聚丙烯纖維混凝土在水庫大壩中的應用分析

彭志杰

（重慶同望水利水電工程設計有限公司 重慶 400000）

聚丙烯纖維混凝土在水庫大壩中的應用分析

彭志杰

（重慶同望水利水電工程設計有限公司 重慶 400000）

聚丙烯纖維混凝土，屬于是一種具有高強度的混凝土復合材料，該材料在混凝土中加入了聚丙烯纖維成分，通過改變混凝土物理結構，改良了混凝土自身性能，形成能夠有效防止開裂問題，具有良好抗磨等性能的施工材料。本文探討了聚丙烯纖維混凝土在水庫大壩修建工程中的實際應用。

聚丙烯纖維混凝土；水庫大壩；應用

1 引言

與傳統的水泥混凝土相比較，具有纖維成分的水泥混凝土具備了更加優良的力學性能，其使用更耐久，因而被廣泛地應用于一些施工環境較為惡劣的工程施工中。化學工業不斷發展，聚合物纖維的性能也隨之得到研究和提高，其中，聚丙烯纖維混凝土是以聚丙烯為原材料，經特殊工藝制造而成，由于其價格低廉、施工方便、結合性好等優勢，逐漸開始取代鋼纖維，在工程施工中有良好的應用前景。

2 聚丙烯纖維混凝土應用性能分析

聚丙烯纖維混凝土的性能指標如表1所示。

表1 聚丙烯纖維的性能指標

2.1 抗凍性能

在混凝土中添加聚丙烯纖維后，即是在混凝土內部添加了細密且縱橫交錯的支撐纖維絲，以緩解混凝土在凍融過程中，由于溫度改變而出現的內部應力作用，從而防止溫度裂縫發生擴展。根據混凝土的抗凍試驗，通過多次反復凍融，聚丙烯纖維混凝土沒有出現分層、龜裂等問題，可見，在混凝土中加入聚丙烯纖維，是一種可行的混凝土抗裂方法。

2.2 抗裂性能

相較于鋼纖維，聚丙烯纖維的細度更高，其當量直徑一般在0.02～0.01mm范圍內，且數量較多，較為常見的0.9kg/m3摻量在充分分散后，可得到約700～3000萬根的纖維單絲。因此，聚丙烯纖維可以有效地控制早期混凝土，避免在離析、泌水或收縮的影響下發生裂縫問題，或減少出現的裂縫數量、尺寸大小等，從根本上控制了混凝土的性能劣化問題。

2.3 抗滲性能

混凝土在摻入了聚丙烯纖維后，還可以起到抑制混凝土產生貫通裂縫的作用，由于分布于混凝土中的聚丙烯纖維絲彼此粘連，且為亂向分布，因而能夠對混凝土骨料發揮承托的重要作用，降低混凝土表面發生離析、泌水問題的幾率，提高混凝土的抗滲性，降低50～100nm以及大于100nm害孔隙的含量。

2.4 抗沖耐磨性

聚丙烯纖維混凝土還具有良好的抗沖耐磨性。由于聚丙烯纖維是以每立方米數千萬條的數量，加入混凝土，聚丙烯纖維絲之間彼此牽連，構成均勻而亂向的支撐體系，加強了混凝土體的穩定性，有效防止了因沖擊或磨損造成的裂縫。同時，聚丙烯纖維的粘連性好，通過提高混凝土碎塊從基體剝落的能量消耗，進一步加強了耐磨性能。

2.5 抗沖擊性能

聚丙烯纖維混凝土內部的支撐體系還有助于提高混凝土在遭受沖擊過程中，對動能的吸收。由于聚丙烯纖維本身的剛度低，荷載傳遞的能力較差，反而有效地降低了裂縫的尺寸，加強了材料的介質連續性，從而減少由于沖擊波阻斷，所導致的局部應力集中，約束裂縫的擴展或延伸。

3 聚丙烯纖維混凝土的應用原理

聚丙烯纖維的原材料是聚丙烯，是通過獨特的工藝，以及特殊防靜電和抗紫外線處理，使其具備一定的抗紫外線、抗老化性能，從而保障了該纖維的長期作用，維持混泥土性能，其應用的機理主要存在以下兩種：

3.1 纖維間距機理

纖維間距機理的主要依據，是彈性斷裂力學。該理論認為，在混凝土的內部原本即存在強度的缺陷，如果想要提高其強度，需要盡量提高韌性，而降低其內部的裂縫端部應力集中系數。通過實驗證明，纖維能夠對裂縫產生約束作用，當纖維的平均中心間距在7.6mm以內時，即可提高纖維混凝土的抗拉、抗彎強度，提高其韌性。

3.2 復合材料機理

如果從復合材料構成混合原理來看，聚丙烯纖維混凝土其實是利用纖維，將混凝土改變成一種纖維強化體系，利用混合原理，推論纖維混凝土所具有的抗拉、抗彎強度等，從而確定纖維混凝土的強度，與纖維的添加數量、添加方向、長徑以及粘連力關系。

