聚丙烯纤维材料在xxx厂房混凝土蜗壳中的应用

四、纤维在混凝土蜗壳中的应用和施工
根据试验室所做的实验工作，在实际应用中，考虑到掺入聚丙烯纤维后能够显著提高抗裂和抗渗性能的特点，设计中将原要求的C25W8降低到C25W6，将纤维掺率调整到0.9kg/m3。在蜗壳浇筑期间，对现场各结构部位不同级配（二级配水泥用量343kg，水灰比0.42，骨料最大粒径40mm、三级配水泥用量297kg，水灰比0.40，骨料最大粒径80mm，坍落度7-9cm）混凝土进行了大量的取样试验，从后期的生产性试验数据中可知（数据过多略），C25W6二、三级配混凝土的28天平均抗压强度达均到了36.5MPa以上，抗渗标号均达到和超过W12，与不掺纤维的混凝土试件相比抗渗能力提高了60%以上。由于纤维在大体积混凝土设计和施工中处于初步尝试阶段，我们未对混凝土的抗渗指标进行下调。

在施工工艺方面，聚丙烯纤维增强混凝土对拌合及施工工艺没有特别要求，由于聚丙烯纤维在混凝土当中的作用是以物理方式体现的，本身不与混合料及外加剂产生化学反应，所以在混凝土拌合时添加如引气、减水、早强……等等外加剂产品并不对纤维增强混凝土构成材料性质方面的影响，所以无须考虑添加外加剂因素，但添加聚丙烯纤维后的混凝土需要保证一定的拌合时间。拌合时间以纤维能在混凝土中均匀分布为准，小型拌合机械拌合时间一般为2-3分钟左右。而对于采用大型拌合系统来拌合的混凝土，则时间要短得多。在XXX工程实践中，在拌合系统内将纤维预先加入到混凝土中，为保证纤维在混凝土中的均匀分布，拌合时间较一般混凝土（60s）的拌合时间延长了30s左右。在混凝土浇筑质量方面，为避免大体积混凝土内部温升过高而产生过大的塑性收缩变形，尽管添加了聚丙烯纤维作为增强材料，对于混凝土的浇筑分层分块仍需按照有关规程规范严格、细致地进行划分。
五、结语
目前，国内水工结构设计中对结构正常使用极限状态的验算是按照荷载的长、短期效应，根据结构受拉钢筋以及混凝土自身的特性进行抗裂和限裂验算的。由于在实际的设计和施工当中，限裂钢筋受结构配筋以及钢筋直径、间距、保护层和骨料粒径等多方面因素的影响，钢筋不可能贴近结构（构件）表面细密布置；而在温度场变化及干缩变形较大的大体积混凝土结构中配置的温度钢筋，也不能形成大面积的拉结作用，故而不能有效的提高抗裂性能。由于考虑限裂因素，使得混凝土单位体积含钢量大大增加，而钢筋对有效受拉混凝土截面之外的裂缝不起控制作用，因而增大含钢率并达不到大范围控制混凝土裂缝产生的目的。排除施工质量问题，上述实际问题应该是很多类似于混凝土蜗壳等流道结构在设计时满足限裂要求后仍然存在渗漏的原因。

低掺率改性聚丙烯纤维在蜗壳混凝土中，由于其在混凝土中能够细密分布，有显著的阻裂效果，并在混凝土进入塑性期间有效地降低和减小混凝土收缩产生的裂缝。试验表明，低掺率改性聚丙烯纤维混凝土，由于其弹性模量的适度降低，提高了混凝土的变形能力，而不降低（实际上提高了）其抗压强度。其在混凝土硬化后期抑制干缩裂缝开展并使裂缝变细的性能更大幅提高了混凝土的抗渗能力和受力钢筋的抗锈蚀能力。上述性能对提高大型蜗壳混凝土的施工质量以及限裂、抗渗等方面均具有非常好的实用性。

通过实验可以认为，低掺率聚丙烯纤维混凝土较钢纤维混凝土更能适用于二级配及其以上级配混凝土的生产和施工，由于改性聚丙烯纤维在混凝土中的掺率较低，其成本远低于含钢率高的混凝土，且能达到和超过水工混凝土设计所要求的各项强度指标，尤其是抗渗指标具有较大的突破。这对于大型混凝土蜗壳及大型流道结构的限裂以及抗渗等方面的设计和施工更具实际意义和推广价值。

