聚合物纖維混凝土在達開水庫灌區渠道防滲中的應用研究

劉魯強

(廣西壯族自治區水利科學研究院，廣西 南寧 530023)

1 工程概況

達開水庫位于廣西貴港市和武宣縣交界的黔江支流馬來河中游，設計灌溉面積3.48萬hm2，其中西總干渠長20.60km，設計灌溉流量 22.70m3/s，設計灌溉面積2.48萬hm2，是一座以灌溉為主，兼顧發電、防洪效益的大型水庫。達開水庫灌區建于1966年，渠道已多處老化失修，滲漏嚴重，實際過流能力降低，灌溉面積減少。在灌區續建配套與節水改造工程設計中，渠道防滲采用三面混凝土襯砌，襯砌斷面為梯形，梯形底寬為 5.40m，邊坡為 1∶1.5，設計水深為 2.80m，防滲襯砌厚度為10cm。渠道防滲混凝土設計指標為強度等級C15、抗滲等級W6。

由于西總干渠防滲襯砌混凝土防滲渠段混凝土防滲襯砌厚度比較薄，且渠道防滲線長面廣，混凝土養護條件較差，加之渠基土方填筑往往難以達到設計要求等原因，目前均出現了不同程度的裂縫，尤其是填方渠道(見下頁圖1)。裂縫不僅加大了渠道的滲漏損失，降低了工程效益，而且使混凝土耐久性降低，影響了工程的使用壽命?；诖?，本文提出采用聚合物纖維混凝土進行西總干渠渠道施工的防滲方案［1-3］，取得了良好的技術經濟效果。

2 試驗研究及成果

2.1 試驗原材料

a.水泥:為525號普通硅酸鹽水泥，其物理和化學指標均符合國標《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》(GB 175—92)要求。

b.骨料:粗骨料為石灰巖人工碎石(二級配)，細骨料為河砂。河砂細度模數3.20、含泥量1.20%、表觀密度2610kg/m3，碎石表觀密度2660kg/m3，粗、細骨料的其他品質均符合規范要求。

c.聚合物纖維:聚合物纖維是一種以人工聚合的高分子材料(聚丙烯、聚乙烯等)為主要原料，以多種添加劑為輔料制成的合成纖維。根據其生產過程不同可分為2種，即單絲纖維和網狀纖維。為了比較不同品種纖維對混凝土性能的影響，本文選用2種聚合物纖維，一是國產單絲纖維，二是進口網狀纖維。

2.2 配合比設計

本文配合比是在達開水庫灌區渠道防滲混凝土推薦配合比［4］基礎上摻用2種聚合物纖維(即單絲纖維和網狀纖維)，纖維摻量分 0、0.50、0.90、1.20、1.50(kg/m3)五個等級。為保持未摻纖維前的混凝土坍落度，在不改變混凝土配合比的前提下，采取摻減水劑的措施來保持原混凝土坍落度。聚合物纖維混凝土配合比見表1。

表1 聚合物纖維混凝土配合比

2.3 拌和工藝

聚合物纖維的分散性是保證纖維混凝土質量的前提，如何通過合適的拌和設備和工藝使聚合物纖維在拌和過程中不成團，并能均勻地分散于新拌混凝土拌和物中，是聚合物纖維混凝土拌和的技術關鍵。不同拌和設備和工藝對聚合物纖維分散性的影響試驗結果如下:

a.單絲纖維混凝土。采用自落式攪拌機或強制式攪拌機、隨意的投料順序，拌和3min，得到的拌和物聚合物纖維均分散均勻。這是因為聚合物纖維具有良好的親水性，團狀的單絲纖維遇水自行分散，因此不同的拌和設備和工藝對單絲纖維的分散性影響不大，只需適當延長拌和時間。

b.網狀纖維混凝土。采用自落式攪拌機，無論拌和時間多少都無法使網狀纖維撕開并分散均勻，必須采用強制式攪拌機攪拌才能使網狀纖維撕開并分散均勻。這是因為網狀纖維呈束狀，纖維之間有橫向連接，遇水不能自行分開，必須在一定的外力沖擊作用下，網狀纖維的“網”才能打開，由束狀變成網狀，從而在混凝土中分散均勻。網狀纖維混凝土采用強制式攪拌機、隨意的投料順序，拌和5min，得到的拌和物聚合物纖維分散均勻。

