聚丙烯纤维混凝土在水利枢纽工程泵站中的应用

鲜凡凡，韩 斐，薛萍萍

（江苏省洪泽湖水利工程管理处，江苏 洪泽 223100）

1 工程概况

本次研究的水利枢纽工程由泵站、节制闸、穿运地涵等组成。泵站主要是单向泵，为内河排涝使用。泵站所处环境较为特殊，且外观造型以及结构较为复杂，对混凝土材料要求较高。一是泵站的主体结构以及外观造形比较复杂，因此在施工时需要保证混凝土拌和物具备施工简易性，利于施工浇筑，并确保不泌水、不离析。二是由于泵站部分在水下，因此要求具备较低的渗透性，混凝土需要具备一定的密实性以及抗裂性。三是泵站所在环境较为潮湿，需要经受干湿交替、风化、冻融、水中的污染，要求混凝土具备较高的耐久性。四是泵站的水池受到高速水流中流沙的冲击，所以混凝土需要具备一定的抗冲耐磨性。

2 混凝土结构的选择

泵站对钢筋混凝土结构要求较高，聚丙烯纤维混凝土具有经济节约、施工快等优点，在国内水利工程中应用广泛，工程效果较好，符合工程的相关要求，在全面调研分析与综合比较后，确定使用掺加聚丙烯纤维、粉煤灰、减水剂的聚丙烯纤维泵送混凝土。泵送混凝土具备较高的流动性，方便施工浇筑，可保证混凝土的密实性；添加减水剂能够提高混凝土混合料的工作性，降低水泥的比例；利用粉煤灰可以减少水泥的使用量，降低水化反应的放热速度；添加聚丙烯纤维可以提升混凝土的抗裂性、抗渗性、耐腐性、耐磨性。

3 混凝土配比与性能测试

3.1 合理选择原材料

泵站设计使用F 100 的C 25 等级混凝土，抗渗标准为W 8。原材料选择：水泥使用P.O32.5 水泥，中砂的细度模数2.8，骨料使用单粒级5～15 mm 以及20～40 mm 的石子，根据比例添加，减水剂则使用高效的泵送剂HLC-NAF3，粉煤灰使用1 级粉煤灰，聚丙烯纤维性能要求如表1。

表1 聚丙烯纤维的性能分析表

3.2 聚丙烯纤维混凝土板的配比分析

设计配比的目的是为了保证聚丙烯纤维混凝土符合以下要求：一是高强度与耐久性。混凝土的抗压、抗拉等级必须达到设计标准，抗渗性、抗冻性及抗冲性符合设计要求；二是具备和易性；三是经济性。确保项目使用前提下，尽量将聚丙烯纤维的效益最大化，通过科学合理地使用聚丙烯纤维以及水泥的用量，降低投入成本。

参考《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2000）的标准，依据抗压、水灰比、水泥的等级，设计水灰比例；砂率、用水量则依据和易性来决定，得到初步的配比；参考国外的经验以及经济因素，明确聚丙烯纤维的用量。

通过调配、实验得出配比：水泥300 kg/m3，粉煤灰59 kg/m3，水186 kg/m3，纤维0.7 kg/m3，砂749 kg/m3，石子1 079 kg/m3，减水剂5.41 kg/m3。

3.3 性能指标测试

普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土的本比一致，添加聚丙烯纤维后，对两者各项进行对比测试，实验方法及结果为：

第一，性能实验依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080-2016），凝结时间、坍落度、扩展度等指标，如表2。

表2 混凝土拌和物的性能对比

结果显示，在同一条件内，添加聚丙烯纤维混凝土拌和物的性能会有所下降，但下降程度都在可控范围内，都能达到当前施工的标准要求。

第二，根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2002）对混凝土的抗压性、抗折强度及劈裂强度进行实验，结果如表3 所示。

表3 力学性能结果

根据上述的力学实验结果可看出，当添加聚丙烯纤维后，混凝土的强度未发生较大的变化，但破坏过程特征存在较大的区别，具体表现为：

第一，抗压实验使用的普通混凝土试块，在挤压实验开裂后，会出现大小不一的脱落碎片；聚丙烯纤维混凝土开裂后，未发生碎块现象，只是增加了部分裂缝，未出现由内向外的崩裂情况。

