粉煤灰聚丙烯纤维混凝土在水利工程中的应用

□肖建波(扬州水利建筑工程公司)

1.前言

南水北调东线第一期工程刘山泵站位于江苏省邳州市宿羊山镇境内的不牢河输水线上，与刘山北站、刘山船闸等工程共同组成南水北调东线第7个梯级枢纽。

刘山泵站工程采用闸站结合的总体布置方案。泵站设计流量125 m3/s，安装2900ZLQ32-6立式轴流泵配TL2800-40/3250同步电机5台套（含备机1台）。水泵叶轮直径3.0m，单台流量31.5m3/s，配套电机功率2800kW，总装机容量14000kW。节制闸设计流量828 m3/s，采用带胸墙的开敞式结构形式，共5孔，单孔净宽10m。

根据设计要求在混凝土施工中掺入聚丙烯纤维,具体部位如下：

泵站部分：胸墙、隔水墙、水泵层、边墩、进水流道、底板至出水流道顶（高程26.45 m）合计7498 m3，掺入PF-1型聚丙烯纤维，掺入量为0.9kg/m3。

节制闸部分：底板溢流面合计878 m3，掺入PF-1型聚丙烯纤维，掺入量0.9kg/m3。

2.聚丙烯纤维混凝土配合比设计

2.1 混凝土的原材料

混凝土的原材料有：水泥、骨料、粉煤灰、附加剂、纤维物质。这里，对于水利工程而言，常常选用P.O42.5硅酸盐水泥，它的质量符合GB175-2005标准。其中水泥需满足的主要要求有细度在2%～4.2%之间，在完成施工的第28d,它的抗压强度需要在35.4MPa到47.1MPa之间，抗折强度在6.5 MPa到8.3 MPa之间。骨料的选择，骨料分为粗骨料和细骨料两种,粗骨料适宜选择石灰岩碎石，细骨料适宜选择中砂。粉煤灰的选择，要选择符合GB1596-91标准的Ⅰ级粉煤灰；常用的附加剂有高效硫化泵送剂和高效减水剂，他们的加入量通常控制在0.5%～0.7%之间，减水效果比较明显，且要符合GB8076-1997标准。纤维物质则是指聚丙烯纤维，它的几个主要性能是无吸水率、导电率低、抗拉强度在350MPa～770MPa之间，分散性要好。

2.2 混凝土的配合比设计

在混凝土搅拌时候所用的是长度为20mm的聚丙烯纤维。采用常规的加料顺序，搅拌时间控制在150 s，旨在搅拌出一种具有良好的粘聚性，无分离、分层出现的、保持水分能力较强的混凝土。聚丙烯纤维的加入量不能超过0.2%，尽量不要改变之前的混凝土混合比例，如果聚丙烯纤维的用量超过0.4%，这时候的最佳处理方法是，去掉部分骨料。刚刚制造的混凝土的坍落度控制在160～180mm,扩展度控制在360～380mm.以上就是该种混凝土配合比和一些注意事项。基本情况见表1：

表1 混凝土配合比表

3.聚丙烯混凝土的性能

3.1 混凝土拌和物的性能

与基准混凝土相比，聚丙烯混凝土的初凝时间缩短了1h多，终凝时间也大大缩短了。

不过需要提出的是，凝结时间的多少与聚丙烯纤维的加入量无太大的关系。聚丙烯混凝土的析水率大大降低，不过，这是在聚丙烯掺入后分布均匀的前提下，大大提高了混凝土的保水性能。在这里需要注意的是，如果聚丙烯纤维在混凝土中分布不均匀形成聚团现象，所导致的后果是，混凝土的密实性降低，水分会通过混凝土中的气泡析出，致使混凝土的保水性降低。加入聚丙烯纤维的混凝土的坍落度大大降低。在聚丙烯纤维分布均匀的前提下，混凝土的含气量没有过分的增大;因此需要格外注意的是，采用合适的操作旨在使聚丙烯纤维分布均匀。总体来说，与基准混凝土相比，加入聚丙烯纤维后混凝土的拌和物性能得到了很大的改善。

3.2 混凝土的抗压强度和抗拉强度

在混凝土拌和完成后的7d和28d可以采样对混凝土的抗压强度和抗拉强度进行测试。通过大量的实验和数据分析得出的结论是，加入聚丙烯纤维的混凝土在抗压强度方面没有明显的提高。但是在抗拉强度方面，我们发现，随着聚丙烯纤维用量的不断增多，混凝土的抗拉强度也不断增强。由此可以得出结论：适量的聚丙烯纤维的加入可以改善混凝土的抗拉强度。