2.4 試驗結果分析

聚合物纖維混凝土28d齡期的強度、變形和耐久性能試驗結果見下頁表2，其中抗滲性能采用一次加壓法［5］(壓力為0.8MPa)，恒定24h 得出的滲水高度來評定。聚合物纖維混凝土早期硬化階段的抗裂性能試驗采用自行設計的約束法進行，即將試件澆筑于尺寸為900mm×600mm×20mm的木模中，木模底板與內側鋪塑料薄膜，以防木模吸水，在木模的厚度中間固定15mm×15mm鋼絲網，以形成對混凝土收縮變形的約束。在室內澆筑后不養護，立即用電風扇(風速約5m/s)吹試件表面，加速試件表面水分蒸發，連續吹24h后，測定試件表面的裂縫長度來評定抗裂性能。采用砂漿試件，砂漿配合比中水泥、砂和水的比例與表1中 S-1、S-3和A-2的配合比相同，抗裂性能試驗結果見表3。

表2 聚合物纖維混凝土強度、變形和耐久性能

表3 聚合物纖維砂漿抗裂性能

從表2可以看出:?混凝土摻入聚合物纖維后，其抗滲性能和強度性能明顯提高，變形性能顯著改善，聚合物纖維摻量在0.50～1.20kg/m3時，抗拉強度提高13% ～38%，抗折強度提高5% ～12%，抗壓強度提高7% ～28%，抗滲性能提高11% ～64%，極限拉伸值提高17% ～45%，彈性模量降低4% ～5%;?纖維的摻量對混凝土的強度、變形和抗滲性能有顯著影響，隨著纖維摻量的增加，混凝土強度和抗滲性能隨之提高，極限拉伸值亦隨之增大，纖維摻量在0～0.90kg/m3時，混凝土強度、抗滲和極限拉伸值增加的幅度較大，纖維摻量超過0.90kg/m3時，增幅較為平緩，當纖維摻量超過1.20kg/m3時，由于難以振搗密實，各項性能呈下降趨勢;?纖維的品種對混凝土的強度、變形和抗滲性能亦有顯著影響，在纖維摻量相同的條件下，網狀纖維混凝土的各項性能均優于單絲纖維混凝土。

從表3可以看出，混凝土摻入聚合物纖維后，有效減少了混凝土塑性收縮裂縫的產生，提高了混凝土抗裂性能。纖維摻量為0.90kg/m3時，單絲纖維混凝土裂縫減少65%，網狀纖維混凝土裂縫減少79%，網狀纖維混凝土抗裂性能優于單絲纖維混凝土。

3 現場應用

3.1 施工配合比

達開水庫灌區渠道防滲混凝土工程施工具有線長面廣的特點，工程量分散，而且網狀聚合物纖維依賴進口，價格較貴，為國產單絲聚合物纖維價格的2～3倍，因此，綜合比較性能、價格和施工等因素，渠道防滲宜采用國產的單絲聚合物纖維，纖維摻量宜采用0.90kg/m3。經現場試驗調整確定的聚合物纖維混凝土施工配合比見表4。

表4 聚合物纖維混凝土施工配合比

3.2 施工工藝

3.2.1 拌和

采用容量為0.4m3的自落式攪拌機拌和，為了便于計量，每拌混凝土按0.20m3(一袋水泥)配料。砂、石和水稱量由重量換算成體積，分別用斗車和盛水桶量測。聚合物纖維和減水劑按每次拌混凝土所需用量由廠家出廠時秤量包裝，聚合物纖維每袋0.18kg，減水劑每袋0.31kg，各種材料均設專人投放，并做好記錄。為了防止聚合物纖維漂失，按“石→聚合物纖維→水泥→砂→水”的投料順序，濕拌3min。

3.2.2 運輸及澆筑

渠基填土經過壓實并灑水浸潤后，采用自卸式手拖和人工手推車運輸混凝土至渠道上，利用溜槽將混凝土輸送到渠道底面，然后采用人工鏟運將混凝土由下往上鋪設在渠坡上，經過人工平倉后，采用表面式振蕩器振搗，振搗渠坡混凝土時，上行振動下行不振動，振動時間以混凝土表面完全泛漿時為準，振搗完成2～3h后進行人工收面，使纖維混凝土襯砌表面平整光滑。

