粉煤灰聚丙烯纖維混凝土在水利工程中的應用

□肖建波(揚州水利建筑工程公司)

1.前言

南水北調東線第一期工程劉山泵站位于江蘇省邳州市宿羊山鎮境內的不牢河輸水線上，與劉山北站、劉山船閘等工程共同組成南水北調東線第7個梯級樞紐。

劉山泵站工程采用閘站結合的總體布置方案。泵站設計流量125 m3/s，安裝2900ZLQ32-6立式軸流泵配TL2800-40/3250同步電機5臺套（含備機1臺）。水泵葉輪直徑3.0m，單臺流量31.5m3/s，配套電機功率2800kW，總裝機容量14000kW。節制閘設計流量828 m3/s，采用帶胸墻的開敞式結構形式，共5孔，單孔凈寬10m。

根據設計要求在混凝土施工中摻入聚丙烯纖維,具體部位如下：

泵站部分：胸墻、隔水墻、水泵層、邊墩、進水流道、底板至出水流道頂（高程26.45 m）合計7498 m3，摻入PF-1型聚丙烯纖維，摻入量為0.9kg/m3。

節制閘部分：底板溢流面合計878 m3，摻入PF-1型聚丙烯纖維，摻入量0.9kg/m3。

2.聚丙烯纖維混凝土配合比設計

2.1 混凝土的原材料

混凝土的原材料有：水泥、骨料、粉煤灰、附加劑、纖維物質。這里，對于水利工程而言，常常選用P.O42.5硅酸鹽水泥，它的質量符合GB175-2005標準。其中水泥需滿足的主要要求有細度在2%～4.2%之間，在完成施工的第28d,它的抗壓強度需要在35.4MPa到47.1MPa之間，抗折強度在6.5 MPa到8.3 MPa之間。骨料的選擇，骨料分為粗骨料和細骨料兩種,粗骨料適宜選擇石灰巖碎石，細骨料適宜選擇中砂。粉煤灰的選擇，要選擇符合GB1596-91標準的Ⅰ級粉煤灰；常用的附加劑有高效硫化泵送劑和高效減水劑，他們的加入量通常控制在0.5%～0.7%之間，減水效果比較明顯，且要符合GB8076-1997標準。纖維物質則是指聚丙烯纖維，它的幾個主要性能是無吸水率、導電率低、抗拉強度在350MPa～770MPa之間，分散性要好。

2.2 混凝土的配合比設計

在混凝土攪拌時候所用的是長度為20mm的聚丙烯纖維。采用常規的加料順序，攪拌時間控制在150 s，旨在攪拌出一種具有良好的粘聚性，無分離、分層出現的、保持水分能力較強的混凝土。聚丙烯纖維的加入量不能超過0.2%，盡量不要改變之前的混凝土混合比例，如果聚丙烯纖維的用量超過0.4%，這時候的最佳處理方法是，去掉部分骨料。剛剛制造的混凝土的坍落度控制在160～180mm,擴展度控制在360～380mm.以上就是該種混凝土配合比和一些注意事項。基本情況見表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

與基準混凝土相比，聚丙烯混凝土的初凝時間縮短了1h多，終凝時間也大大縮短了。

不過需要提出的是，凝結時間的多少與聚丙烯纖維的加入量無太大的關系。聚丙烯混凝土的析水率大大降低，不過，這是在聚丙烯摻入后分布均勻的前提下，大大提高了混凝土的保水性能。在這里需要注意的是，如果聚丙烯纖維在混凝土中分布不均勻形成聚團現象，所導致的后果是，混凝土的密實性降低，水分會通過混凝土中的氣泡析出，致使混凝土的保水性降低。加入聚丙烯纖維的混凝土的坍落度大大降低。在聚丙烯纖維分布均勻的前提下，混凝土的含氣量沒有過分的增大;因此需要格外注意的是，采用合適的操作旨在使聚丙烯纖維分布均勻。總體來說，與基準混凝土相比，加入聚丙烯纖維后混凝土的拌和物性能得到了很大的改善。

3.2 混凝土的抗壓強度和抗拉強度

在混凝土拌和完成后的7d和28d可以采樣對混凝土的抗壓強度和抗拉強度進行測試。通過大量的實驗和數據分析得出的結論是，加入聚丙烯纖維的混凝土在抗壓強度方面沒有明顯的提高。但是在抗拉強度方面，我們發現，隨著聚丙烯纖維用量的不斷增多，混凝土的抗拉強度也不斷增強。由此可以得出結論：適量的聚丙烯纖維的加入可以改善混凝土的抗拉強度。

