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改性聚丙烯纤维混凝土在桥巩水电站船闸中的应用.pdf
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1、广西水利水电G X WA T E R R E URC E S& HY D R OP OWE R E N GI N E E R I NG 2 0 1 1 ( 1 ) 研究与探讨 改性聚丙烯纤维混凝土在桥巩水电站船闸中的应用 陶建福 , 詹 义2 , 刘华强3 ( 1 广西电力工业勘察设计研究院, 广西南宁5 3 0 0 2 3 ; 2 重庆市水利电力建筑勘测设计研究院, 重庆4 0 0 0 2 0 3 江苏省水利科学研究院, 江苏扬州2 2 5 0 0 2 ) 【 摘要】 分析了混凝土中掺入少量改性聚丙烯纤维对混凝土的抗裂、 抗渗、 抗冲耐磨等各种性能的影响。为了解 决桥巩水电站船闸输水廊道由于
2、高速水流及泥沙冲刷、 磨损、 侵蚀而出现的问题, 设计过程中在输水廊道周边混凝 土中掺入少量改性聚丙烯纤维, 低掺率的改性聚丙烯纤维能有效提高混凝土的抗裂、 抗渗和抗冲刷等能力。 关键词】 聚丙烯纤维混凝土; 船闸; 输水系统; 桥巩水电站 中图分类号】 T V 4 3 1 4 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 3 1 5 1 0 ( 2 0 1 1 ) 0 1 0 0 0 5 0 3 1 聚丙烯纤维混凝土的性能 目前 国内在 土建、 交通和水利水电等行业应用 较多的混凝土材料为钢纤维混凝土 , 钢纤维混凝 土 强度高、 抗裂好 、 耐冲刷、 抗侵蚀 , 其性能指标非常优 越 ,
3、是一种较为实用的材料 , 但因其在混凝土单位体 积中的造价较高且对混凝土级配要求更严格 , 应 用 范围受到限制。而改性聚丙烯纤维除了具有与钢纤 维一样好的性能指标外 , 造价更低廉 , 掺人工艺更简 单 , 已受到越来越多的行业广泛应用。钢纤维 与改 性聚丙烯纤维在混凝土中的单位体积用量及单价比 较详见表 1 。 表 1 钢 纤维与改性聚丙烯纤维在 混凝土中的单位体积用量及单价比较 从表 1可 知, 虽然改性聚丙烯纤维单价高于钢 纤维 , 但是由于单位体积用量改性聚丙烯纤维远比钢 纤维少 , 因此单位体积造价比钢纤维要少 , 成本要低。 1 1 改性聚丙烯纤维在混凝土中的使用方法 改性聚丙烯
4、纤维在混凝土中起物理加筋作用, 纤维本身为惰性材料, 不与其它混凝土成分及外加 剂发生反应, 纤维的掺加不改变原混凝土的配合比, 对各种骨料的性能指标无特殊要求 , 但应保证混凝 土充分振实。使用时纤维与砂、 石等骨料同时加入, 加水后湿拌即可。 1 2 改性聚丙烯纤维对混凝土性能的影响 根据大量实验和实际工程应用表明, 在混凝土 中加入少量的改性聚丙烯纤维对混凝土的抗压强度 改变不大, 而对混凝土的抗裂性、 抗渗性、 抗冲耐磨 性 、 抗腐蚀性等有明显提高。 ( 1 ) 改性聚丙烯纤维对混凝 土抗压性能的影 响 : 改性聚丙烯纤维抗 拉强度大、 弹性模 量低 的特 点 , 是由其分子结构所决
5、定的, 可通过改变聚丙烯纤 维结晶方式能使聚丙烯纤维 的刚性增加 , 并能有 限 地提高纤维 的弹性模量 , 但弹模 比 E f E c 仍小于 1 , 且改性聚丙烯纤维 自身性能稳定 , 掺入少量不会改 变混凝土 自身的物理 、 化学性能 , 对提高混凝土抗压 强度的作用不大【 l 2 J 。 ( 2 ) 改性聚丙烯纤维对混凝土抗裂性的影响: 由于改性聚丙烯纤维是一种较低 弹性模量纤维, 纤 维自身柔韧性很好, 且掺人混凝土中能很好地分布 在混凝土中形成一种三维乱向支撑网。在单体与单 体内部形成一种桥梁结构 , 它既能很好地增大混凝 土形成过程中单体之 间的吸附力 , 又能很好地吸收 基底