3.2.3 養護

受施工條件限制，采用人工灑水養護，纖維混凝土澆筑完畢達到終凝(6～8h)后，定時人工灑水養護方式，養護7～10d，保持混凝土表面濕潤。

3.3 質量檢測評定

3.3.1 性能檢測

采取在機口隨機抽樣的方法，對纖維混凝土各項性能進行檢測，檢測結果見表5。從表5可以看出，纖維混凝土各項性能均滿足設計要求，符合規范規定。

表5 聚合物纖維混凝土性能現場檢測結果

3.3.2 裂縫檢測

聚合物纖維混凝土防滲襯砌澆筑后一個月內，經檢測未發現任何裂縫。在渠道輸水運行5年后，渠道臨時干涸，對相鄰同時施工的纖維混凝土防滲渠道和普通混凝土防滲渠道各取200m渠段進行觀測對比。觀測結果顯示:由于渠基填土質量難以保證，混凝土養護條件差，普通混凝土防滲渠段出現了較多裂縫，其中貫通整個澆筑塊的裂縫就有5條，縫寬在0.60mm以上，裂縫總長度達36m，見圖1。在相同施工條件下，纖維混凝土防滲渠段僅出現2條短裂縫，寬度很小，屬發絲裂縫，裂縫總長度僅3.50m，見圖2。裂縫檢測結果表明，纖維混凝土防滲渠道比普通混凝土防滲渠道裂縫減少90%，聚合物纖維對減少混凝土裂縫效果顯著。從圖1和圖2還可以看出，纖維混凝土表面平整光滑，普通混凝土表面粗糙呈麻面，部分砂石裸露，纖維混凝土的抗沖磨性能比普通混凝土顯著提高。

圖1 普通混凝土防滲渠道

圖2 纖維混凝土防滲渠道

3.4 渠道滲漏測驗

渠道輸水運行5年后，采用靜水法［6］對纖維混凝土防滲渠道和普通混凝土防滲渠道進行滲漏測驗對比分析。在相鄰施工條件相同的兩類防滲渠道上，各選擇一段具有代表性的渠段作為渠道滲漏測驗段。測驗段長40m，測驗水深2m，滲漏平衡區長10m，渠基土類均為含礫黏土，渠床均為回填式。渠道滲漏測驗結果見表6。

表6 渠道滲漏測驗結果

檢測結果顯示，在渠道防滲襯砌厚度減少20%的情況下，纖維混凝土防滲渠道的穩滲強度比普通混凝土防滲渠道降低22%，纖維混凝土防滲渠道的滲漏損失明顯低于普通混凝土防滲渠道。

4 結語

a.渠道防滲混凝土摻用聚合物纖維，可以有效地減少塑性收縮，改善變形性能，提高抗裂性能、抗滲性能和耐久性能。纖維摻量在0.50～1.20kg/m3時，在保持水灰比不變的前提下，混凝土抗壓強度提高7%～28%、抗拉強度提高13% ～38%、極限拉伸值提高17%～45%、彈性模量降低4% ～5%、抗滲性能提高11% ～64%、抗裂性能提高65% ～86%。

b.網狀纖維混凝土性能優于單絲纖維混凝土，但網狀纖維混凝土需要強制式攪拌機攪拌，拌和時間長，施工要求高，且網狀纖維價格較貴，對于渠道防滲宜采用單絲纖維混凝土，纖維適宜摻量為0.90～1.20kg/m3。

c.達開水庫灌區渠道防滲襯砌工程采用單絲聚合物纖維混凝土，解決了渠道防滲襯砌混凝土易開裂、易沖磨、耐久性低的問題，在渠道防滲襯砌厚度減少20%、工程投資基本不增加的情況下，渠道裂縫減少90%，渠道滲漏損失降低22%，工程使用壽命得到延長，經濟效益顯著，值得推廣應用。

［1］吳中偉.纖維增強—水泥基材料的未來［J］.混凝土與水泥制品，1999(1):5-6.

［2］戴建國，黃承逵.網狀聚丙烯纖維混凝土的試驗研究［J］.混凝土與水泥制品，1999(4):35-38.

［3］朱江.聚丙烯纖維混凝土在路面工程中的應用研究［J］.混凝土，2000(9):8-10.

［4］劉魯強，等.達開水庫灌區渠道防滲混凝土配合比設計試驗報告［R］.廣西水利科學研究院，2001.

［5］SD 105—82水工混凝土試驗規程［S］.

［6］SL 18—2004渠道防滲工程技術規范［S］.