改性聚丙烯纖維混凝土在高凍脹地區渠道護砌中的應用

李鐘杰，王宇霆，董建偉

（1．吉林省和龍市水利局，吉林 和龍 133500；2.長春市綠園區財政局，吉林 長春 130012；3．吉林省水利科學研究院，吉林 長春 130022）

1 吉林省研究與應用概況

1）研究狀況。吉林省在水利工程中應用改性聚丙烯纖維混凝土技術始于1998年，當時在梅河口市進行了改性聚丙烯纖維混凝土-復合防滲膜渠道防滲工程試驗，該渠道防滲工程也成為全國水利行業首個采用改性聚丙烯纖維混凝土技術工程，2001年通過了吉林省科技廳組織的科研成果鑒定。

2）存在問題。改性聚丙烯纖維混凝土渠道防滲技術在總體上獲得了較好效果，但在土壤持水性較強的梅河口地區，仍有多處依舊出現了凍脹破壞的現象，表現為預制安裝的混凝土板脫落，現澆混凝土板在水位上方一定高度（浸潤線受阻區域）脹開。表明在這種應用條件下，改性聚丙烯纖維混凝土護砌并未達到渠道抗凍效果。

2 應用誤區

1）單純采用改性聚丙烯纖維混凝土護砌，并不能提高渠道的抗凍融能力。經特殊改性的聚丙烯纖維摻入到混凝土中后，可提高混凝土的抗凍融能力。但表面護砌材料抗凍融能力的提高，并不代表著被保護土體抗凍能力也提高。吉林省渠道防護材料均為非保溫型，渠道凍脹發生在邊坡土體內，與采用的護砌材料關系不大。

也有人認為：改性聚丙烯纖維混凝土護坡面下的土體凍脹后，在春季回暖期可以復位。事實上，土壤受凍融破壞后，自然坡比一般穩定在1∶5～1∶10左右，而渠道邊坡一般在 1∶1.5～1∶2.5，故在春季回暖后，必將發生含水率較高的融化凍土向下流動現象，不會恢復到凍脹前的坡比，在邊坡較高時，常造成混凝土板塊在渠道邊坡浸潤線出漏點，附近上端因凍土的流動而掏空凹陷、下端被流土脹起乃至脫落的現象。

2）纖維選擇不當。①改性與非改性纖維的混淆，這是由于一些單位不了解改性纖維技術特點的緣故。改性聚丙烯纖維主要有以下技術特點：增加了纖維韌性。改性纖維較非改性纖維挺直、無卷曲、宜分散；增加了纖維容重。改性前的纖維容重0.91 g/cm3，漂浮在水面；改性后容重不小于1.0 g/cm3左右，外觀光亮，在水中呈半懸浮狀，易分散到混凝土中；增加了纖維的物理力學性能。改性纖維抗拉強度、彈性模量均較非改性纖維增加。②纖維普遍較長，纖度較大，用量偏多，降低了應用效果。

纖維在混凝土中應當有較好的亂向分布，因此以細、短為宜，用量一般在0.9～1.0 kg/m3。吉林省最初試制并選擇的纖維一般為纖度7-8dtex左右、長度10 mm。在混凝土中的分布密度達到12 500萬根/m3。但目前國內廠家提供的纖維普遍較長、纖度較大、用量偏多，纖度9 dtex,長度普遍在19 mm，摻量往往達到 1.2～2.0 kg/m3。

較長的纖維可減少廠家切割纖維成本，但纖維在混凝土中的分布密度卻大大降低，若同按8 dtex計，19 mm纖維的分布密度只有6 579萬根/m3，較10 mm纖維減少了47%。計算比較如表1。

表1 不同長度纖維分布密度比較表

改性聚丙烯彈性模量小于混凝土，當纖維量增加到一定程度，將導致混凝土強度受損。相關材料的抗拉強度、彈性模量比較見表2。

表2 相關材料力學性能比較表

纖維的用量與纖維的長度、纖度有密切關系。如果在纖維長度同為10 mm的條件下，達到12 500萬根/m3的分布密度時，若采用5 dtex的纖維，需要0.625 kg；若采用3 dtex的纖維，則僅需要0.375 kg。

吉林省水利科學研究院曾進行過在惡劣養護條件下的水泥凈漿板抗裂能力試驗，表明采用纖度（最小為 3 dtex）、長度均較小（3～4 mm）的纖維，摻量在0.3 kg/m3時，仍獲得較好的阻裂效果，表面裂紋明顯少于不加纖維的水泥凈漿板。

3）改性聚纖維并不都能夠提高混凝土的抗凍融能力。美國有關企業在采用特定的纖維（杜拉纖維）進行混凝土抗凍融實驗時，曾達到F200-F300的效果，而國內生產的纖維卻很難達到。其主要原因之一，是未按照混凝土抗凍融的基本原理選擇纖維。

事實上，并不是所有改性聚丙烯纖維都能改善混凝土的抗凍性能。纖維能否達到增強混凝土抗凍能力的效果，與纖維的長徑比、纖維表面處理的方式有關。當纖度較小、長度較短時，纖維可產生與引入混凝土中的微小氣泡類似的作用；而杜拉纖維表面增加的硅烷偶聯劑，可使纖維周邊強度增加，相當于增加了氣泡壁強度，因此改善了混凝土抗凍性能。

3 建議

1）開展抗凍融改性聚丙烯纖維混凝土的研究。據了解，目前國內鮮有開展類似研究的報道，主要原因是：若基本弄清不同纖度、長度甚至不同組分、不同材質的纖維對混凝土抗凍融能力的影響，需要大量的、長時間的試驗分析，試驗成本和費用昂貴；纖維的表面改性材料價格不菲，使用條件相對復雜。但此項研究卻具有重要意義，目前采用的引氣劑在提高混凝土抗凍融能力的同時，損強作用也較明顯；而適量采用改性聚丙烯纖維時，則可在提高凍融循環能力的同時，避免損強現象，同時增加混凝土的綜合性能。

2）進一步科學地開展凍脹型渠道防護技術研究。目前對高凍脹地區的渠道防護技術研究與應用并不都是很成功的。其失敗之處在于單純期望憑借表面防護材料解決渠道的凍脹問題，忽略了渠道凍脹產生于邊坡土壤內部含水率較高、土壤受凍產生體膨脹這一基本原理。因此，宜在研究技術可行、經濟合理、經久耐用的渠道防護材料的同時，更應當結合凍脹型渠道邊坡土壤凍融機理，進一步研究出科學、適用的防護技術方式。

3）開展改性聚丙烯纖維混凝土的應用后評價工作。改性聚丙烯纖維混凝土在吉林省水利工程應用領域包括渠道防滲護砌、堤防護砌、水庫溢洪道及舊涵閘補強等。在取得成功效果的同時，也應當開展改性聚丙烯纖維混凝土的應用后評價工作，總結失敗的教訓，改善技術方法，使這項技術在水利工程中得到科學、合理的應用。

［1］（英）內維爾.亞當編，楊順喜等譯.《國際材料與結構試驗室聯合會一九七五年會議文集∶（纖維增強水泥與混凝土第1冊）［C］.北京：中國建筑工業出版社,1980，12.

［2］董建偉，等.改性聚丙烯纖維混凝土及其應用［J］.吉林水利，2000（9）.

［3］龔益，等.纖維混凝土與纖維砂漿施工應用指南［M］.北京：中國建材工業出版社，2005.

［4］白國慶，董建偉.改性聚丙烯纖維影響混凝土抗壓強度機理初探［J］.吉林水利，2005（6）.