6、、 模板和钢筋在成型过程 中产生的拉应力。所 以在混凝土中掺人少量的改性聚丙烯纤维能很好地 阻止在混凝土浇捣成型过程中裂缝的产生, 从而对 混凝土的抗裂性有很好的效果【 3 , 引。 【 收稿日期】 2 0 1 1 - 0 1 - 0 5 【 作者简介】 陶建福( 1 9 7 9 一) 。 男 广西桂林人 广西电力工业勘察设计研究院工程师, 硕士, 主要从事港口航道工程及水利水电建筑工程 设计工作 。 5 陶建福, 詹义, 刘华强: 改性聚丙烯纤维混凝土在桥巩水电站船闸中的应用 ( 3 ) 改性聚丙烯纤维对混凝土抗渗性的影响: 改性聚丙烯纤维之所以能提高混凝土的抗渗性能 , 是因为: 能润滑和
7、改善和易性, 减少拌合物的泌 水 , 从而减少硬化混凝土因泌水而产生的孔隙, 提高 混凝土的密实性; 改性聚丙烯纤维能填充材料中 的各相之间的孔隙, 阻断混凝土内裂缝毛细作用, 避 免连通毛细孔的形成; 改善界面的组成、 结构并可 与水泥基体形成互穿网络结构L4 , 5 I 。 ( 4 ) 改性聚丙烯纤维对混凝土抗冲刷耐磨性 能的影响: 改性聚丙烯纤维在混凝土 中形成一种均 匀乱向支撑作用 , 起到次级加强筋效果。改性聚丙 烯纤维掺人到混凝土中具有很好的抗裂作用, 增加其 能量 吸收能力 , 缓解温度变化引起 的混凝土 内部应 力, 抑制裂缝的产生 , 从而减少了混凝土构件 的薄弱 环节的形成
8、 , 因而增强了混凝土的抗冲耐磨性 6。 ( 5 ) 改性聚丙烯 纤维对混凝土抗侵蚀性能的 影响 : 在混凝土中掺入少量的改性聚丙烯纤维, 虽然 掺入量较小, 但由于纤维条干较细, 且能很好的在混 凝土中均匀分布 , 单位面积的纤维数量较多, 这样纤 维能起到一个很好的约束作用, 抵抗冻融和化学侵 蚀时的膨胀力。同时, 纤维的掺人大大提高了混凝 土的抗渗性 , 这样便阻碍了化学物质的渗入, 提高 了 6 混凝土的抗侵蚀性 引。 2 改性聚丙烯纤维在桥巩水电站船闸 输 水 系统 中的应用 2 1 工程概述 桥巩船闸设计最大水头为 2 4 6 0 m, 属高水头 单级船闸, 也是我国目前采用 闸底
9、长廊道、 侧支孔出 水这一输水系统型式及采用平面阀门输水最高水头 的船闸。按照船闸通过能力要求, 设计冲泄水时间 为 l O 1 2 mi n , 泄水阀门开启时间采用 6 m i n , 双边开 启和单边运行时输水主廊道的最大流量分别为 9 4 2 3 m 3 S 和 9 4 8 7 m3 S , 相应的最大平均流速分 别为 8 6 2 m s 和 1 3 9 m s , 考虑到输水时间将小于 1 0 rai n , 输水廊道 中水流流速大且流态紊乱 , 而且廊 道弯道也多, 水流中往往还夹杂着泥沙 , 对输水廊道 内壁混凝土的冲刷和磨损大, 故应加强输水廊道混 凝土的抗 冲磨强度。参考 已
10、竣工验收的乐滩 、 大化 等船闸的设计经验【 7 I , 在船 闸闸室输水廊 道周边混 凝土中掺入适量的改性聚丙烯纤维能增强输水廊道 的抗裂性 、 抗渗性 等性能。改性聚丙烯纤维混凝土 在输水廊道 中的分布情况详见图 1 和图 2 。 聋 星 盐 f ; 分 缝 线 三 巧 ! 三 : 1 区 区 l 区 II区 n 区 - 。 医 线 鼍屯 地盘j 丑 骨t置 m 辅 水羼 道 j 木避 , _ 水 一道 旦 输 永庸 道 奉j 二、 正尽 矗 港 垦 n区 区 I l 区 , H区 啊 m;5 0 + 0 0 8 0 0 器 垃筮筮届 耵 - = 晴 o t B 0 + O O q 。 。
11、 蚕 。 。 瞳 I区 i 毫 _ 谨 l1 叫I E一 2 0 列 0 第1 b3 0 0 0蕾2 鱼 1 9 6 0 0簟3受善 k 1 5 4 0 0第4 爱 I 2 7 9 5 0 I -i I I 输 瘟 垒 ; 2 9 V47 90 图 2 闸室混凝土分区横剖面图 图 1 闸室混凝土分 区平面图 7 4 S ( 填 土 2 2 区为掺入有改性聚丙烯纤维的 C 2 5混凝土 ( 二级配) 根据中国水利水 电第十三工程局提供的资料, 桥巩船闸输水廊道周边混凝土采用的材料及配合 比: 水泥采用广西华 润红水河水泥厂生产 的 4 2 5 # 水泥; 骨料采用桥巩水电站工程砂石系统 生产的人
