聚丙烯纖維材料在尼爾基廠房混凝土蝸殼中的應用

1、聚丙烯纖維材料在尼爾基廠房混凝土蝸殼中的應用摘要：測試和應用了低摻率聚丙烯纖維混凝土的抗裂和抗?jié)B性能。通過和普通混凝土比照后得出結論：低摻率的聚丙烯纖維能有效進步混凝土的限裂和抗?jié)B才能，改善鋼筋混凝土蝸殼的抗?jié)B效果，說明了聚丙烯纖維對大級配混凝土的適應性。關鍵詞：聚丙烯纖維混凝土抗裂限裂抗?jié)B混凝土級配一、概述尼爾基水利樞紐位于黑龍江省與內蒙古自治區(qū)交界的嫩江干流上，在內蒙古自治區(qū)莫力達瓦達斡爾族自治旗境內。樞紐工程建筑物等級為I等1級。發(fā)電部分為河床式廠房，裝有4臺62.5的軸流轉漿式水輪發(fā)電機組，單機引用流量326.93/s，總裝機容量250。主廠房尺寸長寬高為：1497264.65，機組間

2、距25，安裝間布置在主機間左側端部，4臺機組間及主機間與安裝場間各設一道構造縫。蝸殼混凝土澆筑方量約2.91043左右。水電站機組工作水頭范圍為9.9133.2。蝸殼采用鋼筋混凝土蝸殼，流道范圍內最大平面寬度18.4，進口斷面最大高度9.98，蝸殼頂板厚度2.60，頂板底面設置有防滲鋼板。按水庫正常蓄水位216.00計，底板作用水頭為46.37，最大壓力上升56.0，流道斷面尺寸及內水壓力均較大。二、蝸殼構造混凝土開裂分析與評價鋼筋混凝土蝸殼的限裂和防滲一直是設計難點。根據當前國內現行標準的要求，鋼筋混凝土蝸殼設計不能滿足規(guī)定的限裂要求時，蝸殼內壁應增設防滲層。而在構造方面，針對鋼筋混凝土蝸殼

3、構造的內力分析，仍然以簡化為平面框架計算的方法為主，大型蝸殼構造的內力分析那么輔以三維有限元計算或構造模型試驗的方式，而直接以應力分析成果配置鋼筋與現行設計標準不相匹配?；炷廖仛榭臻g構造，斷面為不規(guī)那么梯形。尤其是大型蝸殼，進口段跨度大，側墻高，受力條件復雜。針對尼爾基廠房設計，蝸殼構造設計時進展了相應的平面構造及三維有限元構造計算分析，且頂板底部設有鋼板。計算分析說明，蝸殼頂板和側墻的應力較大，尤其是進口一定角度內的斷面跨度較大，應力程度較高。部分應力集中問題嚴重，尤其是在角隅處的應力集中明顯。最大應力大大超出了混凝土的抗拉強度，必須進展大量的構造配筋和抗限裂配筋。另外，蝸殼頂部鋼板的構

4、造作用不明確且不顯著。由于按有限元計算的應力進展配筋尚屬非標準方法，蝸殼構造配筋設計系結合應力圖形和平面構造計算分析進展的。對于大型混凝土蝸殼，內水壓力作用下的應力均較高，容易引起混凝土開裂。另外，施工期混凝土的離析、塑性變形、碳化收縮、干縮、溫升及運行期水溫的變化也是蝸殼混凝土裂縫的主要誘因。因此，除混凝土強度設計外，混凝土蝸殼的設計主要著眼于抗裂和限裂是非常必要的。尼爾基發(fā)電廠房為河床式廠房，其蝸殼構造特性與東北地區(qū)同等規(guī)模的紅石、太平灣等大型河床式電站廠房進展比擬可知，尼爾基廠房蝸殼構造凈跨尺寸及內水壓力均為最大，而頂板那么是三者中最薄的。根據對上述已建工程的調查研究結果說明見表1，各電

