聚丙烯腈纤维在冷却塔结构设计中的应用

杨百红 初建祥

(内蒙古电力勘测设计院有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010020)

聚丙烯腈纤维在冷却塔结构设计中的应用

杨百红 初建祥

(内蒙古电力勘测设计院有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010020)

通过分析某电厂冷却塔纤维混凝土的配比及相关试验情况，探讨了聚丙烯腈纤维在混凝土中的高性能化作用机理，指出在混凝土中掺入聚丙烯腈纤维，达到了提高冷却塔混凝土结构耐久性的效果。

冷却塔，人字柱，聚丙烯腈纤维，混凝土，耐久性

湿式冷却塔是燃煤发电厂的重要构筑物，主要用于循环冷却水的降温。冷却塔一般体型高大，呈双曲线型，室外露天布置。冷却塔塔筒主要承受风荷载、地震力以及分布不均的温度荷载，内部布置有淋水装置架构。循环冷却水用管道输送至塔内竖井，经配水管槽均匀分成细流从高位喷淋而下，冷空气从下部进风口进入，与喷淋水进行热交换后，从塔顶散发，所以冷却塔的运行环境非常恶劣，《火力发电厂水工设计规范》对塔筒、人字柱、水池混凝土的抗裂、抗冻、抗渗均提出了较高的要求[1]。本文介绍了聚丙烯腈纤维在冷却塔混凝土构件中的应用，从提高冷却塔混凝土构件耐久性的角度，分析了聚丙烯腈纤维对冷却塔混凝土高性能化作用及其机理。

1 工程简介

某电厂共设两座淋水面积为4 500 m2的逆流式自然通风冷却塔。冷却塔结构部分由环板型基础水池、人字柱、塔筒、内部淋水装置架构组成，均为混凝土结构。

塔筒为双曲线形壳体结构。冷却塔高105 m，进风口高度7.8 m。塔的底部直径85.628 m，喉部直径48.0 m，顶部直径50.99 m。壳体最小厚度160 mm，最大厚度700 mm，塔筒内表面刷防潮涂料。冷却塔人字支柱44对，截面d=600 mm，支柱下部固定在环板基础上。

2 设计条件与特点

冷却塔的构件在运行期间基本长期处在水汽的环境中，循环冷却水经过逐渐蒸发后，氯离子浓度逐渐增大，会增加对混凝土内的钢筋的锈蚀。支撑塔筒人字柱表面长期有水流过，到冬季则大量的结冰。考虑到冷却塔结构的重要性，冷却塔构件在混凝土满足强度要求的同时，更要重视其耐久性，本工程设计时也对混凝土的密实性,抗渗能力,抗冻能力，抗环境水侵蚀能力都提出了专门的要求,各部分构件混凝土性能指标如下：通风筒，人字柱：C35，抗冻F200，抗渗W8；环板基础，人字柱支墩，水池壁：C30，抗冻F200，抗渗W6。

对结构材料做了如下要求：1)水灰比不大于0.5，水泥用量以300 kg/m3～350 kg/m3为宜。混凝土的具体级配：水灰比、水泥用量、加气剂品种及用量等必须通过试验确定。2)冷却塔工程采用普通硅酸盐水泥，其铝酸三钙含量应低于8%，水泥强度等级不低于42.5 MPa，混凝土中不得掺用氯盐。3)混凝土骨料应选用坚硬洁净的碎石或卵石，其最大粒径不得大于结构最小断面的1/4，混凝土用砂以中砂为宜，其含泥量不得超过规范要求，不允许使用细砂。

另外，为了减轻混凝土的塑性龟裂，提高抗渗性能，在水池池壁和人字柱的混凝土中均加入聚丙烯腈纤维，纤维的掺量为0.9 kg/m3，纤维的性能符合CECS 38—2004纤维混凝土结构技术规程[2]的材料要求。

3 冷却塔纤维混凝土配合比及试验数据

为了保证工程质量，本工程所选材料严格按设计要求控制。其中，聚丙烯腈纤维长度6 mm，纤度1.5 dtex。表1，表2分别给出了冷却塔水池壁、人字柱混凝土配合比情况以及纤维混凝土的抗压、抗渗、抗裂试验的结果。