根據這兩種理論可以發現，添加聚丙烯纖維的主要作用，在于提高混凝土的抗拉強度，防止微裂紋擴展衍生，提高其變形能力，改善韌性，最終改良混凝土的自身性能。

4 聚丙烯纖維混凝土在大壩施工中的應用

4.1 工程概況

某水庫地處黃土高原溝壑區，其流域面積約為3478km2。該水庫的大壩為黃土均質壩，初建時高為58m，經歷三次加高后達到75.6m，壩長為565m，總庫容約5.4億m3。該水庫的樞紐工程包括大壩、兩條泄洪洞、溢洪道、輸水洞以及兩級電站，其最大泄流量達到5349m3/s。

4.2 工程任務

為了維護水庫安全，需要對水庫大壩的溢洪道進行改建，施工工程包括進口導流段、引渠段、閘室段（溢流堰）、泄槽段和下游消能防沖段。工程全長為427m，最大泄流量為4709m3/s。要求其閘室使用兩孔開敞式泄洪閘，以一孔一聯的結構型式進行布置，其單孔的凈寬設置為13m，閘室的總寬設計為36m。其中的堰體施工，設計為混凝土實體WES型的溢流堰；泄槽則設計為矩形斷面，起始寬度為31m，總長164m，坡比0.025。

由于普通的混凝土材料早期強度低，容易出現裂縫問題，因此，根據混凝土設計強度和耐久性要求及施工和易性需要，為了提高混凝土的抗裂抗磨性能，要求在該工程中運用聚丙烯纖維混凝土，設計其強度為C30/W6/F150，澆筑總量 5138m3。

4.3 混凝土原材料及配合比

工程中所選用的混凝土工程纖維為100%改性聚丙烯，纖維的長度為18mm，其當量直徑為15～50μm，物理力學性能如表2所示。此外，采用的水泥為P.O.42.5級普通硅酸鹽水泥，天然河砂、骨料以及粉煤灰，添加過高效減水和引氣劑緩凝的混凝土等。

表2 聚丙烯纖維物理力學性能

依據工程對于混凝土強度、耐久性方面的要求，結合施工易性需求，對原材料的性能、混凝土配合比等進行試驗，其中每立方米的混凝土材料用量為：水泥257kg；細骨料373kg；粗骨料1663kg；粉煤灰45kg；減水劑 2.4kg；引氣劑 0.018kg；聚丙烯纖維 0.8kg；水 106kg；水膠比 0.35；坍落度70～90mm。澆筑施工前，需要及時對理論配合比進行調整，以符合施工要求。

4.4 聚丙烯纖維混凝土應用施工

4.4.1 施工流程（見圖1）

施工流程為（見圖1）：原材料儲備、檢驗→倉面清理→測量放樣→鋼筋綁扎焊接→模板安裝→開倉驗收→拌和系統檢查→混凝土制備、運輸、入倉→溫度、坍落度檢測→混凝土試塊取樣→混凝土平倉、振搗→拆模、養護→外觀檢查。

圖1 基本施工流程圖

4.4.2 混凝土澆筑

（1）拌和：聚丙烯纖維和外加劑的拌合應當由人工進行，經人工稱量后，均勻拋撒到粗骨料上，和攪拌艙中。其余的原料則均可以采用配料機進行自動稱量和適配，然后進行攪拌，攪拌時間為5min。拌和施工要使纖維均勻分布，保證混凝土的易性。

（2）運輸：為了有效控制混凝土在運輸過程中可能出現的離析和泌水問題，要求運輸必須運用混凝土罐車，垂直運輸過程則采用塔吊配錐形料罐，而倉面的運輸則采用溜槽入倉。

（3）澆筑：混凝土的澆筑施工，所采用的為臺階法，即是由低向高進行分層鋪料和澆筑，工程要求將澆筑的厚度控制在30cm。等到混凝土入倉，首先由人工進行攤鋪和整平，然后使用準70插入式的振搗器，進行梅花形振搗，注意應當快入慢提，直到粗骨料沒有出現明顯的下沉，即可開始泛漿。在模板出現滑升或提起后，開展一次收面，在混凝土初凝前進行二次收。

（4）養護：在二次抹面結束后，需要使用塑料薄膜進行覆蓋保護，約9h后，再覆蓋草袋，并進行灑水養護，以維持混凝土表面的濕潤程度。

4.5 應用效果

聚丙烯纖維混凝土在該水庫大壩工程中的實際應用，有效地抑制了混凝土表面裂縫問題的產生，提高了混凝土體的抗滲、抗凍、抗沖擊以及抗磨性能，進而有效保障混凝土施工質量。聚丙烯纖維混凝土對于工程施工沒有較高要求，且自身具備良好的力學性能，能夠為工程提供質量的保證，經濟實用、安全耐用且方便操作，能夠得到良好的施工效果。

5 結語

聚丙烯纖維混凝土具有良好的抗壓強度、抗滲以及抗凍性能，易性好，不容易發生離析，因而能夠有效控制混凝土表面的龜裂和干縮裂縫等問題，同時改善了其表面平整度，同時還提高了大壩實際的抗滲、抗凍性能。

[1]李東，葉以挺.聚丙烯纖維混凝土早期抗裂性能試驗研究[J].混凝土與水泥制品，2010（6）：39～42.

[2]蔡迎春，代兵權.改性聚丙烯纖維混凝土抗凍性能試驗研究[J].混凝土，2010（07）：63～64.

[3]向陽開，藍祥雨.隧道聚丙烯纖維混凝土抗滲性能分析及試驗比較[J].土木建筑與環境工程，2010，32（05）：114～118.

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