5、站的混凝土蝸殼均存在不同程度的滲漏現象。我們知道，大型混凝土蝸殼構造不僅需要進展各種工況的構造分析，而且需要進展構造本體的抗裂和限裂驗算。而限裂要求對于水頭或水力梯度大小不同的構造，因其各自構造尺寸和內壓大小的不同，通過計算有的可以到達，如太平灣廠房的混凝土蝸殼，而到達符合標準限裂要求的代價是配置限裂鋼筋；有的那么達不到，如紅石廠房的混凝土蝸殼，故此該廠房的蝸殼采用了全鋼襯護砌防滲，但由于未對構造進展限裂配筋，另由于蝸殼澆筑時側墻鋼襯和混凝土的密實性、整體性較差，故而導致該電站蝸殼在運行期間產生鋼襯起鼓和漏水，進而直接影響機組的正常運行。后對其進展相應的補強處理后才得以正常使用。但是，上述混凝

6、土蝸殼仍然存在不同程度的滲漏問題。理論證明，由于蝸殼構造的特殊性，限裂鋼筋直徑、間距受到構造配筋及混凝土級配、澆筑施工的限制，總體的限裂效果并不好，所以混凝土蝸殼出現開裂的情況仍是較多的，也是較為普遍的。由于裂縫的產生，蝸殼滲漏成為設計和施工的一大難題。故此，在混凝土蝸殼一定范圍采用抗限裂纖維材料成為必要和經濟的選擇和嘗試，經初步在金哨水電站工程混凝土蝸殼頂板部位的部分試用說明，聚丙烯纖維混凝土可以較為有效地防止裂縫的出現和擴展。表1東北地區(qū)大型河床電站混凝土蝸殼比擬表電站名稱特性指標尼爾基水利樞紐發(fā)電廠房紅石水電站發(fā)電廠房太平灣水電站發(fā)電廠房備注單機容量63.85047.5單機流量3/s31

7、7.5251455水輪機型號ZZA883-LH-640ZDA190-LH-600ZZ560a-LH-800最大水頭33.225.615.5最小水頭9.9122.812.3設計水頭22.023.312.6蝸殼內最大壓力上升56.038.835.4機組段長度25.022.028.0邊墻厚度3.33.02.5頂板厚度2.573.34.43中墩厚度3.02.42.5蝸殼進口處單孔凈跨7.76.86.0蝸殼最大高度10.09.312.0有否鋼襯僅頂板有有*無*88年#2機鋼襯漏水并起鼓經處理配筋控制情況限裂限裂*限裂*未考慮限裂加鋼襯滲漏情況在建有有有否加纖維有無無三、聚丙烯纖維增強混凝土的性能分析目前

8、國內在水利水電行業(yè)應用較為廣泛的主要為鋼纖維混凝土，鋼纖維作為一種較為實用且標準性的材料，其性能指標是優(yōu)越的，應用及推廣均有章可循，但因其在混凝土單位體積中的造價較高且現行標準對混凝土級配有較為嚴格的要求，故難以適應較大體積的混凝土澆注。而作為一種造價更為低廉的混凝土新型增強材料聚丙烯纖維也同樣具有與鋼纖維一樣好的性能指標。表2TAFiber混凝土專用改性聚丙烯纖維性能纖維長度19當量直徑48密度0.91g/3抗拉強度400Pa熔點約160彈性模量3500Pa燃點約580斷裂延伸率1525%導熱性極低平安性無毒材料抗堿才能PH=14的NaH溶液,60水浴,48h后抗拉強度的保持率大于99%抗老

9、化性纖維經過了特殊的抗老化處理抗低溫性經-78實驗檢測纖維性能無變化根據國內一些試驗室以往所作的試驗說明，用聚丙烯纖維來控制混凝土裂縫，其性能主要與其在混凝土中的體積率有關，其摻量遠低于鋼纖維所要求的體積率0.6%-2%，當體積率到達0.1%時，混凝土收縮值大幅降低，當聚丙烯纖維體積率大于0.3%便會產生許多不可見的裂紋體系。與不摻聚丙烯纖維的情況相比，裂縫寬度大大減小，阻裂才能可以進步一個數量級。同時，聚丙烯纖維具有很高的抗堿性能，在堿性水泥基中可長期保持它的強度，長期暴露于水中其材料強度并不降低。另外根據最新統(tǒng)計資料顯示，國內具有自主知識產權的TAFiber混凝土專用改性聚丙烯纖維在-78

