改性聚丙烯纤维混凝土在桥巩水电站船闸中的应用.pdf

广西水利水电G X WA T E R R E URC E S& HY D R OP OWE R E N GI N E E R I NG 2 0 1 1 ( 1 ) 研究与探讨 改性聚丙烯纤维混凝土在桥巩水电站船闸中的应用 陶建福 ， 詹 义2 ， 刘华强3 ( 1 广西电力工业勘察设计研究院， 广西南宁5 3 0 0 2 3 ； 2 重庆市水利电力建筑勘测设计研究院， 重庆4 0 0 0 2 0 3 江苏省水利科学研究院， 江苏扬州2 2 5 0 0 2 ) 【 摘要】 分析了混凝土中掺入少量改性聚丙烯纤维对混凝土的抗裂、 抗渗、 抗冲耐磨等各种性能的影响。为了解 决桥巩水电站船闸输水廊道由于高速水流及泥沙冲刷、 磨损、 侵蚀而出现的问题， 设计过程中在输水廊道周边混凝 土中掺入少量改性聚丙烯纤维， 低掺率的改性聚丙烯纤维能有效提高混凝土的抗裂、 抗渗和抗冲刷等能力。 关键词】 聚丙烯纤维混凝土； 船闸； 输水系统； 桥巩水电站 中图分类号】 T V 4 3 1 4 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 3 1 5 1 0 ( 2 0 1 1 ) 0 1 0 0 0 5 0 3 1 聚丙烯纤维混凝土的性能 目前 国内在 土建、 交通和水利水电等行业应用 较多的混凝土材料为钢纤维混凝土 ， 钢纤维混凝 土 强度高、 抗裂好 、 耐冲刷、 抗侵蚀 ， 其性能指标非常优 越 ， 是一种较为实用的材料 ， 但因其在混凝土单位体 积中的造价较高且对混凝土级配要求更严格 ， 应 用 范围受到限制。而改性聚丙烯纤维除了具有与钢纤 维一样好的性能指标外 ， 造价更低廉 ， 掺人工艺更简 单 ， 已受到越来越多的行业广泛应用。钢纤维 与改 性聚丙烯纤维在混凝土中的单位体积用量及单价比 较详见表 1 。 表 1 钢 纤维与改性聚丙烯纤维在 混凝土中的单位体积用量及单价比较 从表 1可 知， 虽然改性聚丙烯纤维单价高于钢 纤维 ， 但是由于单位体积用量改性聚丙烯纤维远比钢 纤维少 ， 因此单位体积造价比钢纤维要少 ， 成本要低。 1 1 改性聚丙烯纤维在混凝土中的使用方法 改性聚丙烯纤维在混凝土中起物理加筋作用， 纤维本身为惰性材料， 不与其它混凝土成分及外加 剂发生反应， 纤维的掺加不改变原混凝土的配合比， 对各种骨料的性能指标无特殊要求 ， 但应保证混凝 土充分振实。使用时纤维与砂、 石等骨料同时加入， 加水后湿拌即可。 1 2 改性聚丙烯纤维对混凝土性能的影响 根据大量实验和实际工程应用表明， 在混凝土 中加入少量的改性聚丙烯纤维对混凝土的抗压强度 改变不大， 而对混凝土的抗裂性、 抗渗性、 抗冲耐磨 性 、 抗腐蚀性等有明显提高。 ( 1 ) 改性聚丙烯纤维对混凝 土抗压性能的影 响 ： 改性聚丙烯纤维抗 拉强度大、 弹性模 量低 的特 点 ， 是由其分子结构所决定的， 可通过改变聚丙烯纤 维结晶方式能使聚丙烯纤维 的刚性增加 ， 并能有 限 地提高纤维 的弹性模量 ， 但弹模 比 E f E c 仍小于 1 ， 且改性聚丙烯纤维 自身性能稳定 ， 掺入少量不会改 变混凝土 自身的物理 、 化学性能 ， 对提高混凝土抗压 强度的作用不大【 l 2 J 。 ( 2 ) 改性聚丙烯纤维对混凝土抗裂性的影响： 由于改性聚丙烯纤维是一种较低 弹性模量纤维， 纤 维自身柔韧性很好， 且掺人混凝土中能很好地分布 在混凝土中形成一种三维乱向支撑网。在单体与单 体内部形成一种桥梁结构 ， 它既能很好地增大混凝 土形成过程中单体之 间的吸附力 ， 又能很好地吸收 基底 、 模板和钢筋在成型过程 中产生的拉应力。所 以在混凝土中掺人少量的改性聚丙烯纤维能很好地 阻止在混凝土浇捣成型过程中裂缝的产生， 从而对 混凝土的抗裂性有很好的效果【 3 ， 引。 【 收稿日期】 2 0 1 1 - 0 1 - 0 5 【 作者简介】 陶建福( 1 9 7 9 一) 。 男 广西桂林人 广西电力工业勘察设计研究院工程师， 硕士， 主要从事港口航道工程及水利水电建筑工程 设计工作 。 5 陶建福， 詹义， 刘华强： 改性聚丙烯纤维混凝土在桥巩水电站船闸中的应用 ( 3 ) 改性聚丙烯纤维对混凝土抗渗性的影响： 改性聚丙烯纤维之所以能提高混凝土的抗渗性能 ， 是因为： 能润滑和改善和易性， 减少拌合物的泌 水 ， 从而减少硬化混凝土因泌水而产生的孔隙， 提高 混凝土的密实性； 改性聚丙烯纤维能填充材料中 的各相之间的孔隙， 阻断混凝土内裂缝毛细作用， 避 免连通毛细孔的形成； 改善界面的组成、 结构并可 与水泥基体形成互穿网络结构L4 ， 5 I 。 ( 4 ) 改性聚丙烯纤维对混凝土抗冲刷耐磨性 能的影响： 改性聚丙烯纤维在混凝土 中形成一种均 匀乱向支撑作用 ， 起到次级加强筋效果。改性聚丙 烯纤维掺人到混凝土中具有很好的抗裂作用， 增加其 能量 吸收能力 ， 缓解温度变化引起 的混凝土 内部应 力， 抑制裂缝的产生 ， 从而减少了混凝土构件 的薄弱 环节的形成 ， 因而增强了混凝土的抗冲耐磨性 6。 ( 5 ) 改性聚丙烯 纤维对混凝土抗侵蚀性能的 影响 ： 在混凝土中掺入少量的改性聚丙烯纤维， 虽然 掺入量较小， 但由于纤维条干较细， 且能很好的在混 凝土中均匀分布 ， 单位面积的纤维数量较多， 这样纤 维能起到一个很好的约束作用， 抵抗冻融和化学侵 蚀时的膨胀力。同时， 纤维的掺人大大提高了混凝 土的抗渗性 ， 这样便阻碍了化学物质的渗入， 提高 了 6 混凝土的抗侵蚀性 引。 2 改性聚丙烯纤维在桥巩水电站船闸 输 水 系统 中的应用 2 1 工程概述 桥巩船闸设计最大水头为 2 4 6 0 m， 属高水头 单级船闸， 也是我国目前采用 闸底长廊道、 侧支孔出 水这一输水系统型式及采用平面阀门输水最高水头 的船闸。按照船闸通过能力要求， 设计冲泄水时间 为 l O 1 2 mi n ， 泄水阀门开启时间采用 6 m i n ， 双边开 启和单边运行时输水主廊道的最大流量分别为 9 4 2 3 m 3 S 和 9 4 8 7 m3 S ， 相应的最大平均流速分 别为 8 6 2 m s 和 1 3 9 m s ， 考虑到输水时间将小于 1 0 rai n ， 输水廊道 中水流流速大且流态紊乱 ， 而且廊 道弯道也多， 水流中往往还夹杂着泥沙 ， 对输水廊道 内壁混凝土的冲刷和磨损大， 故应加强输水廊道混 凝土的抗 冲磨强度。参考 已竣工验收的乐滩 、 大化 等船闸的设计经验【 7 I ， 在船 闸闸室输水廊 道周边混 凝土中掺入适量的改性聚丙烯纤维能增强输水廊道 的抗裂性 、 抗渗性 等性能。改性聚丙烯纤维混凝土 在输水廊道 中的分布情况详见图 1 和图 2 。 聋 星 盐 f ； 分 缝 线 三 巧 ! 三 ： 1 区 区 l 区 II区 n 区 - 。 医 线 鼍屯 地盘j 丑 骨t置 m 辅 水羼 道 j 木避 ， _ 水 一道 旦 输 永庸 道 奉j 二、 正尽 矗 港 垦 n区 区 I l 区 ， H区 啊 m；5 0 + 0 0 8 0 0 器 垃筮筮届 耵 - = 晴 o t B 0 + O O q 。 。 蚕 。 。 瞳 I区 i 毫 _ 谨 l1 叫I E一 2 0 列 0 第1 b3 0 0 0蕾2 鱼 1 9 6 0 0簟3受善 k 1 5 4 0 0第4 爱 I 2 7 9 5 0 I -i I I 输 瘟 垒 ； 2 9 V47 90 图 2 闸室混凝土分区横剖面图 图 1 闸室混凝土分 区平面图 7 4 S ( 填 土 2 2 区为掺入有改性聚丙烯纤维的 C 2 5混凝土 ( 二级配) 根据中国水利水 电第十三工程局提供的资料， 桥巩船闸输水廊道周边混凝土采用的材料及配合 比： 水泥采用广西华 润红水河水泥厂生产 的 4 2 5 # 水泥； 骨料采用桥巩水电站工程砂石系统 生产的人工砂和人工碎石； 粉煤灰采用来宾电厂 生产的 I 级粉煤灰 ； 改性聚丙烯纤维采用江苏丹 阳合成纤维厂生产的改性聚丙烯纤维； 配合比采 用经过监理中心审批的混凝土施工配合比， 材料用 量详见表 2 。 广西水利水电GXwAT E R R E S OI C E S& H YD R O P OWE RE N GI N】 、 E RI N G 2 0 1 1 ( 1 ) 表 2 改性聚丙烯纤维混凝土配合比 k g m 3 2 3 添加改性聚丙烯纤维前后混凝土质量 比较 ( 1 ) 抗压强度 ： 改性聚丙烯纤维混凝土共成型 3 5 组 ， 标 准养护 ， 2 8 d龄期的混凝土抗压强度 ， 改性 聚丙烯纤维混凝土和普通混凝土抗压强度检测结果 详见表 3 。 表 3 C 2 5混凝土抗压强度 比较 从表 3中可知 ， 改性聚丙烯纤维抗压强度略高 于普通混凝土， 提高幅度不大。 ( 2 ) 劈裂抗拉强度。改性聚丙烯纤维混凝土 共成型 1 8组 ， 标准养护 ， 2 8 d龄期的混凝土劈裂抗 拉强度 ， 改性聚丙烯纤维混凝土和普通混凝土劈裂 抗拉强度检测结果详见表 4 。 表 4 C 2 5混凝土劈裂抗拉强度比较 由表4可知， 改性聚丙烯纤维混凝土比普通混 凝土劈裂抗拉强度有较大幅度提高 ， 增强效果明显。 ( 3 ) 抗渗能力 。改性 聚丙烯纤维共成 型抗渗 试块 2 0组 ， 标准养护 ， 2 8 d龄期 ， 从抗渗试块的竖向 剖面来看 ， 渗水高度都 比较小 ， 表明其抗渗指标远高 于规范允许值 ， 体积掺量为 0 5 的改性 聚丙烯纤 维混凝土渗水高度为 2 9 m m( 平均值) ， 普通混凝土 渗水高度为4 4 r n r n ( 平均值) ， 可见改性聚丙烯纤维 混凝土抗渗性提高了3 4 左右， 提高幅度大。 ( 4 ) 抗 冲耐磨性 能。改性 聚丙烯纤维共成 型 2 0 组 ， 标准养护 ， 7 d 、 2 8 d 、 9 0 d龄期的混凝土抗 冲 耐磨性能， 改性聚丙烯纤维混凝土和普通混凝土抗 冲耐磨性能检测结果详见表 5 。 表 5 C 2 5混凝土抗 冲耐磨性能 比较 MP a 从表 中可知 ， 改性聚丙烯纤维混凝土 比普通 混凝土抗 冲耐磨强度 随着时间增 长而增强 ， 抗 冲耐 磨早期强度可提高 8 左右 ， 长期强度可提高 1 2 ， 增强效果 明显。 3 结 语 改性聚丙烯纤维能改善水工混凝土的工程特 性 ， 且与水泥、 外加剂的适应性强 ， 无须特殊 的施工 工艺 ， 低掺率改性聚丙烯纤维混凝土较钢纤维混凝 土更能适用于二级配及其以上级配混凝土的生产和 施工， 因其掺率低 ， 成本远低于含钢率 高的混凝土 ， 且能达到和超过水工混凝土设计所要求 的各项强度 指标。因此 ， 改性聚丙烯纤维应用于水利水 电工程 中有特殊要求的部位 ， 可 以收到 良好 的技术效果 和 经济效益 ， 有广阔的应用前景。 参考文献 1 董建伟， 张国东， 张宏雷水利工程中改性聚丙烯纤维 混凝土的研究应用 J 】 吉林水利， 2 0 0 1 ， ( 9 ) ： 1 - 7 2 白国庆， 董建伟 改性聚丙烯纤维影响混凝土抗压强度 的机理初探 J 】 吉林水利 ， 2 0 0 5 ， ( 6 ) ： 1 - 3 3 王红， 禹智涛 改性聚丙烯纤维对混凝土裂缝抑制作 用的研究与应用进展 J 混凝土与水泥制品， 2 0 0 5 ， ( 4 ) ： 3 8 4 0 4 史小兴， 王新民合成纤维在混凝土中的效果和机理 综述 J 河南科学， 2 0 0 2 ， ( 6 ) ： 6 2 1 6 2 5 5 王书祥， 成全喜， 任权昌 改性聚丙烯纤维混凝土抗渗 性能的实验研究 J 】 天津城市建设学院学报， 2 0 0 3 ， ( 4 ) ： 2 6 1 2 6 4 6 危加阳 改性聚丙烯纤维混凝土的性能及其在水利工 程中的应用 J 甘肃水利水 电技术 ， 2 0 0 6 ， ( 2 ) ： 1 4 3 1 4 6 7 李敏 ， 符振辉 聚丙烯纤维混凝土在乐滩水电站的应 用 J 红水河， 2 0 0 6 ， ( 3 ) ： 5 3 5 7 ( 责任编辑： 刘征湛) 7 陶建福 ， 詹义， 刘华强： 改性聚丙烯纤维混凝土在桥巩水电站船闸中的应用 App l i c a t i o n o f mo d i f i e d Po l y p r o p y l e ne f i b e r c o n c r e t e i n s h i p l o c k o f Qi a o g o n g Hy d r o p o we r S t a t i o n T AO J i a n f u ，Z HA N Yi 2 ， L I U Hu a q i a n g 3 ( 1 Gu a n g x i E l e c t r i c P o we r I n d u s t r y I n v e s t i g a t i o n D e s i g n& Rese a r c h I n s t i t u t e ， N a n n i n g 5 3 0 0 2 3 ， C h i n a ； 2 Ch o n g q i n g S wr v e y i n g a n d De s i gn I n s t i t u t e o f W a t e r Re s o u r c e s ， El e c t r i c P o we r an d Ar c h i t e c t u r e ，Ch o n g q i n g 4 0 0 0 2 0， C h i n a ； 3 J i a n g s u P r o v i n c e Hy d r a u l i c R ese a r c h I n s t i t u t e ， Y a n g z h o n 2 2 5 0 0 