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宁波白溪水库二期面板聚丙烯纤维混凝土试验研究
发布者:维特耐 发布时间:2012-07-13 10:12:28

                                     宁波白溪水库二期面板聚丙烯纤维混凝土试验研究 
                                      作者:葛其荣    郑子祥    高翔 李秋生   卢安琪朱强

  一、 背  景

       白溪水库总库容1.684亿m3,属国家大(2)型水库,是以供水、防洪为主,兼顾发电、灌溉等效益的综合利用水利枢纽。水库大坝采用钢筋混凝土面板堆石坝,最大坝高124.4m,在我国面板堆石坝中高度居第四位。大坝上游坝坡1:1.4,下游平均坝坡1:1.52,坝顶高程177.4m,面板厚度由坝顶至坝底为30~66cm,在面板厚度的中部布置 20~25mm的钢筋网,间距20cm×20cm.一期面板浇至128.5m高程,已于2000年1月完工.二期面板在2000年9~12月施工。

       在混凝土面板坝工程中,防止面板出现裂缝和提高抗变形能力一直是主要技术问题之一。白溪水库大坝二期面板位于水位变动区,冬季经常受到寒流、大风等环境因素的作用,工作条件比较严酷,防止或减少裂缝和提高面板抗变形能力,对延长面板工作寿命,保证大坝安全运行,十分必要。为了提高二期面板混凝土质量,工程建设、设计、施工和监理单位共同决定,对在二期面板上采用国外80年代发展起来的新型混凝土——聚丙烯纤维混凝土的可行性进行试验研究。《聚丙纤维混凝土在水利工程上的应用研究》课题列入水利部和宁波市2000年度科技创新项目计划。

      本项研究首先进行了国内外聚丙烯纤维混凝土的应用和研究情况的调研,开展了室内和室外试验,并论证了在白溪水库上应用的技术和经济可行性。以中国工程院院士谭靖夷教授为首的专家组对这项成果进行了评审,一致认为,聚丙烯纤维混凝土在技术性能上明显优于普通混凝土,可以显著提高混凝土的变形能力和耐久性,而增加的费用不多,建议在白溪水库二期面板中加以应用。

二、 国内外聚丙烯纤维混凝土研究和应用简述

       聚丙烯纤维是由丙烯聚合物或共聚物制成的烯烃类纤维,比重为0.91,抗拉强度可达300~500Mpa,弹性模量3400~3500Mpa,不吸水,为中性材料,与酸碱不起作用,熔点160~170℃,燃点590℃。掺加在混凝土中的聚丙烯纤维长度一般为12~19mm,直径几十m。根据国内外的试验研究和工程应用经验,与常规混凝土比较,聚丙烯纤维混凝土有以下几方面的特点:

     (1)聚丙烯纤维在混凝土进入塑性阶段能有效减小收缩和裂缝的产生,在硬化后期能在一定程度上抑制干缩裂缝的发生,使裂缝变细。这使聚丙烯纤维在板式结构中作为次要加强筋而得到最广泛的应用。

     (2)改善混凝土的变形特性和韧性,提高混凝土的极限拉伸率,在混凝土初裂后仍有一定的承载能力,实质上是对外荷能量的吸收能力和混凝土变形性能的改善;还可以提高混凝土的抗破碎性。

     (3)加入聚丙烯纤维,虽然并不能提高混凝土的静力强度,但由于韧性改善,抗冲击能力和抗磨损能力都可以提高。

     (4)提高了混凝土的耐久性。由于聚丙烯纤维混凝土能减少裂缝,并使裂缝细化,故可使混凝土的抗渗能力得到较大提高,从而提高混凝土的抗冻融能力。国外许多文献均报道了聚丙烯纤维混凝土能显著减少海水等侵蚀性环境对钢筋的锈蚀作用。