12、工砂和人工碎石; 粉煤灰采用来宾电厂 生产的 I 级粉煤灰 ; 改性聚丙烯纤维采用江苏丹 阳合成纤维厂生产的改性聚丙烯纤维; 配合比采 用经过监理中心审批的混凝土施工配合比, 材料用 量详见表 2 。 广西水利水电GXwAT E R R E S OI C E S& H YD R O P OWE RE N GI N】 、 E RI N G 2 0 1 1 ( 1 ) 表 2 改性聚丙烯纤维混凝土配合比 k g m 3 2 3 添加改性聚丙烯纤维前后混凝土质量 比较 ( 1 ) 抗压强度 : 改性聚丙烯纤维混凝土共成型 3 5 组 , 标 准养护 , 2 8 d龄期的混凝土抗压强度 , 改性 聚丙
13、烯纤维混凝土和普通混凝土抗压强度检测结果 详见表 3 。 表 3 C 2 5混凝土抗压强度 比较 从表 3中可知 , 改性聚丙烯纤维抗压强度略高 于普通混凝土, 提高幅度不大。 ( 2 ) 劈裂抗拉强度。改性聚丙烯纤维混凝土 共成型 1 8组 , 标准养护 , 2 8 d龄期的混凝土劈裂抗 拉强度 , 改性聚丙烯纤维混凝土和普通混凝土劈裂 抗拉强度检测结果详见表 4 。 表 4 C 2 5混凝土劈裂抗拉强度比较 由表4可知, 改性聚丙烯纤维混凝土比普通混 凝土劈裂抗拉强度有较大幅度提高 , 增强效果明显。 ( 3 ) 抗渗能力 。改性 聚丙烯纤维共成 型抗渗 试块 2 0组 , 标准养护 ,
14、2 8 d龄期 , 从抗渗试块的竖向 剖面来看 , 渗水高度都 比较小 , 表明其抗渗指标远高 于规范允许值 , 体积掺量为 0 5 的改性 聚丙烯纤 维混凝土渗水高度为 2 9 m m( 平均值) , 普通混凝土 渗水高度为4 4 r n r n ( 平均值) , 可见改性聚丙烯纤维 混凝土抗渗性提高了3 4 左右, 提高幅度大。 ( 4 ) 抗 冲耐磨性 能。改性 聚丙烯纤维共成 型 2 0 组 , 标准养护 , 7 d 、 2 8 d 、 9 0 d龄期的混凝土抗 冲 耐磨性能, 改性聚丙烯纤维混凝土和普通混凝土抗 冲耐磨性能检测结果详见表 5 。 表 5 C 2 5混凝土抗 冲耐磨性能
15、 比较 MP a 从表 中可知 , 改性聚丙烯纤维混凝土 比普通 混凝土抗 冲耐磨强度 随着时间增 长而增强 , 抗 冲耐 磨早期强度可提高 8 左右 , 长期强度可提高 1 2 , 增强效果 明显。 3 结 语 改性聚丙烯纤维能改善水工混凝土的工程特 性 , 且与水泥、 外加剂的适应性强 , 无须特殊 的施工 工艺 , 低掺率改性聚丙烯纤维混凝土较钢纤维混凝 土更能适用于二级配及其以上级配混凝土的生产和 施工, 因其掺率低 , 成本远低于含钢率 高的混凝土 , 且能达到和超过水工混凝土设计所要求 的各项强度 指标。因此 , 改性聚丙烯纤维应用于水利水 电工程 中有特殊要求的部位 , 可 以收
16、到 良好 的技术效果 和 经济效益 , 有广阔的应用前景。 参考文献 1 董建伟, 张国东, 张宏雷水利工程中改性聚丙烯纤维 混凝土的研究应用 J 】 吉林水利, 2 0 0 1 , ( 9 ) : 1 - 7 2 白国庆, 董建伟 改性聚丙烯纤维影响混凝土抗压强度 的机理初探 J 】 吉林水利 , 2 0 0 5 , ( 6 ) : 1 - 3 3 王红, 禹智涛 改性聚丙烯纤维对混凝土裂缝抑制作 用的研究与应用进展 J 混凝土与水泥制品, 2 0 0 5 , ( 4 ) : 3 8 4 0 4 史小兴, 王新民合成纤维在混凝土中的效果和机理 综述 J 河南科学, 2 0 0 2 , ( 6
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