聚丙烯纖維混凝土在大型渠道襯砌中的研究應用

顏志強 李 峰

中國水利水電第十一工程局有限公司（450001）

0 引言

南水北調中線一期穿黃工程南岸連接明渠總長4628.57m，為深挖方型渠道。渠道過水斷面為梯形，設計底寬12.5m，邊坡坡度1∶2.25，渠道縱坡1/8000。渠道設計襯砌混凝土板厚度10.0cm。渠道襯砌混凝土板縱、橫縫間距一般為4m，橫縫通縫、半縫交錯布置，縱縫均為半縫。渠道襯砌混凝土強度等級C20W6F150。

渠道混凝土襯砌主要目的是減小渠道糙率，對抗裂、抗滲、抗凍、抗侵蝕性能等耐久性要求較高。襯砌混凝土板具有厚度薄、面積大的特點，防裂問題尤為突出。聚丙烯纖維在混凝土中可形成三維亂向分布的網狀承托作用，阻擋混凝土硬化初期微裂紋發展，從而可提高混凝土的斷裂韌性，改善混凝土的抗裂、防滲性能，提高混凝土抗沖擊耐磨性能及耐久性。

針對本工程渠道混凝土特點，采用多個品牌聚丙烯纖維進行對比試驗，掌握聚丙烯纖維性能特點，選定適合本工程聚丙烯纖維和施工工藝，效果良好。

1 性能對比試驗

擬定渠道混凝土聚丙烯纖維摻量0.9kg/m3，選用杜拉纖維（Durafiber）及另外A、B兩個廠家纖維材料在室內進行混凝土抗壓強度、抗拉強度、極限拉伸、彈性模量、抗凍抗滲、干縮等主要性能對比試驗。

1.1 抗壓強度

混凝土選取0.45、0.50、0.55三種水膠比，測試基準混凝土及摻三種纖維材料混凝土3d、7d、28 d、90d齡期抗壓強度，見表1。

表1 混凝土力學抗壓強度對比表

摻入纖維后，混凝土抗壓強度較同級配基準混凝土抗壓強度略有降低，但降低較小，可以忽略。

1.2 抗拉強度

抗拉強度是混凝土抗開裂性的重要指標。試驗選取混凝土水膠比0.50，測試基準混凝土及摻三種纖維材料混凝土3d、7d、28d、90d齡期劈拉強度，成果見表2。

表2 混凝土劈拉強度對比表

摻纖維后混凝土抗拉強度均有提高，早期抗拉強度提高較大。摻杜拉纖維混凝土劈拉強度較基準混凝土提高較大，3d、7d、28d、90d劈拉強度分別提高15.0%、23.45%、3.8%、7.4%，尤其是3d、7d劈拉強度提高較為明顯。混凝土硬化早期處于混凝土裂縫發展階段，劈拉強度提高有利于混凝土防裂。

1.3 極限拉伸

混凝土極限拉伸值是混凝土軸向受拉斷裂時的應變值，是混凝土抗裂能力的一個重要指標。試驗選取混凝土水膠比0.50，測試基準混凝土及摻三種纖維材料混凝土3d、7d、28d、90d齡期極限拉伸值，成果見表3。

表3 混凝土極限拉伸成果對比表

混凝土摻纖維后，極限拉伸值均有所提高，摻杜拉纖維混凝極限拉伸值提高較大，3d、7d、28d、90d極限拉伸值分別提高28.0%、8.0%、13.0%、12.2%。極限拉伸值提高說明混凝土變形能力增強，抗裂性能提高。

1.4 干縮性能

纖維混凝土的干縮率均小于基準混凝土，對混凝土的裂縫控制有利。見表4。

表4 混凝土干縮試驗成果對比表

早期干縮是造成混凝土開裂的重要原因，混凝土開裂主要集中在澆筑完成3~7d內，減小混凝土的早期干縮能有效控制混凝土的開裂，摻入纖維后，混凝土早期的干縮率明顯降低，可以極為有效地控制混凝土塑性收縮、干縮、溫度變化等因素引起的微裂縫，防止及抑制裂縫的形成及發展，在工程實踐中摻入纖維已成為提高混凝土抗裂防滲能力的有效途徑。

1.5 分散性

試驗結果表明，經混凝土拌和物的分析判斷，混凝土和易性好，三種纖維的分散性能均良好，摻杜拉纖維、A纖維、B纖維混凝土中分散性相對誤差分別為3.85%、4.15%、4.05%，摻杜拉纖維分散性相對較好。保證纖維在混凝土分散的均勻性，對確保混凝土施工質量有重要作用，均勻分布的纖維在混凝土中形成一種均勻的亂向支撐體系，有助于削弱混凝土塑性收縮的張力，從而極為有效地增強了混凝土的韌性，抑制了微細裂縫的產生和發展，隨著混凝土及砂漿中裂縫減少，也有助于改善混凝土的抗滲性與凍融性，因而能夠提高混凝土的耐久性。但如果在施工過程中采用的纖維分散性差，攪拌不均勻，造成纖維在混凝土內分布不均，就會在混凝土澆筑時形成局部薄弱部位，纖維不但起不到抗裂作用，反而會起有害作用，極易在薄弱部位造成開裂。