      (5)聚丙烯纤维混凝土的施工与常规混凝土基本相同,但聚丙烯纤维混凝土在相同配合下,坍落度比普通混凝土降低30%左右,且泌水速度降低,振捣和收面作业应适当加强。

聚丙烯纤维混凝土最初是用在美国的军事工程中,但很快发展到民用工程,主要是在板式结构中采用,如房建中的地坪、地下室底板和墙、路面、桥梁铺装层、机场跑道、停机坪等。在水利工程中,美国已在坝工、灌溉渠道衬砌、边坡防护等工程中应用。由于聚丙烯纤维混凝土比普通混凝土有较高的粘稠性,用在喷射混凝土中,不但可以提高性能,还可以减少回弹损失。我国从90年代初开始引进这一技术,最初用于公路、桥梁工程,以后在房建中也越来越多地得到应用。但在我国水利工程中,聚丙烯纤维混凝土还处于试验研究阶段。

三、聚丙烯纤维混凝土室内试验研究成果简介

1.聚丙烯纤维混凝土的配合比

      白溪水库大坝二期面板混凝土的设计指标为混凝土强度等级C25,抗渗标号W8,抗冻标号F100,含气量4%~5%。聚丙烯纤维混凝土的配合比与一期面板的普通混凝土配合比基本相同。由于原配合比在强度上有较大的裕度,为了弥补聚丙烯加入所减少的混凝土坍落度,采取了少量增加用水量和把原来的粉煤灰超量替代改为等量替代等措施。在试验中还对不同聚丙烯纤维的掺量下的混凝土性能进行了对比。最后推荐聚丙烯纤维掺入量为0.9kg/m3,即体积掺量为0.1%。

 2.拌合物性能试验

      拌合物试验内容为纤维对拌合物的含气量、坍落度随时间变化特性、初凝和终凝时间以及泌水速度等的影响。结果表明,聚丙烯纤维的掺入对混凝土含气量无影响:掺入纤维后,混凝土初凝提前1~1.5h,终凝也略有提前,但凝结时间与纤维的掺量之间尚未发现有规律性的变化;同时,聚丙烯纤维的掺入减少了塑性混凝土表面的析水,表现为泌水率下降,泌水推迟20min开始,提早30min结束。与普通混凝土一样,聚丙烯纤维混凝土在拌和后坍落度随时间有所减少,特别在0.5h后,损失速度加快。但对比试验显示,普通混凝土坍落度随时间也同样会减少,坍落度损失速度与掺纤维无关。由于聚丙烯纤维混凝土的施工对坍落度相对要更敏感些,因此更要注意研究坍落度随时间变化的规律。

3.力学性能

       不同纤维掺量下聚丙烯纤维混凝土的力学性能如表1所示。由表1可以看出,由于纤维混凝土在调整坍落度时少量增加了用水量,导致混凝土抗压、抗拉和抗折强度均稍有下降,但下降很少;掺入粉煤灰后,在表1所示列龄期内,强度指标有所降低。

 4.变形和韧性试验

       主要进行了聚丙烯纤维混凝土的变形模量、极限拉伸率和弯曲韧性系数试验。弯曲韧性系数测定按照《钢纤维混凝土试验方法》(CECS13:89)进行,该法与美国材料试验协会(ASTM)标准C1018相同。在评价韧性系数时,则按日本土木工程协会方法(JSCE-SF4)进行。有文献指出:日本JSCE-SF4的评价方法可比美国ASTMC1018更好地体现纤维混凝土的韧性。试验结果,聚丙烯纤维混凝土的极限拉伸率比普通混凝土高6%~16%,弹性模量低5%~13%,而韧性指数高21%~35%。聚丙烯纤维混凝土的低弹性模量和高极限拉伸率说明其变形能力优于普通混凝土,因而有利于面板混凝土抗裂。纤维混凝土的较高韧性表明混凝土的传统脆性弱点得到改善,这对支承在堆石坝体和垫层料上的面板混凝土适应沉陷和水荷载下的变形,防止裂缝的发生具有重要意义。