2 ， C h i na) Ab s t r a c t ：An a l y s i s Was ma d e o n t h e i n fl u e n c e o f l o w c o n t e n t o f mod i f i e d P o l y p r o p y l e n e f i b e r mi x t u r e o n t h e p r o p e r t i e s o f co n c r e t e s u c h a s c r a c k r e s i s t a n c e ，i mpe r me a b i l i t y ，i mp a c t a n d a b r a s i o n r esi s t anc e I n o r d e r t o s e t t l e t h e s c o u r i n g and e r o s i o n p r o b l e ms f r o m h i g h v e l o c i t y f l o w a n d s e d i me n t f o r t h e s h i p l ock o f Qi a o g o n g Hy d r o pow e r S t a t i o n，l o w con t e n t mo d i f i e d P o l y p r o p y l e n e h e r mi x t u r e Was d esi g n ed for t h e s u r r o u n d i ng con c r e t e o f con v e y a n c e s y s t e m，e ffe c t i v e l y i mp r o v i n g t h e c r a c k r esi s t a n c e ，i mpe r me a b i l i t y a n d i mp a c t r esi s t a n c e o f con c r e t e Ke y wo r d s ： P o l y p r o p y l e n e f i b e r c o n c r e t e ；s h i p lo e k；con v e y a n c e s y s t e m；Qi a o g o n g Hy d r o p o we r S t a t i o n ( 上接第 4页) 参考文献 1 Wo n g F S S lo p e r e l i a b i l i t y a n d r e s p o n s e s u r f a c e me t lx x t J J o u rna l o f G e o t e c h n i c a l E n g i n n g ，1 9 8 5 ，b i l l ( 1 ) ： 3 2 5 3 2 L i uYW， Mo s e s F A s e q u e n t i a l r e s p o n s e s u r f a c e me t h o d a n d i t s a p p l i c a t i o n i n t h e r e l ia b i l i t y a n a l y s i s o f a i r c r a f t s t r u c t u r a l s yst e ms J S t r u c t u r a l S a f e t y 1 9 9 4 ， ( 1 6 ) ： 3 9 4 6 3 武清玺， 卓家寿 结构可靠度分析的变 f 序列响应面法 及其应用 J 河海大学学报， 2 0 0 1 ， 2 9 ( 2 ) ： 7 5 7 8 4 武清玺， 俞晓正 混凝土面板堆石坝可靠度计算方法研 究 J 岩土工程学报， 2 0 0 4 ， 2 6 ( 4 ) ： 4 6 8 4 7 2 5 武清玺 结构可靠性分析及随机有限元法 M 北京： 机械工业出版社 ， 2 0 0 5 6 赵国藩 结构可靠度理论 M 北京 ： 中国建筑工业出 版社 。 