第二，抗折、劈拉实验中，普通混凝土试块实验破坏后，便快速开裂，最终变成两半；聚丙烯纤维混凝土试块实验破坏后，只是形成了开裂，且开裂速度十分缓慢，未出现断成两半的情况。

第三，24 h 收缩裂缝的实验，依据《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》（CECS 146-2003）（2007版），具体结果如表4。

表4 24 h 收缩实验结果

从上表结果可以看出，在添加一定数量的聚丙烯纤维之后，抗裂性能得到了一定程度的提升。

第四，抗渗以及抗冻融的实验，依据《普通混凝土长期性能和耐久性能实验方法》进行实验，抗渗实验结果如表5。

表5 抗渗实验结果

实验后试块透水情况发现，普通混凝土的透水高度平均＞120 mm，添加聚丙烯纤维的透水高度则保持在60～90 mm 的范围内。抗冻实验结果如表6 所示。

表6 抗冻实验结果 单位：%

实验表明，普通混凝土与聚丙烯纤维混凝土的抗冻实验等级，都达到F150 级别，两者抗冻标号大致相同，两者动弹的模量也相对持平；但在不同的循环次数中，质量损失率存在很大差异，在90 次试验以内，添加含有聚丙烯纤维的混凝土的损失率低于普通混凝土，90 次以上则相反。

第五，混凝土在水流中的抗冲磨实验，没有统一的标准及实验方法，为了确定混凝土的抗冲耐磨性能，本次运用圆环法与冲击法进行抗冲磨和抗冲击韧性实验，实验结果如表7。

表7 抗冲耐磨实验结果

从上述结果可以清晰地看出，添加聚丙烯纤维的混凝土，抗冲击和抗耐磨的性能远远高于普通混凝土。

4 聚丙烯纤维混凝土的施工分析

正式开工前，为保障聚丙烯纤维混凝土的质量，充分发挥聚丙烯纤维混凝土优点及利用其工程特性，制定了具体的施工方案。具体施工的关键点为：

第一，选择合理的聚丙烯纤维添加工艺。添加工艺分为先掺法、后掺法两种。先掺法是先把砂和石子以及聚丙烯纤维进行搅拌，再添加水与水泥，然后进行搅拌。后掺法则是先把砂、石子、水和水泥进行搅拌后，再添加聚丙烯纤维。先掺法中，聚丙烯纤维具有较高的分散性；采用后掺法，聚丙烯纤维比较容易成团，且不利于纤维的均匀分散。本工程采用先掺法进行混凝土加工。

第二，在加工搅拌混凝土时，为确保聚丙烯纤维添加量的准确无误，搅拌前用秤进行称重后，再以小袋进行包装，搅拌时按量进行添加。

第三，经过实验确定，应当将聚丙烯纤维混凝土的搅拌时间，设定在80～100 s 之间。另外，浇筑前在施工现场，搅拌车应加大马力搅拌5 s 左右，经过实际坍落度检查后，方可进行浇筑施工。

第四，合理确定收浆和压光时间。由于聚丙烯纤维混凝土的初凝时间和终凝时间比普通混凝土长，因此适合在初凝前进行收浆并抹平，在终凝前压光，避免纤维裸露在外；收光之后，需要快速地做好保湿等相关措施，避免水分过快蒸发。

第五，及时养护，在聚丙烯纤维混凝土终凝之后，立刻开展及时且具有针对性的养护工作；外露面应当使用土工布进行完全的覆盖，并洒水保护；当侧面和内表面清除模板后，同样使用土工布进行覆盖，并进行洒水养护。

5 结语

本工程运用了大量的聚丙烯纤维混凝土，整体施工效果优良。该混凝土表现了较高的阻裂效果，避免了混凝土塑性收缩裂缝的出现，有效地提升了抗裂性、抗渗性、抗冻性、抗冲耐磨性。减少了成本投入，为工程节约了大量的资金。