5.纤维混凝土的干缩和纤维阻裂试验

     纤维混凝土的干缩试验按有关规程进行。结果表明,掺与不掺聚丙烯纤维,在28d内,干缩量比普通混凝土减少5%~7%。纤维对混凝土早期硬化阶段的阻裂作用试验,国内外都没有标准方法。本次试验采用了美国保罗·克莱依(Paul p.Kraai)在1982年建议的测定混凝土塑性收缩裂缝的方法。试件浇注在尺寸为610mm×915mm×19mm的木模中。浇注后不养护,立即以风扇连续吹试件表面24h,再测定试件表面的裂缝宽度和长度,用根据裂缝宽度衡量的权值计算开裂指数。试验结果表明,聚丙烯纤维混凝土的开裂系数比不掺的减少58%,阻裂作用明显。

 6.长期性能和耐久性试验研究

       聚丙烯纤维混凝土的长期性能和耐久性主要是抗渗性、抗冻融性和在加速紫外线老化条件下的纤维耐久性。前两者的试验按照规程进行。实验结果,在设计抗渗指标(W8)下,掺纤维混凝土的抗渗能力不掺纤维的没有明显差别。冻融试验在50次循环时,掺或不掺纤维的试件指标无差别。但在冻融循环100次时,掺聚丙烯纤维的混凝土抗冻指标均优于普通混凝土,相对动弹性模量(冻融后与冻融前的动弹性模量之比)都大于素混凝土。150到200次循环时,普通混凝土已不能满足规范指标要求,而纤维混凝土则都符合规范要求(相对动弹模量≥80%).说明聚丙烯纤维抗冻标号可从F100提高到F200。

       关于在紫外线作用下的纤维混凝土中的纤维是否会老化,因而影响混凝土的整体性能,是研究白溪水库应用聚丙烯纤维混凝土的技术可行性时主要关心的问题之一,而国内外对此都没有试验标准,文献报道也很少。在试验中利用气候老化箱并采用氙灯照射来加速老化。照射强度相当于太阳辐射强度的2200倍。试验中发现聚丙烯纤维丝在裸露条件下照射仅24h,其断裂强度和延伸率分别只剩54%和35%,但在砂浆遮盖厚度仅3.8mm时,照射250h后,断裂强度和延伸率还保留96%。说明紫外线对纤维丝的老化作用仅局限在混凝土浅表层3~4层处,再深处即无影响。用砂浆试件在老化箱内老化500h,强度无损失。以上充分说明,紫外线对聚丙烯纤维混凝土不会产生老化危害,这与国外研究结论一致。

四、现场工艺性实验

       现场施工工艺实验进行了溢洪道进水渠底板和面板聚丙烯纤维混凝土滑模施工工艺现场试验。在现场取样试验,聚丙烯纤维混凝土各项指标均达到或超过了设计要求。施工过程中主要研究了以下问题。

       1、纤维均匀度 。为了保证纤维在混凝土内分散均匀,经过室内外试验,采用直落式搅拌机干拌1min,湿拌4min(普通混凝土湿拌3min)。经现场取样,4个样品纤维含量的变差系数为0.1,说明纤维在混凝土中分面基本均匀平均含量为0.99kg/m3,较设计值大9%,分析其主要原因是取样量较少(1kg左右),所取样品中含砂率偏大4%~6%所致。因此认为,上述拌和方法可以保证纤维分散的均匀度。后又经现场试验采用,采用湿拌5min也能满足均匀度要求。

       2、控制适宜的坍落度。与普通混凝土比较,聚丙烯纤维混凝土较为粘稠,表现在插入式振捣器振捣时的穴坑复平时间较长,收面要适当加强。为保证顺利振捣和收面,一定要控制坍落度在适宜范围内。施工曾发生因坍落度太小造成收面无法进行的问题。经多次探索,认为适宜的仓面坍落度与气候密切相关,一般以3~4cm为宜。由于坍落度的控制都在搅拌机口进行,因此研究了在现场条件下坍落度随时间减少的规律,并搞好现场组织,尽可能缩短混凝土出机到入仓的时间。采取上述措施后,施工进行顺利。用常规方法,完全可以保证聚丙烯纤维混凝土的施工质量。

