋锈蚀导致混凝土结构疏松 ， 保护层开裂剥蚀 ， 为 此提高水工建筑物尤其是挡水建筑物的抗渗性显得 尤为重要。由图 3可见 ， 相同水灰 比、 相同渗水压力 下 ， 聚丙烯纤维混凝土平均渗水浸润高度低于基准 混凝 土， 当渗 水压 力 为 0 ． 9 MP a时 ， 抗 渗等 级 为 W8 ， 聚丙烯纤维混凝土渗水高 度略低于基准混 凝 土 ， 两者渗水高度均较小。随着渗水压力增高聚丙 烯纤维混凝土渗水高度明显低于基准混凝土 ， 表明 聚丙烯纤维混凝土具有 良好的抗渗性能。 g 划 罐 0 9 2 l 逐级加压压力／ MP a 图 3 基准与纤维混凝土抗渗性能 比较 图 1 ． 4抗 冻性 能 混凝土的抗冻性能是评定混凝土耐久性必不可 少的重要指标 。水工建筑物长期遭受冻融循环作用 造成混凝土表层剥落 、 结构疏松等破坏现象 ， 尤其在 寒冷地区混凝土受冻融破坏 现象更为突出， 严重影 响水工建筑物的使用寿命 。 混凝土的抗冻性能与混凝土孔结构密切相关。 在混凝土中掺入适量优质引气剂 ， 使其在混凝 土中 形成大量均匀等间距 的微小气泡， 切断毛细孔渗水 通道 ， 改善混凝土孑 L 结构提高抗冻性能。而聚丙烯 纤维在混凝土中呈均匀分散 、 乱 向分布能够堵塞或 挤压毛细孔通道， 增强抵抗水分子浸入的能力 ， 提高 混凝土的抗冻性能。由图4可见 ， 相同水灰 比、 相 同 含气量 ， 聚丙烯纤维混凝土各冻融循环次数 的相对 动弹模高于基准混凝土 ， 质量损失率低 于基准混凝 土 ， 表明聚丙烯纤维混凝土的抗冻性能优于基准混 凝 土 。 2 聚丙烯纤维在溢洪道抗 冲耐磨混凝 土中应 2 ． 1工程概 况 糯扎渡水电站溢洪道最大泄洪功率 、 最大流速 居世界岸边溢洪道首位 ， 加之澜沧江流域含沙量较 大 ， 多年平均悬移质沙量为9 8 6 8 ． 4 x 1 0 t ， 推移质沙 量为 2 9 6 x 1 0 t ， 高速含沙水流对混凝土溢流面会造 成磨蚀 、 空蚀破坏 ， 故在挑流鼻坎段 、 泄槽段底板及 中隔墩 、 边墙 3 m以下部位采用 C 1 8 o 5 5 W8 F 1 0 0抗冲 耐磨混凝土 。 2 ． 2 混 凝土设 计要 求 溢洪道抗冲耐磨混凝土设计要求见表 2 。 表 2 溢洪道抗冲耐磨混凝土主要设计 要求表 设计强度 强度保 抗渗等 级 抗冻等 级 极限 拉伸值( 1 0 4 ) 等级 证率 2 8 d 2 8 d 9 0 d 1 8 0 d 级配 瞄 ／ e m 度 C1 8 0 5 5 9 5 ％ W8 F 1 0 0 ≥1 ． 0 0 t>1 ． 1 0三、 二5— 7 3 —4 2 ． 3 混凝土原材料及施工配合比 溢洪道泄槽段底板混凝土厚度 0 ． 8～1 m， 采用 滑模浇筑 ， 浇筑最大板块宽 1 5 m， 长 1 2 0 m， 为了降 低混凝土的水化温升 、 减少底板混凝土裂缝和提高 混凝土的耐磨性能 ， 施 工配合 比所用原材料为 ： ① 采用云南祥云水泥厂生产的 4 2 ． 