水利工程論文-聚丙烯纖維混凝土在水利水電工程上的應(yīng)用探討.doc

水利工程論文-聚丙烯纖維混凝土在水利水電工程上的應(yīng)用探討摘要：國(guó)外從70年代末以來(lái),對(duì)聚丙烯纖維混凝土進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究,并在軍事、房屋、交通、水利等工程中得到廣泛應(yīng)用。我國(guó)則在80年代中期開(kāi)始引進(jìn)應(yīng)用。研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)證明,聚丙烯纖維能減少和防止混凝土在塑性和初期硬化階段的收縮裂縫產(chǎn)生,從而提高防滲、抗凍、抗沖磨等性能。本文介紹聚丙烯纖維混凝土的性能和它在水利水電工程中廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：聚丙烯纖維網(wǎng)纖維短絲纖維混凝土收縮裂縫混凝土韌性室內(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(shí)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(guó)外20多年來(lái)提高混凝土性能的一項(xiàng)重要措施。80年代中期以來(lái)聚丙烯纖維混凝土在我國(guó)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(cāng)儲(chǔ)庫(kù)、大型停車場(chǎng)、高速公路路面、高架路路面、橋梁路面鋪裝層、機(jī)場(chǎng)停機(jī)坪、碼頭貨物料場(chǎng),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(duì)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(guó)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(lái)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(duì)照試樣分別減少87%和82%；砂漿收縮量比對(duì)照減少32%40%；混凝土試樣收縮量有一組比對(duì)照減少48%,另一種則與對(duì)照相同。同濟(jì)大學(xué)混凝土材料研究國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室的測(cè)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(duì)照試樣的63.5%和37.3%。浙江大學(xué)土木工程學(xué)院28d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(duì)減少混凝土塑性收縮和防止開(kāi)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(shí)澆注量可達(dá)70m3,一日可鋪設(shè)2000m2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(wèn)題。對(duì)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(guó)認(rèn)證委員會(huì)(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(shí)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(24h內(nèi))時(shí)的變形模量相當(dāng),因而可以有效地抑制開(kāi)裂。對(duì)板式結(jié)構(gòu)防止裂縫過(guò)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(duì)比試驗(yàn)表明,采用聚丙烯纖維含量為0.68kg/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(shí)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(lái)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(shí),不會(huì)提高混凝土的靜力強(qiáng)度(抗壓、抗拉、抗折等),但對(duì)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(kāi)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(duì)照素混凝土的約2.9倍,南京水科院的落錘試驗(yàn)的對(duì)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(guò)程中表現(xiàn)為開(kāi)裂之后,仍能維持整體,不繼續(xù)加載,試樣就不破壞,這說(shuō)明聚丙烯纖維混凝土有很好的韌性。表征韌性的另一個(gè)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(duì)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(wàn)根的量級(jí))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(guó)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23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ASTMC1018進(jìn)行的試驗(yàn)表明,聚丙烯纖維達(dá)0.5%體積含量時(shí),殘余強(qiáng)度系數(shù)可達(dá)到與鋼纖維含量為20kg/m3的水平相當(dāng)。1.3提高了混凝土的抗?jié)B性圣荷西大學(xué)的試驗(yàn)表明含量0.5kg/m3的聚丙烯纖維混凝土滲水性減少33%44%,而含量1kg/m3的聚丙烯纖維混凝土則可減少79%。有人綜合了已有的資料,得出纖維混凝土可減少滲透性33%45%的結(jié)論。同濟(jì)大學(xué)混凝土材料研究國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室的試驗(yàn)得出,聚丙烯纖維含量0.8kg/m3的混凝土抗?jié)B標(biāo)號(hào)從素混凝土的S10提高到S14。體積含量0.05%的纖維砂漿,抗?jié)B壓力提高25%。聚丙烯纖維混凝土抗?jié)B性好對(duì)防止和延緩滲水、潮濕氣體和氯化物等有害介質(zhì)對(duì)混凝土的侵蝕和對(duì)受力鋼筋的銹蝕起了良好作用,可延長(zhǎng)建筑物的使用壽命。1.4提高混凝土的抗凍融次數(shù)混凝土的抗凍融性能是耐久性的表征,也是寒冷地區(qū)混凝土所必需的性能要求。以往工程上為滿足抗凍指標(biāo)要求,除用引氣劑外,往往增加水泥用量,提高混凝土標(biāo)號(hào),這使混凝土更易開(kāi)裂,對(duì)抗凍不利。南京水科院對(duì)C25混凝土,按快凍法進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果表明,普通混凝土抗凍標(biāo)號(hào)為100,而纖維摻量大于或等于0.9kg/m3的,抗凍指標(biāo)都大于或等于200次。凍融循環(huán)試驗(yàn)后,通?；炷潦е剌^小,而相對(duì)動(dòng)彈性模數(shù)下降較多,說(shuō)明混凝土凍融破壞主要是混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫造成,而摻入聚丙烯纖維有助于抑制和減少微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展,從而提高了混凝土的抗凍性,可見(jiàn)聚丙烯纖維在提高混凝土的抗凍性上作用十分顯著。1.5提高海水環(huán)境下的耐腐蝕性混凝土浸沒(méi)在海水中時(shí),由于海水與水泥及骨料中某些離子的化學(xué)反應(yīng),表面將形成水鎂石、文石(碳酸鈣)等物質(zhì)。某些骨料中的部分離子溶于水中,使混凝土表面軟化,降低混凝土抗?jié)B性和抗電解性,加上長(zhǎng)期的干濕循環(huán),使混凝土喪失耐久性,導(dǎo)致混凝土的破壞。Abdul-Hamid等人對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件的模擬試驗(yàn)表明,體積含量0.2%的聚丙烯纖維混凝土表面結(jié)垢時(shí)間比素混凝土延長(zhǎng)110倍。普通混凝土經(jīng)海水浸泡的試樣表面成片狀,很容易剝落,而聚丙烯纖維混凝土表面則未呈分離狀。根據(jù)X光衍射試驗(yàn),衡量混凝土腐蝕程度的石膏和文石物質(zhì)生成數(shù)量,聚丙烯纖維混凝土僅為普通混凝土的38%和58%。研究者認(rèn)為摻入聚丙烯纖維是降低海水對(duì)混凝土腐蝕的有效措施。西班牙的一項(xiàng)研究表明聚丙烯纖維混凝土降低了內(nèi)部氣體循環(huán),由此延緩了海水腐蝕。1.6聚丙烯纖維混凝土的彎曲強(qiáng)度聚丙烯纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度與素混凝土相當(dāng),但能