       3.面板聚丙烯纤维混凝土的滑模施工试验。为了验证斜坡上面板混凝土滑模法施工的可行性,还进行了面板聚丙烯纤维混凝土的现场施工试验。共浇筑了4块面板,最长为70cm,宽度12cm。浇筑进行时,天气为多云和晴天,气温21~32℃。布置2台750L搅拌机,拌和方法按干拌1min,加水拌和4min。纤维的投放,由厂家根据拌和每一次拌和应加入的纤维量进行包装,保证了纤维掺量的准确性。根据测验,纤维在混凝土中分布均匀。坍落度出机口控制为5~7cm。采用溜槽顺斜坡输送混凝土入仓。滑模提升速度约1.7m/h滑模法浇筑面板聚丙烯纤维混凝土完全能保证质量。

       4.防裂性能对比  对溢洪道水渠底板作了在同等条件下,掺纤维与不掺纤维

混凝土底板裂缝观测对比。地基为岩石,基坑很不平整,设计板厚30cm,表层有分布钢筋网,浇注块尺寸为20m×12m,地基对混凝土板基本为全约束状态。养护时未加草袋,仅每日洒水3次,条件比较严酷。根据观察,普通混凝土发生了3条较宽的裂缝。其中有一条贯通整个浇注块宽度的裂缝,缝宽在0.3mm以上。其它两条与之连通,缝宽也较大。而聚丙烯纤维混凝土裂缝发生时间推迟,长度仅4cm,且属于发丝裂缝,因此聚丙烯纤维防止和减少收缩裂缝的作用十分明显。

五、工程应用情况

        经过大量的室内外试验研究和专家评审,设计单位同意二期面板改用聚丙烯纤维混凝土。截止2000上12月5日,面板浇筑已全部完成。共浇筑二期面板33块,最长77m,宽度12m。混凝土浇筑方量约1万m3。采取了控制坍落度、缩短运输入仓时间、适当加强振捣与收面作业等措施,使浇筑过程基本顺利,保证了质量。

 六、结论

      1.聚丙烯纤维混凝土能有效地防止和减少塑性收缩裂缝。室内和现场试验都证明,聚丙烯纤维混凝土有明显的阻裂性能,可能显著地提高混凝土的变形能力,干缩率也有所减少。所有以上性能对提高白溪水库二期面板的混凝土质量、保证工程安全、延长工作寿命具有重要意义。

      2.聚丙烯纤维混凝土配合比与原来采用的一期面板混凝土配合比基本相同,掺入纤维引起的坍落度损失可以用简单的措施来调整解决:混凝土的抗压、抗拉和抗折强度都能保证设计要求。

      3.聚丙烯纤维混凝土施工工艺与普通混凝土的施工工艺基本相同。只要合理控制坍落度,注意缩短混凝土出机到入仓的时间,控制仓面混凝土坍落度为3~4cm,并适当加强振捣和收面作业,完全可以保证聚丙烯纤维混凝土施工的质量。

       4.由于聚丙烯纤维混凝土有效地抑制裂缝产生,使混凝土防渗、抗冻融能力得到改善,从而使混凝土耐久性大大提高。紫外线对聚丙烯纤维混凝土的老化作用很小,纤维受到老影响仅在表面深度3~4mm的范围内,对整体混凝土的强度特性没有影响,聚丙烯纤维混凝土的耐久性是有充分保障的。

       5.国产聚丙烯纤维的研究和生产中,在纤维的抗老化、与混凝土的结合力、细径化等方面做了大量的工作,已能生产出符合要求的改性聚丙烯纤维丝和纤维网,其价格约为进口聚丙烯纤维的1/2~1/3,为在我国推广聚丙烯纤维混凝土创造了条件。当掺量水平为混凝土体积含量的0.1%时,混凝土增加的材料和施工费用约为50元/m3,与所得到的效益相比,是十分经济的。

       我们认为,白溪水库二期面板采用聚丙烯纤维混凝土在技术上和经济上都是可行的,不仅为提高白溪水库面板堆石坝的质量和耐久性起到了重要作用,也是我国水利工程混凝土技术上的一个创新。

 

                                     (摘自《建筑结构》2001年第9期)

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