5中热硅酸盐水泥 ， 氧化镁含量为 4 ％左右 ； ② 采用 云南宣威火 电厂生 产的 I级粉煤灰 ； ③ 采用深圳维特耐工程材料有 限 公司生产的束状单丝聚丙烯纤维 ； ④ 采用勘界河砂 石加工系统生产的人工骨料 ； ⑤ 采用江苏博特新材 料有限公 司生产 的 J M— P C A聚羧 酸高性能减水剂 和浙江五强外加剂 厂生产 的 Z B一 1 G引气剂 ； ⑥ 抗 冲耐磨混凝土配合 比由昆明勘测设计 研究 院 ( 简 冻融循环次数／ 次 图 4 基准与纤维 混凝土抗冻性能对 比图 称 ： 昆明院) 设计 ， 中国水 电七局有 限公 司 8 ( 简称 ： 七局) 科研所糯扎渡水 电站工地试验 ； 寝室根据现场原材料实际情况进行施工配合 ； 卷比 设计并提交配合比试验报告， 由 糯扎渡水 电站工程 中心实验室 ( 简称 ： 中心实验室) 和 西北监理 中心技 术部联 合批复使用 。施 T 配合比见表 3 。 ∞ ∞ 如 ∞ 如 加 m 0 西北水 电 2 0 1 2年 增刊 2 5 l 表 3 溢洪道抗冲耐磨混凝土配合比表 设 计 等 级 水 胶比 中 疆： 小 石 粉 煤 灰 掺 量 J M — P E A 掺量z B 一 1 A 掺量 C1 8 o 5 5 W8 F l O 0 0 ． 3 8 5 5： 4 5 2 0 ％0 ． 8 ％ 一 0 ． 9 ％0 ． 0 1／ 3 ％ - 0 ． 0 0 8 ％ 注 ： 表 中 标 注为 泉 送 混 凝 土 日 合 比 ， 水 胶 比为 0 ． 3 6 ， 中石 与 小 石 比例 5 0： 5 0 。 2 ． 4混凝土生产、 浇筑质量控制 陡槽段底板聚丙烯纤维混凝 土采用滑模 浇筑 ， 坍落度控 制 5— 7 c m， 出机 口混凝土温度控 制 ≤l 0 ℃。聚丙烯纤维混凝土 由 2号拌 和楼 2台 1 ． 5 I n 强制式搅拌机交替进行拌制 ， 采用风冷骨料 和加 冰 控制混凝土出机 口温度 ， 通过工艺试验确定温控聚 丙烯纤维抗 冲磨混凝土搅拌时间为 1 2 0 S ， 拌和楼拌 制聚丙烯纤维混凝土投料顺序 为： 砂+ 小石 + 纤维一 水+ 外加剂一水泥+ 粉煤灰一 中石+ 大石。聚丙烯纤 维由生产 厂家按 1 ． 5 I l l 用量采用易溶于水的纸袋 包装 ， 与小石一 同投入拌和机搅 拌。聚丙烯纤维能 均匀分散于混凝土 中， 无絮凝成团现象 ， 出机 口拌和 物的黏聚性较好。掺人聚羧酸减水剂使聚丙烯纤维 混凝土触变性较好 ， 入仓泌水少 ， 易振捣 ， 混凝土初 凝后易抹面。出机 口混凝土拌和物的质量 由施工单 位 、 中心实验 室和西北监理 三方共 同控制 ， 取样 检 测 ， 检测结果混凝土 出机 口坍落度 、 含气量 、 温度均 满足设计和施工要求。 2 ． 5硬化混凝土质量控制 表 4， 5为监理抽检 C ㈨5 5 W8 F l O 0溢洪 道抗 冲 耐磨混凝土试验结果 ， 聚丙烯纤维混凝土抗压强度 、 极限拉伸值 、 抗冻 、 抗渗均满足设计等级要求。抗冲 磨试验采用水下钢球法进行试验 ， 由试验结果可见 ， 1 8 0 d试件磨损率仅为2 ． 9 4 ％ ， 聚丙烯纤维混凝土具 有较好的抗冲磨性能。 表 4纤维 混凝土力学陛能检测结果表 丛 丛 丛 ( ! Q ： ! ) l Q ： l Q ： 2 8 d l 8 0 d 2 8 d 1 8 0 d 2 8 d l 8 0 d 2 8 d l 8 0 d 2 8 d 1 8 0 d 2 8 d 1 8 0 d 4 9 ． 3 6 5 ． 0 3 ． 4 6 4 ． 7 5 3 ． 