2 0 0 0 7 吴世伟 结构可靠度分析 M 北京： 人民交通出版社 ， 1 9 9 0 8 熊铁华， 常晓林响应面法在结构体系可靠度分析中 的应用 J 工程力学， 2 0 0 6 ， 2 3 ( 4 ) ：5 8 6 1 9 李咏偕 ， 施泽华 塑性力学 M 北京： 中国水利水电出 版社 ， 1 9 8 7 1 0 朱伯芳 有限单元法原理与应用 M 北京： 中国水利 水电出版社， 1 9 9 8 ( 责任编辑： 周群) Ap pl i c a t i o n o f RS M i n r e l i a b i l i t y a n a l y s i s o f a r c h d a m s t r u c t u r e L U J u n ， WU Qi n g x i ( J i a n g s u Tr a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h I n s t i t u t e o O ，L T D ， Na n j i n g 2 1 1 1 1 2 ，C h i na) Ab str a c t ：Th e comp l i c a t ed s t r u c t u r e an d t h e n o n l i n e a r p r o p e rti es o f f o u n d a t i o n r ock and con s t r u c t i ng ma t e r i a l s r e n d e r s mu c h d i f f i c u l t i e s f o r t h e r e l i a b i l i t y a n a l y s i s o f a r c h d a mAn i n t r o d u c t i o n Was ma d e o n t h e comb i n e d me t h od ，i e 3 D n o n l i n e a r f i n i t e e l e me n t me t h o d i s a p p l i e d t o c a l c u l a t e s t r e s s a n d d e f o r ma t i o n o f d a m b o d y wh i l e t wo - o r d e r RS M i s a d o p t ed for r e l i a b i l i t y an a l y s i s Ta k i n g t h e arc h d a m 0 f Da y a n g Hy d r o po we r S t a t i o n l o cat ed i n Yo n g t a i C o u n t y ，F u j i a n P r o v i n c e a L s e x a mp l e ， t h e v ari a t i o n r u l e o f r e l i a b i l i t y i n d e x wa s o b t a i n ed b a s e d o n r e l i a b i l i t y c a l c u l a t i o n o f u p s t r e a m an d d o wn s t r e a m d a m f a c e s Co mp ared wi t h o t h e r r e l i a b i l i t y an a l y s i s me t h o d s ，t h e p r o p o s e d me t h o d per mi t s con v e n i e n t ana l y s i s wo r k s i n c e t h e cal c u l a t i o n p r o g r a m for d e t e rm i n i s t i c s t r u c t u r e c a n be u s e d d i r ect l y，s h o wi n g v a s t r a ng e s o f p r osp ect s f o r i t s a p p l i cat i o n i n r e l i a b i l i t y an aly s i s o f l arg e - s c a l e an d com- p l e x s t r u c t u r es K e y w o r d s ： Hy d r a u l i c s t r u c t u r e ；con c r e t e arc h d am ；r espon s e s u r f a c e me t h od ( RS M) ；f i n i t e e l e me n t me t h o d ( F E M) ；r e l i a b i l i t y ana l y s i s 8