10、的嚴寒氣溫中仍然可以保持上述性能。參照國內同行業(yè)各試驗室的試驗方法，由中水六局試驗室針對中國紡織科學研究院提供的TAFiber混凝土專用改性聚丙烯纖維樣品進展了纖維增強混凝土的各項性能試驗。原材料如下：水泥采用撫順水泥廠消費的525中熱水泥，粗、細骨料采用篩分系統(tǒng)消費的人工碎石和天然砂，外加劑采用引起減水劑，TAFiber混凝土專用聚丙烯纖維摻量為每立方米混凝土0.7kg，TAFiber混凝土專用改性聚丙烯纖維性能見表3。試配混凝土配合比及試驗成果見表4、5。表3鋼纖維及聚丙烯纖維在混凝土中的體積率比擬材料比重單位體積用量推薦用量kg/3適用范圍鋼纖維7.850.6%2%80120一級配混凝土

11、聚丙烯纖維0.910.1%0.9一、二級配及以上表4試配混凝土配合比樣品設計標號砂率%水灰比/坍落度每立方米混凝土用量kg/3外加劑(%)水泥砂粗骨料水5-2020-40摻纖維256400.4216.43597315485481500.7不摻纖維256400.4217.23597345505501510.7表5試配混凝土性能試驗成果樣品含氣量(%)抗壓強度Pa劈拉強度Pa極限拉伸值10-4彈性模量104Pa抗?jié)B標號7d28d90d7d28d90d28d90d7d28d90d28d摻纖維3.4531.937.339.82.33.484.681.141.283.063.354.1310不摻纖維3.

12、2627.934.236.22.22.883.980.961.123.163.464.258抗裂試驗用膠砂的重量配合比為：水泥1，砂2.8。水膠比0.55，TAFiber混凝土專用改性聚丙烯纖維摻量0.7kg/3，板狀試件尺寸61091419，成型后在2820、相對濕度70%的試驗室內用風扇吹1.5小時。然后置于403、相對濕度50%、風速2.5/s的環(huán)境中。在24小時齡期裂縫根本穩(wěn)定后進展觀測。其觀測結果見表6。從聚丙烯纖維混凝土抗裂機理上分析，摻入聚丙烯纖維后，由于其亂向均勻分布的特點，起到微配筋作用和保水作用，大大減緩了由于骨料的快速失水和混凝土塑性收縮及溫度收縮而產生的裂縫，且延緩了塑

13、性收縮裂縫出現的時間。同時，在混凝土開裂后，纖維的抗拉作用突顯，有效地阻止了裂縫的進一步開展。試驗說明，混凝土裂縫面積、裂縫寬度及失水速率均隨著纖維體積率的增大而顯著降低，說明摻入聚丙烯纖維后可以有效地阻滯混凝土內部塑性裂縫并進步混凝土的抗裂性能。表6膠砂開裂試驗成果樣品裂縫寬度A()裂縫長度B()裂縫面積AB()AB加和值比照百分率(%)摻纖維2.01.0307307504.5850.5395197.5不摻纖維2.001.0373373593.31000.5440.6220.3從以上試驗成果中可以看出，在混凝土中添加低摻率的聚丙烯纖維后，纖維對混凝土拌合物含氣量影響不大，坍落度雖然有所降低，

14、但其和易性得到改善。混凝土的抗裂強度有顯著進步，且其抗壓強度特別是早期強度得到進步。由于纖維抑制了混凝土內部的自由水蒸發(fā)，亂向均勻分布在混凝土中的大量纖維起了所謂承托骨料的作用，降低了混凝土外表的析水與集料的沉降，從而使混凝土中的孔隙大大降低，此外，由于混凝土中纖維的物理作用，大大減少了收縮裂縫尤其是連通裂縫的產生，因此減少了滲水通道，有效進步了混凝土抗?jié)B才能以及變形才能。通過對混凝土試件進展的打壓試驗，抗?jié)B標號可進步一個等級，從而使混凝土的抗?jié)B性能得到大大改善。四、纖維在混凝土蝸殼中的應用和施工根據試驗室所做的實驗工作，在實際應用中，考慮到摻入聚丙烯纖維后可以顯著進步抗裂和抗?jié)B性能的特點，設

