聚丙烯纤维混凝土在水利水电工程上的应用探讨

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室内试验和工程实践证明，在混凝土中加入较低掺量水平的聚丙烯纤维，即可减少或防止混凝土在浇筑后早期硬化阶段，因泌水和水分散失而引起塑性收缩和微裂纹；也可以减少和防止混凝土硬化后期产生干缩裂缝及温度变化引起的微裂纹，从而改善混凝土的防渗、抗冻、抗冲磨等性能。同时由于大量纤维随机分布于混凝土中，使混凝土结构的变形能力、初裂后残余强度、韧性都有一定提高。此外聚丙烯纤维混凝土具有的较高粘稠性，可改善喷射混凝土的性能和降低回弹。所有这些特点使聚丙烯纤维成为国外20 多年来提高混凝土性能的一项重要措施。
    80 年代中期以来聚丙烯纤维混凝土在我国土建和交通行业逐渐得到应用,如高层建筑的地下室、污水处理厂的污水池、游泳池、粮食仓储库、大型停车场、高速公路路面、高架路路面、桥梁路面铺装层、机场停机坪、码头货物料场,以及在地下洞室、护坡等工程应用喷射聚丙烯纤维混凝土。由于其良好的性能价格比以及和常规混凝土相同的施工方法,使聚丙烯纤维混凝土得到广泛应用。
    1、聚丙烯纤维混凝土的性能
    聚丙烯纤维作为一种次要的混凝土加强系统(即不代替受力钢筋),对混凝土的性能产生如下影响： 
    1. 1　聚丙烯纤维抑制了混凝土的塑性收缩微裂纹的产生，提高了建筑物的整体性、耐久性和使用寿命
    美国Pardon 与Zollo 等人分析了混凝土塑性收缩的性质，用模拟体积变化的平面试样代替ASTM 沿用的只能反映线收缩的试样来做试验。加入体积含量0.1 % 聚丙烯纤维的砂浆和混凝土，裂缝比对照试样分别减少87 % 和82 %；砂浆收缩量比对照减少32 %～40 %；混凝土试样收缩量有一组比对照减少48 %，另一种则与对照相同。同济大学混凝土材料研究国家重点试验室的测试表明,聚丙烯纤维含量为0. 05 % 和0. 15 % 的砂浆干缩裂缝加权宽度分别为对照试样的63. 5 % 和37. 3 % 。浙江大学土木工程学院28 d 干缩试验表明,掺量为0. 1% 的聚丙烯纤维可减少混凝土干缩10 % 左右。大量的工程实践也都证明,聚丙烯纤维的使用对减少混凝土塑性收缩和防止开裂作用十分明显。特别是随着混凝土施工技术的发展,出现了用激光照准的混凝土平面浇筑机，每小时浇注量可达70 m3，一日可铺设2 000 m2 地面。采用聚丙烯纤维混凝土能成功地解决了在这样的施工强度下,控制收缩裂缝的问题。对聚丙烯纤维减少收缩裂缝的机理初步认为，一是由于聚丙烯纤维的存在，降低了水分在混凝土中的迁移性，减少了泌水现象，因而减少了体积变化。根据英国认证委员会(BBA) 出具的证明,聚丙烯纤维混凝土泌水可减少35 %～55%；另一种认识是聚丙烯纤维的变形模量虽然较低，但却与混凝土在早期硬化阶段(24 h 内) 时的变形模量相当，因而可以有效地抑制开裂。对板式结构防止裂缝过去一般是采用钢筋网。聚丙烯纤维的广泛应用已在一定程度上替代了这种传统作法。圣荷西大学的一项对比试验表明，采用聚丙烯纤维含量为0.68 kg/m3 的混凝土比素混凝土减少裂缝71.5 %，而设置钢筋网的混凝土仅减少6.5 % 。多数人认为钢筋网与聚丙烯纤维混凝土都有一定的抑制裂缝产生的作用，都属于次要增强。但前者由于分布很稀，实际上这种作用较弱,而主要是在裂缝发生后限制裂缝宽度。因此不少人主张在地面支承板结构中，可以用聚丙烯纤维混凝土取代钢筋网，但同时也指出两者结合使用效果更好。至于用聚丙烯纤维混凝土代替钢筋网混凝土能方便施工，并大大加快进度，以及由此而带来的效益，则是不言而喻的。
    1. 2　强度和韧性是混凝土的两大主要性能
    当聚丙烯纤维加入量为混凝土体积的0. 1 % 左右时，不会提高混凝土的静力强度(抗压、抗拉、抗折等),但对韧性有显著影响。试验表明能较大地增强混凝土的抗冲击性和柔韧性。圣荷西大学的试验表明，聚丙烯纤维混凝土比普通混凝土抗冲击能力提高一倍，柔韧性大约提高40 %，抗疲劳性能增加3 倍。Lanning根据已进行的许多试验综合得出结果：聚丙烯纤维混凝土按开裂后整体性衡量的韧性指标(ASTM 方法) 可提高15 %，抗冲击力增加10 % ～50 % 。也有试验结果表明,按ASTM 方法,韧性指标中的I100 可提高70 % 。Soroushian 等人用破坏圆柱试样的落锤次数表示抗冲击性，含量0. 1 % 的聚丙烯纤维混凝土是对照素混凝土的约2. 9 倍,南京水科院的落锤试验的对比结果则更好。在浙江大学进行的抗折试验表明，掺量为0. 1 % 的聚丙烯纤维混凝土尽管不提高抗折强度，但在试验过程中表现为开裂之后，仍能维持整体，不继续加载，试样就不破坏，这说明聚丙烯纤维混凝土有很好的韧性。表征韧性的另一个性能是抗破碎性。在抗压试验中，素混凝土压裂后马上完全破碎，而聚丙烯纤维混凝土在达到最大荷载后仍不碎裂，这对受地震破坏的建筑结构中人员和财产安全有很大意义。此外，由于大量的聚丙烯纤维(每立方米大约千万根的量级) 随机分别于混凝土中，使混凝土的变形性能有显著提高。根据国外报道，高掺量的聚丙烯纤维混凝土极限拉伸应变可达到普通混凝土的2～3 倍。有人指出,为提高混凝土韧性，以及用于预制、喷射混凝土时，需要较大的聚丙烯纤维含量。一项按照ASTM C1018 进行的试验表明，聚丙烯纤维达0.5 % 体积含量时，残余强度系数可达到与钢纤维含量为20 kg/ m3 的水平相当。