3.3 混凝土的抗開裂強度

剛剛制作完成的混凝土的含水量很大，在流動空氣的作用下致使混凝土表面的水分大量蒸發，所以它的表面會發生收縮現象，由于在內部混凝土的限制作用下，會產生表面拉力，因為處在剛剛完成的階段，混凝土的剛度很低，所以表面會產生很多細小的裂縫。不過在加入聚丙烯纖維后，基于聚丙烯纖維直徑細小的特點，聚丙烯纖維會形成三維網格，削弱了混凝土內部的感應力，從而大大減少了裂縫的產生。另外一個原因是聚丙烯纖維有增加混凝土延展性的作用，能夠減少混凝土開裂的速度。所以在加入聚丙烯纖維后混凝土開裂的縫隙在數量和尺寸上大大減小,在正常使用時，它的性能更是優異。

3.4 混凝土的抗滲性

在混凝土內部，水分主要是靠內部的裂縫作為通道流通的，但是在加入了聚丙烯纖維后，聚丙烯纖維大大減少了裂縫的出現，所以致使水分流通通道大大減少，從而提高了混凝土的抗滲性。

4.粉煤灰聚丙烯纖維混凝土在水利工程中的應用

在水利工程中，套閘的室內墻的結構比較薄弱，表面系數大，以往的室內墻面會出現多條裂縫，并且裂縫的寬度也很大，在使用聚丙烯纖維混凝土之后，墻面上的裂縫數量大大減少，并且裂縫的寬度也降低了很多，這說明聚丙烯纖維對混凝土的抗開裂性能的改善在水利工程中的套閘室得到了合理的應用。出色地解決了水利工程薄壁結構的開裂現象。另外需要強調的一點是，聚丙烯纖維對混凝土的物理性質有很大的改善，這個特性可以在水利工程中得到廣泛應用。加入聚丙烯纖維的混凝土劈拉強度得到了很大的改善，混凝土可塑性得到提高，這樣可以減少混凝土中非結構性原因導致裂縫的產生。主要原因是，聚丙烯纖維在混凝土中均勻分布，混凝土開始產生裂縫時，均勻分布的纖維，將會充分利用它們自身的結構優勢，搭建成為三位網格，在混凝土中形成一套雜亂無章的體系，但是這種體系又有著很好的牽制作用和連接左右的作用，從而抑制裂縫的進一步擴大。

在施工操作時，周圍環境溫度在28℃左右，這時候，這種混凝土的初凝時間縮短在8h左右，終凝時間為10h多。這些時間的改變對施工操作爭取了更多的機會，避免了更多的失誤和人為意外。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；這樣大大減少了流動阻力，非常有利于混凝土的泵送，并且很有利于混凝土的搗制。

5.總結

通過這些年的研究分析發現，聚丙烯纖維對混凝土的物理性能有很大的改善；特別在抗開裂性能方面。在混凝土加入聚丙烯纖維之后，同那些沒有加入的混凝土相比較，混凝土的表面多了一層纖維物質，它的作用是使混凝土的失水面積大大減少，另外對水分的流通也帶來了阻礙作用，進而減少了由于毛細管收縮造成的收縮力的降低。另一方面，聚丙烯纖維依靠它與水泥材料之間的粘著力和齒合力，使混凝土的塑性抗裂性能得到改善；在抗開裂性能方面，另外一個重要的因素是，聚丙烯纖維的均勻分布有效地減弱了裂縫的發展，起到牽制作用，使得開裂能量大大減少，從而阻礙了裂縫的進一步發展。聚丙烯纖維在混凝土中的存在可以增強混凝土的斷裂韌性，提高抗拉強度。

聚丙烯纖維的阻止裂縫出現的作用，很大程度上改善了水泥的結構，增強了水泥石的抗滲性。這些優異的性能在水利工程中有重要的應用。聚丙烯纖維的摻入改善了混凝土的性能，對與水利工程操作中夏季通過泵機傳送的要求，可以基本上滿足，因為這種混凝土的流動性得到了很大的提高。它的強度滿足了水閘施工規范中的要求；在混凝土中摻入聚丙烯纖維，大大提高了混凝土在澆制完成的初期對其抗開裂和抗拉方面的要求。另外一個重要的推廣是這種混凝土在水利工程中的一些薄壁結構中的應用，強有力地提高了水利工程的安全性和穩定性。

[1]孫海燕，龔愛民，彭玉林.聚丙烯纖維混凝土性能試驗研究[J].云南農業大學學報,2007(1).

[2]張鵬,郭平功,趙鐵軍.聚丙烯纖維混凝土的收縮抗裂性能[J].低溫建筑技術,2008(1).