聚丙烯纖維材料在尼爾基廠房混凝土蝸殼中的應(yīng)用

1、聚丙烯纖維材料在尼爾基廠房混凝土蝸殼中的應(yīng)用摘要：測(cè)試和應(yīng)用了低摻率聚丙烯纖維混凝土的抗裂和抗?jié)B性能。通過(guò)和普通混凝土比照后得出結(jié)論：低摻率的聚丙烯纖維能有效進(jìn)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(shuō)明了聚丙烯纖維對(duì)大級(jí)配混凝土的適應(yīng)性。關(guān)鍵詞：聚丙烯纖維混凝土抗裂限裂抗?jié)B混凝土級(jí)配一、概述尼爾基水利樞紐位于黑龍江省與內(nèi)蒙古自治區(qū)交界的嫩江干流上，在內(nèi)蒙古自治區(qū)莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治旗境內(nèi)。樞紐工程建筑物等級(jí)為I等1級(jí)。發(fā)電部分為河床式廠房，裝有4臺(tái)62.5的軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)引用流量326.93/s，總裝機(jī)容量250。主廠房尺寸長(zhǎng)寬高為：1497264.65，機(jī)組間

2、距25，安裝間布置在主機(jī)間左側(cè)端部，4臺(tái)機(jī)組間及主機(jī)間與安裝場(chǎng)間各設(shè)一道構(gòu)造縫。蝸殼混凝土澆筑方量約2.91043左右。水電站機(jī)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(nèi)最大平面寬度18.4，進(jìn)口斷面最大高度9.98，蝸殼頂板厚度2.60，頂板底面設(shè)置有防滲鋼板。按水庫(kù)正常蓄水位216.00計(jì)，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(nèi)水壓力均較大。二、蝸殼構(gòu)造混凝土開(kāi)裂分析與評(píng)價(jià)鋼筋混凝土蝸殼的限裂和防滲一直是設(shè)計(jì)難點(diǎn)。根據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的要求，鋼筋混凝土蝸殼設(shè)計(jì)不能滿足規(guī)定的限裂要求時(shí)，蝸殼內(nèi)壁應(yīng)增設(shè)防滲層。而在構(gòu)造方面，針對(duì)鋼筋混凝土蝸殼

3、構(gòu)造的內(nèi)力分析，仍然以簡(jiǎn)化為平面框架計(jì)算的方法為主，大型蝸殼構(gòu)造的內(nèi)力分析那么輔以三維有限元計(jì)算或構(gòu)造模型試驗(yàn)的方式，而直接以應(yīng)力分析成果配置鋼筋與現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不相匹配?；炷廖仛榭臻g構(gòu)造，斷面為不規(guī)那么梯形。尤其是大型蝸殼，進(jìn)口段跨度大，側(cè)墻高，受力條件復(fù)雜。針對(duì)尼爾基廠房設(shè)計(jì)，蝸殼構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)展了相應(yīng)的平面構(gòu)造及三維有限元構(gòu)造計(jì)算分析，且頂板底部設(shè)有鋼板。計(jì)算分析說(shuō)明，蝸殼頂板和側(cè)墻的應(yīng)力較大，尤其是進(jìn)口一定角度內(nèi)的斷面跨度較大，應(yīng)力程度較高。部分應(yīng)力集中問(wèn)題嚴(yán)重，尤其是在角隅處的應(yīng)力集中明顯。最大應(yīng)力大大超出了混凝土的抗拉強(qiáng)度，必須進(jìn)展大量的構(gòu)造配筋和抗限裂配筋。另外，蝸殼頂部鋼板的構(gòu)

