聚丙烯纖維混凝土在水利水電工程上的應(yīng)用探討

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室內(nèi)試驗(yàn)和工程實(shí)踐證明，在混凝土中加入較低摻量水平的聚丙烯纖維，即可減少或防止混凝土在澆筑后早期硬化階段，因泌水和水分散失而引起塑性收縮和微裂紋；也可以減少和防止混凝土硬化后期產(chǎn)生干縮裂縫及溫度變化引起的微裂紋，從而改善混凝土的防滲、抗凍、抗沖磨等性能。同時由于大量纖維隨機(jī)分布于混凝土中，使混凝土結(jié)構(gòu)的變形能力、初裂后殘余強(qiáng)度、韌性都有一定提高。此外聚丙烯纖維混凝土具有的較高粘稠性，可改善噴射混凝土的性能和降低回彈。所有這些特點(diǎn)使聚丙烯纖維成為國外20 多年來提高混凝土性能的一項(xiàng)重要措施。
    80 年代中期以來聚丙烯纖維混凝土在我國土建和交通行業(yè)逐漸得到應(yīng)用,如高層建筑的地下室、污水處理廠的污水池、游泳池、糧食倉儲庫、大型停車場、高速公路路面、高架路路面、橋梁路面鋪裝層、機(jī)場停機(jī)坪、碼頭貨物料場,以及在地下洞室、護(hù)坡等工程應(yīng)用噴射聚丙烯纖維混凝土。由于其良好的性能價(jià)格比以及和常規(guī)混凝土相同的施工方法,使聚丙烯纖維混凝土得到廣泛應(yīng)用。
    1、聚丙烯纖維混凝土的性能
    聚丙烯纖維作為一種次要的混凝土加強(qiáng)系統(tǒng)(即不代替受力鋼筋),對混凝土的性能產(chǎn)生如下影響： 
    1. 1　聚丙烯纖維抑制了混凝土的塑性收縮微裂紋的產(chǎn)生，提高了建筑物的整體性、耐久性和使用壽命
    美國Pardon 與Zollo 等人分析了混凝土塑性收縮的性質(zhì)，用模擬體積變化的平面試樣代替ASTM 沿用的只能反映線收縮的試樣來做試驗(yàn)。加入體積含量0.1 % 聚丙烯纖維的砂漿和混凝土，裂縫比對照試樣分別減少87 % 和82 %；砂漿收縮量比對照減少32 %～40 %；混凝土試樣收縮量有一組比對照減少48 %，另一種則與對照相同。同濟(jì)大學(xué)混凝土材料研究國家重點(diǎn)試驗(yàn)室的測試表明,聚丙烯纖維含量為0. 05 % 和0. 15 % 的砂漿干縮裂縫加權(quán)寬度分別為對照試樣的63. 5 % 和37. 3 % 。浙江大學(xué)土木工程學(xué)院28 d 干縮試驗(yàn)表明,摻量為0. 1% 的聚丙烯纖維可減少混凝土干縮10 % 左右。大量的工程實(shí)踐也都證明,聚丙烯纖維的使用對減少混凝土塑性收縮和防止開裂作用十分明顯。特別是隨著混凝土施工技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了用激光照準(zhǔn)的混凝土平面澆筑機(jī)，每小時澆注量可達(dá)70 m3，一日可鋪設(shè)2 000 m2 地面。采用聚丙烯纖維混凝土能成功地解決了在這樣的施工強(qiáng)度下,控制收縮裂縫的問題。對聚丙烯纖維減少收縮裂縫的機(jī)理初步認(rèn)為，一是由于聚丙烯纖維的存在，降低了水分在混凝土中的遷移性，減少了泌水現(xiàn)象，因而減少了體積變化。根據(jù)英國認(rèn)證委員會(BBA) 出具的證明,聚丙烯纖維混凝土泌水可減少35 %～55%；另一種認(rèn)識是聚丙烯纖維的變形模量雖然較低，但卻與混凝土在早期硬化階段(24 h 內(nèi)) 時的變形模量相當(dāng)，因而可以有效地抑制開裂。