綜合上述因素，施工中選用了杜拉纖維。

2 渠道聚丙烯纖維混凝土襯砌施工關鍵技術

2.1 混凝土配合比

根據試驗成果，結合《南水北調渠道襯砌機械化施工技術規程》，選定混凝土配合比見表5。

表5 襯砌混凝土配合比

2.2 混凝土拌制

聚丙烯纖維混凝土宜采用強制式攪拌站拌制。與普通混凝土有所不同，襯砌混凝土需添加聚丙烯纖維。本工程采用HZ60拌合站，為確保計量的準確性，攪拌時每盤混凝土量為1.11m3，對應加入一個1kg標準包裝的纖維。纖維添加方式不當或攪拌時間不足，容易局部結團，均勻性差，拌合期間需派專人在拌合樓內直接向攪拌機內均勻添加，保證均勻加料。

混凝土攪拌時間控制應根據《纖維混凝土應用技術規程》JGJT221—2010，纖維混凝土攪拌宜將纖維和粗細骨料投入攪拌機干拌30~60s，再摻入水泥、礦物摻和料、水、外加劑攪拌90~120s，較常規混凝土攪拌時間增加較多，混凝土生產效率效率低。為此進行了對比試驗:攪拌總時間按120s、90s、75 s、60s進行對比，其中干拌時間按30s控制，攪拌完成后，測試纖維分散度，并進行生產試驗、長期跟蹤，確定總攪拌時間為90s在保證質量前提下，提高了混凝土生產效率。

混凝土出機口坍落度宜控制為60~75mm，入倉坍落度控制為50~65mm。當氣候變化時，可微調用水量，維持入倉混凝土坍落度不變，保證襯砌混凝土機械化施工的工作性。

混凝土采用攪拌車運輸，拌和物從拌和樓出料到入倉的時間一般控制為30~45min。

2.3 混凝土澆筑

2.3.1 混凝土攤鋪振搗

采用振碾式渠道襯砌機施工。振碾式渠道襯砌機集混凝土布料攤鋪、振搗、提漿等多功能為一體的渠道襯砌設備，由主機架及整機行走系統、攤鋪小車、混凝土輸送系統、電氣控制系統組成，核心部件攤鋪小車集成下料攤鋪、內部振搗、表面碾壓振搗，實現混凝土襯砌板密實、平整。

混凝土由上料皮帶輸送至沿主機架布置的主皮帶，通過分料裝置進入攤鋪小車，并經螺旋輸送機攤鋪平整。攤鋪小車料倉采用深倉式，下料后混凝土面板上部混凝土堆積厚度30~40cm。

攤鋪小車振搗系統由內部振搗、表面振搗系統組成。攤鋪小車前部設4根Φ50mm軟軸振搗器，振搗器布置在混凝土面板內，順面板布置；中部設兩臺1.5kW附著振搗器進行表面振搗；尾部安裝振動壓光輥進行整平提漿，微型平板振動器對幅間接頭補充振搗。軟軸振搗器及附著振搗器均采用變頻裝置，軟軸振搗器振搗頻率12000次/min，附著振搗器振搗頻率9000次/min。攤鋪小車自坡底向坡頂沿主機架移動分幅攤鋪振搗，通過底部刮板控制混凝土表面位置，攤鋪小車行走速度對混凝土振碾效果影響較大，控制為3m/min，并現場觀察調整。

2.3.2 混凝土抹面

混凝土抹面先使用抹光機提漿，再人工收面壓光。提漿開始時間與環境溫度及攤鋪寬度有關，一般可在混凝土攤鋪寬度超過4m，且滯后攤鋪1~1.5h后實施，若環境溫度較高，則應提前啟動提漿作業，反之亦然，提漿自下而上分幅進行，幅間搭接10~20cm，提漿一般需2~3遍。混凝土接近初凝時，及時進行壓光處理，消除表面氣泡，使混凝土表面平整、光滑無抺痕。

聚丙烯纖維混凝土對表面收光影響較大。一是聚丙烯纖維能保持水分，泌水速度減緩，收面工序應較普通混凝土宜適當推后；二是較普通混凝土壓光難度大，收面壓光先由人工用鐵抹子收一遍，然后使用樹脂葉片抹光機壓光1~2遍，之后人工收面1遍。收面時，抹子應相互疊壓，消除抹痕。

2.3.3 混凝土養護

坡面混凝土灑水后，用塑料薄膜封閉覆蓋，可在板面上形成較多水珠，滿足混凝土養護要求。養護期間，塑料薄膜應貼緊混凝土板面，邊角覆土或用沙袋壓牢，并經常性檢查。

對底板混凝土在倉號兩端堆土堤，蓄水養護，蓄水高度0.05～0.20m。

環境溫度低于0℃時，采取蓄熱養護，在混凝土板面上覆蓋1層塑料薄膜后，再覆蓋2層棉氈。

2.3.4 襯砌板伸縮縫切縫

依據規范規定，切縫施工宜在襯砌混凝土抗壓強度為1～5MPa時進行。根據現場經驗，切縫時間控制在當混凝土澆筑后平均氣溫與時間的乘積為200～300。渠道襯砌主要在春秋季進行，環境平均溫度一般為15℃，可在收倉后16～24h內開始切割，并在24h內完成。若氣溫較高，可在收倉后10～12 h開始切割，具體操作時可以混凝土無缺角、縫面平直為原則。

實際施工中，由于人員組織、設備故障等原因，部分混凝土面板切縫時間有所推遲，但發生由此引起的混凝土裂縫，可見聚丙烯纖維對混凝土面板防裂作用較大。

3 結語

南水北調中線穿黃工程Ⅰ標渠道襯砌混凝土面板大約25萬m2，面板厚度10cm。摻用聚丙烯纖維后，裂縫明顯減少，無溫度裂縫，表面干縮裂縫僅12處。裂縫數量在南水北調中線工程中屬最少標段之一，防裂效果明顯。