4、造作用不明確且不顯著。由于按有限元計(jì)算的應(yīng)力進(jìn)展配筋尚屬非標(biāo)準(zhǔn)方法，蝸殼構(gòu)造配筋設(shè)計(jì)系結(jié)合應(yīng)力圖形和平面構(gòu)造計(jì)算分析進(jìn)展的。對(duì)于大型混凝土蝸殼，內(nèi)水壓力作用下的應(yīng)力均較高，容易引起混凝土開(kāi)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(yùn)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(qiáng)度設(shè)計(jì)外，混凝土蝸殼的設(shè)計(jì)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(gòu)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(jìn)展比擬可知，尼爾基廠房蝸殼構(gòu)造凈跨尺寸及內(nèi)水壓力均為最大，而頂板那么是三者中最薄的。根據(jù)對(duì)上述已建工程的調(diào)查研究結(jié)果說(shuō)明見(jiàn)表1，各電

5、站的混凝土蝸殼均存在不同程度的滲漏現(xiàn)象。我們知道，大型混凝土蝸殼構(gòu)造不僅需要進(jìn)展各種工況的構(gòu)造分析，而且需要進(jìn)展構(gòu)造本體的抗裂和限裂驗(yàn)算。而限裂要求對(duì)于水頭或水力梯度大小不同的構(gòu)造，因其各自構(gòu)造尺寸和內(nèi)壓大小的不同，通過(guò)計(jì)算有的可以到達(dá)，如太平灣廠房的混凝土蝸殼，而到達(dá)符合標(biāo)準(zhǔn)限裂要求的代價(jià)是配置限裂鋼筋；有的那么達(dá)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(hù)砌防滲，但由于未對(duì)構(gòu)造進(jìn)展限裂配筋，另由于蝸殼澆筑時(shí)側(cè)墻鋼襯和混凝土的密實(shí)性、整體性較差，故而導(dǎo)致該電站蝸殼在運(yùn)行期間產(chǎn)生鋼襯起鼓和漏水，進(jìn)而直接影響機(jī)組的正常運(yùn)行。后對(duì)其進(jìn)展相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)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(wèn)題。理論證明，由于蝸殼構(gòu)造的特殊性，限裂鋼筋直徑、間距受到構(gòu)造配筋及混凝土級(jí)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(xiàn)開(kāi)裂的情況仍是較多的，也是較為普遍的。由于裂縫的產(chǎn)生，蝸殼滲漏成為設(shè)計(jì)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(jīng)濟(jì)的選擇和嘗試，經(jīng)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(shuō)明，聚丙烯纖維混凝土可以較為有效地防止裂縫的出現(xiàn)和擴(kuò)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(biāo)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(jī)容量63.85047.5單機(jī)流量3/s31

7、7.5251455水輪機(jī)型號(hào)ZZA883-LH-640ZDA190-LH-600ZZ560a-LH-800最大水頭33.225.615.5最小水頭9.9122.812.3設(shè)計(jì)水頭22.023.312.6蝸殼內(nèi)最大壓力上升56.038.835.4機(jī)組段長(zhǎng)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(jìn)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(wú)*88年#2機(jī)鋼襯漏水并起鼓經(jīng)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(wú)無(wú)三、聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的性能分析目前

8、國(guó)內(nèi)在水利水電行業(yè)應(yīng)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(shí)用且標(biāo)準(zhǔn)性的材料，其性能指標(biāo)是優(yōu)越的，應(yīng)用及推廣均有章可循，但因其在混凝土單位體積中的造價(jià)較高且現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)混凝土級(jí)配有較為嚴(yán)格的要求，故難以適應(yīng)較大體積的混凝土澆注。而作為一種造價(jià)更為低廉的混凝土新型增強(qiáng)材料聚丙烯纖維也同樣具有與鋼纖維一樣好的性能指標(biāo)。表2TAFiber混凝土專用改性聚丙烯纖維性能纖維長(zhǎng)度19當(dāng)量直徑48密度0.91g/3抗拉強(qiáng)度400Pa熔點(diǎn)約160彈性模量3500Pa燃點(diǎn)約580斷裂延伸率1525%導(dǎo)熱性極低平安性無(wú)毒材料抗堿才能PH=14的NaH溶液,60水浴,48h后抗拉強(qiáng)度的保持率大于99%抗老