15、計中將原要求的258降低到256，將纖維摻率調整到0.9kg/3。在蝸殼澆筑期間，對現場各構造部位不同級配二級配水泥用量343kg，水灰比0.42，骨料最大粒徑40、三級配水泥用量297kg，水灰比0.40，骨料最大粒徑80，坍落度7-9混凝土進展了大量的取樣試驗，從后期的消費性試驗數據中可知數據過多略，256二、三級配混凝土的28天平均抗壓強度達均到了36.5Pa以上，抗?jié)B標號均到達和超過12，與不摻纖維的混凝土試件相比抗?jié)B才能進步了60%以上。由于纖維在大體積混凝土設計和施工中處于初步嘗試階段，我們未對混凝土的抗?jié)B指標進展下調。在施工工藝方面，聚丙烯纖維增強混凝土對拌合及施工工藝沒有特別要

16、求，由于聚丙烯纖維在混凝土當中的作用是以物理方式表達的，本身不與混合料及外加劑產生化學反響，所以在混凝土拌合時添加如引氣、減水、早強等等外加劑產品并不對纖維增強混凝土構成材料性質方面的影響，所以無須考慮添加外加劑因素，但添加聚丙烯纖維后的混凝土需要保證一定的拌合時間。拌合時間以纖維能在混凝土中均勻分布為準，小型拌合機械拌合時間一般為2-3分鐘左右。而對于采用大型拌合系統(tǒng)來拌合的混凝土，那么時間要短得多。在尼爾基工程理論中，在拌合系統(tǒng)內將纖維預先參加到混凝土中，為保證纖維在混凝土中的均勻分布，拌合時間較一般混凝土60s的拌合時間延長了30s左右。在混凝土澆筑質量方面，為防止大體積混凝土內部溫升過

17、高而產生過大的塑性收縮變形，盡管添加了聚丙烯纖維作為增強材料，對于混凝土的澆筑分層分塊仍需按照有關規(guī)程標準嚴格、細致地進展劃分。五、結語目前，國內水工構造設計中對構造正常使用極限狀態(tài)的驗算是按照荷載的長、短期效應，根據構造受拉鋼筋以及混凝土自身的特性進展抗裂和限裂驗算的。由于在實際的設計和施工當中，限裂鋼筋受構造配筋以及鋼筋直徑、間距、保護層和骨料粒徑等多方面因素的影響，鋼筋不可能貼近構造構件外表細密布置；而在溫度場變化及干縮變形較大的大體積混凝土構造中配置的溫度鋼筋，也不能形成大面積的拉結作用，故而不能有效的進步抗裂性能。由于考慮限裂因素，使得混凝土單位體積含鋼量大大增加，而鋼筋對有效受拉混

18、凝土截面之外的裂縫不起控制作用，因此增大含鋼率并達不到大范圍控制混凝土裂縫產生的目的。排除施工質量問題，上述實際問題應該是很多類似于混凝土蝸殼等流道構造在設計時滿足限裂要求后仍然存在滲漏的原因。低摻率改性聚丙烯纖維在蝸殼混凝土中，由于其在混凝土中可以細密分布，有顯著的阻裂效果，并在混凝土進入塑性期間有效地降低和減小混凝土收縮產生的裂縫。試驗說明，低摻率改性聚丙烯纖維混凝土，由于其彈性模量的適度降低，進步了混凝土的變形才能，而不降低實際上進步了其抗壓強度。其在混凝土硬化后期抑制干縮裂縫開展并使裂縫變細的性能更大幅進步了混凝土的抗?jié)B才能和受力鋼筋的抗銹蝕才能。上述性能對進步大型蝸殼混凝土的施工質量以及限裂、抗?jié)B等方面均具有非