3.3 混凝土的抗开裂强度

刚刚制作完成的混凝土的含水量很大，在流动空气的作用下致使混凝土表面的水分大量蒸发，所以它的表面会发生收缩现象，由于在内部混凝土的限制作用下，会产生表面拉力，因为处在刚刚完成的阶段，混凝土的刚度很低，所以表面会产生很多细小的裂缝。不过在加入聚丙烯纤维后，基于聚丙烯纤维直径细小的特点，聚丙烯纤维会形成三维网格，削弱了混凝土内部的感应力，从而大大减少了裂缝的产生。另外一个原因是聚丙烯纤维有增加混凝土延展性的作用，能够减少混凝土开裂的速度。所以在加入聚丙烯纤维后混凝土开裂的缝隙在数量和尺寸上大大减小,在正常使用时，它的性能更是优异。

3.4 混凝土的抗渗性

在混凝土内部，水分主要是靠内部的裂缝作为通道流通的，但是在加入了聚丙烯纤维后，聚丙烯纤维大大减少了裂缝的出现，所以致使水分流通通道大大减少，从而提高了混凝土的抗渗性。

4.粉煤灰聚丙烯纤维混凝土在水利工程中的应用

在水利工程中，套闸的室内墙的结构比较薄弱，表面系数大，以往的室内墙面会出现多条裂缝，并且裂缝的宽度也很大，在使用聚丙烯纤维混凝土之后，墙面上的裂缝数量大大减少，并且裂缝的宽度也降低了很多，这说明聚丙烯纤维对混凝土的抗开裂性能的改善在水利工程中的套闸室得到了合理的应用。出色地解决了水利工程薄壁结构的开裂现象。另外需要强调的一点是，聚丙烯纤维对混凝土的物理性质有很大的改善，这个特性可以在水利工程中得到广泛应用。加入聚丙烯纤维的混凝土劈拉强度得到了很大的改善，混凝土可塑性得到提高，这样可以减少混凝土中非结构性原因导致裂缝的产生。主要原因是，聚丙烯纤维在混凝土中均匀分布，混凝土开始产生裂缝时，均匀分布的纤维，将会充分利用它们自身的结构优势，搭建成为三位网格，在混凝土中形成一套杂乱无章的体系，但是这种体系又有着很好的牵制作用和连接左右的作用，从而抑制裂缝的进一步扩大。

在施工操作时，周围环境温度在28℃左右，这时候，这种混凝土的初凝时间缩短在8h左右，终凝时间为10h多。这些时间的改变对施工操作争取了更多的机会，避免了更多的失误和人为意外。另外，使用一定量的粉煤灰代替水泥，可以使混凝土的粘稠度增加，大大降低了混凝土的泌水率；这样大大减少了流动阻力，非常有利于混凝土的泵送，并且很有利于混凝土的捣制。

5.总结

通过这些年的研究分析发现，聚丙烯纤维对混凝土的物理性能有很大的改善；特别在抗开裂性能方面。在混凝土加入聚丙烯纤维之后，同那些没有加入的混凝土相比较，混凝土的表面多了一层纤维物质，它的作用是使混凝土的失水面积大大减少，另外对水分的流通也带来了阻碍作用，进而减少了由于毛细管收缩造成的收缩力的降低。另一方面，聚丙烯纤维依靠它与水泥材料之间的粘着力和齿合力，使混凝土的塑性抗裂性能得到改善；在抗开裂性能方面，另外一个重要的因素是，聚丙烯纤维的均匀分布有效地减弱了裂缝的发展，起到牵制作用，使得开裂能量大大减少，从而阻碍了裂缝的进一步发展。聚丙烯纤维在混凝土中的存在可以增强混凝土的断裂韧性，提高抗拉强度。

聚丙烯纤维的阻止裂缝出现的作用，很大程度上改善了水泥的结构，增强了水泥石的抗渗性。这些优异的性能在水利工程中有重要的应用。聚丙烯纤维的掺入改善了混凝土的性能，对与水利工程操作中夏季通过泵机传送的要求，可以基本上满足，因为这种混凝土的流动性得到了很大的提高。它的强度满足了水闸施工规范中的要求；在混凝土中掺入聚丙烯纤维，大大提高了混凝土在浇制完成的初期对其抗开裂和抗拉方面的要求。另外一个重要的推广是这种混凝土在水利工程中的一些薄壁结构中的应用，强有力地提高了水利工程的安全性和稳定性。

[1]孙海燕，龚爱民，彭玉林.聚丙烯纤维混凝土性能试验研究[J].云南农业大学学报,2007(1).

[2]张鹏,郭平功,赵铁军.聚丙烯纤维混凝土的收缩抗裂性能[J].低温建筑技术,2008(1).