9、化性纖維經(jīng)過(guò)了特殊的抗老化處理抗低溫性經(jīng)-78實(shí)驗(yàn)檢測(cè)纖維性能無(wú)變化根據(jù)國(guó)內(nèi)一些試驗(yàn)室以往所作的試驗(yàn)說(shuō)明，用聚丙烯纖維來(lái)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(guān)，其摻量遠(yuǎn)低于鋼纖維所要求的體積率0.6%-2%，當(dāng)體積率到達(dá)0.1%時(shí)，混凝土收縮值大幅降低，當(dāng)聚丙烯纖維體積率大于0.3%便會(huì)產(chǎn)生許多不可見(jiàn)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(jìn)步一個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，聚丙烯纖維具有很高的抗堿性能，在堿性水泥基中可長(zhǎng)期保持它的強(qiáng)度，長(zhǎng)期暴露于水中其材料強(qiáng)度并不降低。另外根據(jù)最新統(tǒng)計(jì)資料顯示，國(guó)內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TAFiber混凝土專用改性聚丙烯纖維在-78

10、的嚴(yán)寒氣溫中仍然可以保持上述性能。參照國(guó)內(nèi)同行業(yè)各試驗(yàn)室的試驗(yàn)方法，由中水六局試驗(yàn)室針對(duì)中國(guó)紡織科學(xué)研究院提供的TAFiber混凝土專用改性聚丙烯纖維樣品進(jìn)展了纖維增強(qiáng)混凝土的各項(xiàng)性能試驗(yàn)。原材料如下：水泥采用撫順?biāo)鄰S消費(fèi)的525中熱水泥，粗、細(xì)骨料采用篩分系統(tǒng)消費(fèi)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(jiàn)表3。試配混凝土配合比及試驗(yàn)成果見(jiàn)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(jí)配混凝土

11、聚丙烯纖維0.910.1%0.9一、二級(jí)配及以上表4試配混凝土配合比樣品設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)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(yàn)成果樣品含氣量(%)抗壓強(qiáng)度Pa劈拉強(qiáng)度Pa極限拉伸值10-4彈性模量104Pa抗?jié)B標(biāo)號(hào)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(yàn)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(duì)濕度70%的試驗(yàn)室內(nèi)用風(fēng)扇吹1.5小時(shí)。然后置于403、相對(duì)濕度50%、風(fēng)速2.5/s的環(huán)境中。在24小時(shí)齡期裂縫根本穩(wěn)定后進(jìn)展觀測(cè)。其觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。從聚丙烯纖維混凝土抗裂機(jī)理上分析，摻入聚丙烯纖維后，由于其亂向均勻分布的特點(diǎn)，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(chǎn)生的裂縫，且延緩了塑

13、性收縮裂縫出現(xiàn)的時(shí)間。同時(shí)，在混凝土開(kāi)裂后，纖維的抗拉作用突顯，有效地阻止了裂縫的進(jìn)一步開(kāi)展。試驗(yàn)說(shuō)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(shuō)明摻入聚丙烯纖維后可以有效地阻滯混凝土內(nèi)部塑性裂縫并進(jìn)步混凝土的抗裂性能。表6膠砂開(kāi)裂試驗(yàn)成果樣品裂縫寬度A()裂縫長(zhǎng)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(yàn)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(duì)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?；炷恋目沽褟?qiáng)度有顯著進(jìn)步，且其抗壓強(qiáng)度特別是早期強(qiáng)度得到進(jìn)步。由于纖維抑制了混凝土內(nèi)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(chǎn)生，因此減少了滲水通道，有效進(jìn)步了混凝土抗?jié)B才能以及變形才能。通過(guò)對(duì)混凝土試件進(jìn)展的打壓試驗(yàn)，抗?jié)B標(biāo)號(hào)可進(jìn)步一個(gè)等級(jí)，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(yīng)用和施工根據(jù)試驗(yàn)室所做的實(shí)驗(yàn)工作，在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到摻入聚丙烯纖維后可以顯著進(jìn)步抗裂和抗?jié)B性能的特點(diǎn)，設(shè)