對板式結(jié)構(gòu)防止裂縫過去一般是采用鋼筋網(wǎng)。聚丙烯纖維的廣泛應(yīng)用已在一定程度上替代了這種傳統(tǒng)作法。圣荷西大學(xué)的一項(xiàng)對比試驗(yàn)表明，采用聚丙烯纖維含量為0.68 kg/m3 的混凝土比素混凝土減少裂縫71.5 %，而設(shè)置鋼筋網(wǎng)的混凝土僅減少6.5 % 。多數(shù)人認(rèn)為鋼筋網(wǎng)與聚丙烯纖維混凝土都有一定的抑制裂縫產(chǎn)生的作用，都屬于次要增強(qiáng)。但前者由于分布很稀，實(shí)際上這種作用較弱,而主要是在裂縫發(fā)生后限制裂縫寬度。因此不少人主張?jiān)诘孛嬷С邪褰Y(jié)構(gòu)中，可以用聚丙烯纖維混凝土取代鋼筋網(wǎng)，但同時也指出兩者結(jié)合使用效果更好。至于用聚丙烯纖維混凝土代替鋼筋網(wǎng)混凝土能方便施工，并大大加快進(jìn)度，以及由此而帶來的效益，則是不言而喻的。
    1. 2　強(qiáng)度和韌性是混凝土的兩大主要性能
    當(dāng)聚丙烯纖維加入量為混凝土體積的0. 1 % 左右時，不會提高混凝土的靜力強(qiáng)度(抗壓、抗拉、抗折等),但對韌性有顯著影響。試驗(yàn)表明能較大地增強(qiáng)混凝土的抗沖擊性和柔韌性。圣荷西大學(xué)的試驗(yàn)表明，聚丙烯纖維混凝土比普通混凝土抗沖擊能力提高一倍，柔韌性大約提高40 %，抗疲勞性能增加3 倍。Lanning根據(jù)已進(jìn)行的許多試驗(yàn)綜合得出結(jié)果：聚丙烯纖維混凝土按開裂后整體性衡量的韌性指標(biāo)(ASTM 方法) 可提高15 %，抗沖擊力增加10 % ～50 % 。也有試驗(yàn)結(jié)果表明,按ASTM 方法,韌性指標(biāo)中的I100 可提高70 % 。Soroushian 等人用破壞圓柱試樣的落錘次數(shù)表示抗沖擊性，含量0. 1 % 的聚丙烯纖維混凝土是對照素混凝土的約2. 9 倍,南京水科院的落錘試驗(yàn)的對比結(jié)果則更好。在浙江大學(xué)進(jìn)行的抗折試驗(yàn)表明，摻量為0. 1 % 的聚丙烯纖維混凝土盡管不提高抗折強(qiáng)度，但在試驗(yàn)過程中表現(xiàn)為開裂之后，仍能維持整體，不繼續(xù)加載，試樣就不破壞，這說明聚丙烯纖維混凝土有很好的韌性。表征韌性的另一個性能是抗破碎性。在抗壓試驗(yàn)中，素混凝土壓裂后馬上完全破碎，而聚丙烯纖維混凝土在達(dá)到最大荷載后仍不碎裂，這對受地震破壞的建筑結(jié)構(gòu)中人員和財(cái)產(chǎn)安全有很大意義。此外，由于大量的聚丙烯纖維(每立方米大約千萬根的量級) 隨機(jī)分別于混凝土中，使混凝土的變形性能有顯著提高。根據(jù)國外報(bào)道，高摻量的聚丙烯纖維混凝土極限拉伸應(yīng)變可達(dá)到普通混凝土的2～3 倍。有人指出,為提高混凝土韌性，以及用于預(yù)制、噴射混凝土?xí)r，需要較大的聚丙烯纖維含量。一項(xiàng)按照ASTM C1018 進(jìn)行的試驗(yàn)表明，聚丙烯纖維達(dá)0.5 % 體積含量時，殘余強(qiáng)度系數(shù)可達(dá)到與鋼纖維含量為20 kg/ m3 的水平相當(dāng)。