三、聚丙烯纤维增强混凝土的性能分析
目前国内在水利水电行业应用较为广泛的主要为钢纤维混凝土，钢纤维作为一种较为实用且规范性的材料，其性能指标是优越的，应用及推广均有章可循，但因其在混凝土单位体积中的造价较高且现行规范对混凝土级配有较为严格的要求，故难以适应较大体积的混凝土浇注。而作为一种造价更为低廉的混凝土新型增强材料——聚丙烯纤维也同样具有与钢纤维一样好的性能指标。
表－2 CTAFiber混凝土专用改性聚丙烯纤维性能
纤维长度 19mm 当量直径 48μｍ
密度 0.91g/m3 抗拉强度 ≥400MPa
熔点 约160℃ 弹性模量 ≥3500 MPa
燃点 约580℃ 断裂延伸率 15—25%
导热性 极低 安全性 无毒材料
抗碱能力 PH=14的NaOH溶液, 60℃水浴,48h后抗拉强度的保持率大于99%
抗老化性 纤维经过了特殊的抗老化处理
抗低温性 经-78℃实验检测纤维性能无变化
根据国内一些试验室以往所作的试验表明，用聚丙烯纤维来控制混凝土裂缝，其性能主要与其在混凝土中的体积率有关，其掺量远低于钢纤维所要求的体积率（0.6%-2%），当体积率达到0.1%时，混凝土收缩值大幅降低，当聚丙烯纤维体积率大于0.3%便会产生许多不可见的裂纹体系。与不掺聚丙烯纤维的情况相比，裂缝宽度大大减小，阻裂能力可以提高一个数量级。同时，聚丙烯纤维具有很高的抗碱性能，在碱性水泥基中可长期保持它的强度，长期暴露于水中其材料强度并不降低。另外根据最新统计资料显示，国内具有自主知识产权的CTAFiber混凝土专用改性聚丙烯纤维在-78℃的严寒气温中仍然能够保持上述性能。
参照国内同行业各试验室的试验方法，由中水六局试验室针对中国纺织科学研究院提供的CTAFiber混凝土专用改性聚丙烯纤维样品进行了纤维增强混凝土的各项性能试验。原材料如下：水泥采用抚顺水泥厂生产的＃525中热水泥，粗、细骨料采用筛分系统生产的人工碎石和天然砂，外加剂采用引起减水剂，CTAFiber混凝土专用聚丙烯纤维掺量为每立方米混凝土0.7kg，CTAFiber混凝土专用改性聚丙烯纤维性能见表3。试配混凝土配合比及试验成果见表4、5。
表－3 钢纤维及聚丙烯纤维在混凝土中的体积率比较
材 料 比重 单位体积用量 推荐用量（kg/m3） 适用范围
钢纤维 7.85 0.6%
~2% 80~120 一级配混凝土
聚丙烯纤维 0.91 0.1% 0.9 一、二级配及以上

表－4 试配混凝土配合比
样 品
设 计 标 号 砂率（%） 水灰比w/c 坍落度
（cm） 每立方米混凝土用量（kg/m3） 外加剂
(%)
水泥 砂 粗骨料 水
5-20mm 20-40mm
掺纤维 C25W6 40 0.42 16.4 359 731 548 548 150 0.7
不掺纤维 C25W6 40 0.42 17.2 359 734 550 550 151 0.7
表－5 试配混凝土性能试验成果
样 品 含气量
(%) 抗压强度
MPa 劈拉强度
MPa 极限拉伸值
10-4 弹性模量
104 MPa 抗渗标号
7d 28d 90d 7d 28d 90d 28d 90d 7d 28d 90d 28d
掺纤维 3.45 31.9 37.3 39.8 2.3 3.48 4.68 1.14 1.28 3.06 3.35 4.13 ≥10
不掺纤维 3.26 27.9 34.2 36.2 2.2 2.88 3.98 0.96 1.12 3.16 3.46 4.25 ≤8

抗裂试验用胶砂的重量配合比为：水泥1，砂2.8。水胶比0.55，CTAFiber混凝土专用改性聚丙烯纤维掺量0.7kg/m3，板状试件尺寸610×914×19mm，成型后在28±20℃、相对湿度70%的试验室内用风扇吹1.5小时。然后置于40±3℃、相对湿度50%、风速2.5m/s的环境中。在24小时龄期裂缝基本稳定后进行观测。其观测结果见表6。从聚丙烯纤维混凝土抗裂机理上分析，掺入聚丙烯纤维后，由于其乱向均匀分布的特点，起到微配筋作用和保水作用，大大减缓了由于骨料的快速失水和混凝土塑性收缩及温度收缩而产生的裂缝，且延缓了塑性收缩裂缝出现的时间。同时，在混凝土开裂后，纤维的抗拉作用突显，有效地阻止了裂缝的进一步发展。试验表明，混凝土裂缝面积、裂缝宽度及失水速率均随着纤维体积率的增大而显著降低，说明掺入聚丙烯纤维后能够有效地阻滞混凝土内部塑性裂缝并提高混凝土的抗裂性能。

表6 胶砂开裂试验成果
样 品 裂缝宽度A
(mm) 裂缝长度B
(mm) 裂缝面积A×B
(mm) A×B
加和值 对比百分率
(%)
掺纤维 2.0 0 0
1.0 307 307 504.5 85
0.5 395 197.5

不掺纤维 2.0 0 0
1.0 373 373 593.3 100
0.5 440.6 220.3

从以上试验成果中可以看出，在混凝土中添加低掺率的聚丙烯纤维后，纤维对混凝土拌合物含气量影响不大，坍落度虽然有所降低，但其和易性得到改善。混凝土的抗裂强度有显著提高，且其抗压强度（特别是早期强度）得到提高。由于纤维抑制了混凝土内部的自由水蒸发，乱向均匀分布在混凝土中的大量纤维起了所谓承托骨料的作用，降低了混凝土表面的析水与集料的沉降，从而使混凝土中的孔隙大大降低，此外，由于混凝土中纤维的物理作用，大大减少了收缩裂缝尤其是连通裂缝的产生，因而减少了渗水通道，有效提高了混凝土抗渗能力以及变形能力。通过对混凝土试件进行的打压试验，抗渗标号可提高一个等级，从而使混凝土的抗渗性能得到大大改善。