1 7 4 ． 2 l l 1 0 ． 1 l 3 3 ． 7 3 ． 0 1 3 ． 3 0 3 ． 2 6 3 ． 6 1 表 5 纤维混凝土抗冲磨强度、 耐久性检测结果表 3 聚丙烯纤 维混凝 土应用效果 ( 1 )深圳维特耐聚丙烯纤维掺人混凝土中分散 均匀 、 拌和物黏聚性好 、 泌水少 、 易抹面 ， 溢洪道泄槽 段抗冲耐磨底板混凝土抹面平整度 ， 满足设计要求 3 ra m ／ 3 i n ， 合格率 9 5 ． 0 ％以上， 总体平整度达到优 良标准。 ( 2 )溢洪道 C 5 5 W8 F 1 0 0抗冲耐磨 聚丙烯纤 维混凝土抗压强度 、 极限拉伸值 、 抗冻 、 抗渗均满足 设计要求 。施工单位统计 1 7 6组 2 8 d抗 压强度标 准差 3 ． 6 9 M P a ， 小于 4 MP a 混凝土生产达到良好水 平 ， 强度保证率达到 9 8 ． 4 ％。 ( 3 )溢洪道底板聚丙烯纤维混凝土在混凝土浇 筑 3个月 内裂缝很少 ， 聚丙烯纤维功不可没， 将其掺 入混凝土中能有效控制混凝土早期开裂 。半年后裂 缝开始增多。增多裂缝的原因很多， 其主要原因： ① 陡槽段底板属大跨度薄板结构， 受基础约束明显 ， 溢 洪道底板混凝土采用通仓浇筑 ， 浇筑板块长度越长 基础约束越大， 加之糯扎渡昼夜温差大 ( > 2 0℃) 在 混凝土内部诱发拉应力， 导致裂缝产生； ② 通水冷 却降温速率过快和降温幅度过大导致混凝土产生裂 缝 ； ③ 由于溢洪道泄槽段分布有 3条大的地质破碎 带 ， 盖重混凝土与开挖建基面之间局部存在较大错 台， 导致应力集中， 诱发裂缝产生。 ( 4 )抗冲耐磨混凝土配合比所用原材料经过昆 明院和七局 工地试 验室一系列 的优化组合试验研 究 ， 降低了因原材料引起 的混凝土 自身开裂。 ( 5 )在聚丙烯纤维混凝土中掺入聚羧酸高性能 减水剂 ， 可降低 由于纤维 的掺人增加 的用水量 。混 凝土拌和物看似坍落度小但其 触变性好 ， 入仓混凝 土易振捣 ， 二次搅拌后可恢复流动性 ， 使混凝土和易 性变好， 适合用于坍落度小的滑模浇筑。 参考文献： [ 1 ] 龚洛 书． 混凝土 实用手 册 [ M] ． 北京 ： 中国建筑 工业 出版社 ， 1 9 9 5 ． [ 2 ] 电七局澜沧江糯 扎渡施工局 ． 溢洪道抗 冲磨 防空蚀混凝 土工 艺试验总结报告水 [ R] ． 成都 ： 中国水 电七局有限公司 ， 2 0 1 0 ． [ 3 ] 西北咨询公司糯 扎渡水 电站 监理 中心． 溢洪道抗 冲耐磨混 凝 土温控专题报告 [ R] ． 西安 ： 中国水利水 电建设 工程咨询 西北 公 司， 2 0 1 1 ． [ 4 ] 西北勘测设计 院工科分院 、 公伯峡电站中心试验室 ． 黄河公伯 峡水 电站面板混凝土试验报告 [ R] ． 西安 ： 中国水利水 电建设 工程咨询西北公司 ， 2 0 0 3 ． [ 5 ] 广西水电工程局科研所． 聚丙烯纤维混凝土在乐滩水电站的 应用[ J ] ． 红水河， 2 0 0 6 ， ( 3 ) ： 5 8 — 6 0 ． ( 6 ] 康鸣雷， 刘增强． 聚丙烯纤维} 昆 凝土在西霞院工程中的应用 『 J 1 ． 西北水电 ， 2 0 0 7 ， ( 3) ： 4 5 — 4 7 ．