15、計(jì)中將原要求的258降低到256，將纖維摻率調(diào)整到0.9kg/3。在蝸殼澆筑期間，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各構(gòu)造部位不同級(jí)配二級(jí)配水泥用量343kg，水灰比0.42，骨料最大粒徑40、三級(jí)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(jìn)展了大量的取樣試驗(yàn)，從后期的消費(fèi)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可知數(shù)據(jù)過(guò)多略，256二、三級(jí)配混凝土的28天平均抗壓強(qiáng)度達(dá)均到了36.5Pa以上，抗?jié)B標(biāo)號(hào)均到達(dá)和超過(guò)12，與不摻纖維的混凝土試件相比抗?jié)B才能進(jìn)步了60%以上。由于纖維在大體積混凝土設(shè)計(jì)和施工中處于初步嘗試階段，我們未對(duì)混凝土的抗?jié)B指標(biāo)進(jìn)展下調(diào)。在施工工藝方面，聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土對(duì)拌合及施工工藝沒(méi)有特別要

16、求，由于聚丙烯纖維在混凝土當(dāng)中的作用是以物理方式表達(dá)的，本身不與混合料及外加劑產(chǎn)生化學(xué)反響，所以在混凝土拌合時(shí)添加如引氣、減水、早強(qiáng)等等外加劑產(chǎn)品并不對(duì)纖維增強(qiáng)混凝土構(gòu)成材料性質(zhì)方面的影響，所以無(wú)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(shí)間。拌合時(shí)間以纖維能在混凝土中均勻分布為準(zhǔn)，小型拌合機(jī)械拌合時(shí)間一般為2-3分鐘左右。而對(duì)于采用大型拌合系統(tǒng)來(lái)拌合的混凝土，那么時(shí)間要短得多。在尼爾基工程理論中，在拌合系統(tǒng)內(nèi)將纖維預(yù)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(shí)間較一般混凝土60s的拌合時(shí)間延長(zhǎng)了30s左右。在混凝土澆筑質(zhì)量方面，為防止大體積混凝土內(nèi)部溫升過(guò)

17、高而產(chǎn)生過(guò)大的塑性收縮變形，盡管添加了聚丙烯纖維作為增強(qiáng)材料，對(duì)于混凝土的澆筑分層分塊仍需按照有關(guān)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格、細(xì)致地進(jìn)展劃分。五、結(jié)語(yǔ)目前，國(guó)內(nèi)水工構(gòu)造設(shè)計(jì)中對(duì)構(gòu)造正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算是按照荷載的長(zhǎng)、短期效應(yīng)，根據(jù)構(gòu)造受拉鋼筋以及混凝土自身的特性進(jìn)展抗裂和限裂驗(yàn)算的。由于在實(shí)際的設(shè)計(jì)和施工當(dāng)中，限裂鋼筋受構(gòu)造配筋以及鋼筋直徑、間距、保護(hù)層和骨料粒徑等多方面因素的影響，鋼筋不可能貼近構(gòu)造構(gòu)件外表細(xì)密布置；而在溫度場(chǎng)變化及干縮變形較大的大體積混凝土構(gòu)造中配置的溫度鋼筋，也不能形成大面積的拉結(jié)作用，故而不能有效的進(jìn)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(duì)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(dá)不到大范圍控制混凝土裂縫產(chǎn)生的目的。排除施工質(zhì)量問(wèn)題，上述實(shí)際問(wèn)題應(yīng)該是很多類似于混凝土蝸殼等流道構(gòu)造在設(shè)計(jì)時(shí)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(xì)密分布，有顯著的阻裂效果，并在混凝土進(jìn)入塑性期間有效地降低和減小混凝土收縮產(chǎn)生的裂縫。試驗(yàn)說(shuō)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(jìn)步了混凝土的變形才能，而不降低實(shí)際上進(jìn)步了其抗壓強(qiáng)度。其在混凝土硬化后期抑制干縮裂縫開(kāi)展并使裂縫變細(xì)的性能更大幅進(jìn)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(duì)進(jìn)步大型蝸殼混凝土的施工質(zhì)量以及限裂、抗?jié)B等方面均具有非