表1 冷却塔水池壁、人字柱混凝土配合比表

表2 试验结果

4 聚丙烯腈纤维提高冷却塔混凝土性能机理分析

工程建成后进行了技术检测，检测结果表明，与以往的混凝土结构相比较，此次冷却塔的混凝土结构的性能得到了较大的改善，混凝土的表面收缩裂缝明显减少，常见的龟裂等现象几乎未出现；冷却塔构件加入聚丙烯腈纤维后，明显抑制了早期裂缝的产生和发展，为提高工程质量起到良好的作用。

对于纤维提高混凝土的抗裂性能、抗渗性能、抗冻性能等方

面的研究，上海同济大学、国家混凝土制品研究中心等国家重点试验室都曾做过系统的研究[3,4]，图1，图2即从定量的角度给出了纤维混凝土抗裂、抗渗、抗冻方面的高性能作用。

混凝土是一种非均质脆性材料，主要由水、水泥和粗细骨料搅拌而成，由于材料特性的限制，其抗压强度高而抗拉强度低，所以在外部环境的影响和内部复杂应力状态下，极易产生微裂缝影响其性能的发挥。在混凝土中掺入一定量的聚丙烯腈纤维后，通过搅拌使聚丙烯腈纤维均匀分布于混凝土的各处，而且聚丙烯腈纤维为各方向乱性分布，像一个三维的加筋网格作用在混凝土的内部，使混凝土的各项受拉性能都得到加强。混凝土在施工搅拌时，受重力的影响会产生骨料的离析和泌水现象，影响了混凝土的均匀性从而使混凝土的性能大受影响。掺入聚丙烯腈纤维后，由于纤维的拉结作用，部分阻止了骨料和水分的移动，能有效缓解混凝土骨料的离析和泌水，这对提高混凝土的均匀性和减少由此产生的裂缝也是很有利的。综上所述，聚丙烯腈纤维能有效减少混凝土的裂缝，从而对混凝土的抗渗、抗冻的性能产生了较大的提高。另外，聚丙烯腈纤维不会与混凝土中的成分进行化学反应，与混凝土的作用完全是物理性的，所以它不会影响混凝土原有的强度和其他性能，不会对混凝土产生有害的作用。

5 结语

冷却塔的混凝土结构构件长期处于恶劣运行环境中，根据以往工程经验，如果混凝土的耐久性指标得不到保证，在运行几年后很容易出现混凝土裂缝扩大、逐渐剥落、露出钢筋等严重后果，影响电厂运行。本工程在冷却塔的主要构件混凝土中掺入了聚丙烯腈纤维，通过检测，聚丙烯腈纤维对减少混凝土裂缝提高混凝土的抗渗、抗冻能力具有良好的作用，从而有效地改善了混凝土的耐久性能。而且混凝土掺入聚丙烯腈纤维施工过程简单方便，后期纤维对混凝土的其他性能无不良影响。所以在冷却塔的混凝土结构构件中掺入聚丙烯腈纤维是提高其混凝土性能的良好途径。

[1] DL/T 5339—2006，火力发电厂水工设计规范[S].

[2] CECS 38—2004，纤维混凝土结构技术规程[S].

[3] 冯 炜，姚 武.聚丙烯腈纤维水泥基复合材料抗冻融性能研究[A].第十届全国纤维混凝土学术会议论文集[C].2004:329-335.

[4] 姚 武，冯 炜.聚丙烯腈纤维高强混凝土抗冻融性能研究[J].低温建筑技术,2003(4):1-4.

Application of polypropylene fiber in cooling tower structure design

Yang Baihong Chu Jianxiang

(MongoliaPowerSurveyDesignInstituteCo.,Ltd,Huhhot010020,China)

Through analyzing fiber concrete mixing proportion and relevant testing conditions of cooling tower of the power plant, the paper explores high-performance mechanism of polypropylene fiber in concrete, and points out that: mixing polypropylene fiber in concrete achieves the effect of improving cooling tower concrete structure durability.

cooling tower, herringbone column, polypropylene fiber, concrete, durability

1009-6825(2017)01-0049-02

2016-10-30

杨百红(1978- )，女，高级经济师； 初建祥(1973- )，男，高级工程师

TU528.572

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