水利工程論文-聚丙烯纖維材料在尼爾基廠房混凝土蝸殼中的應(yīng)用.doc

水利工程論文-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。通過和普通混凝土對比后得出結(jié)論：低摻率的聚丙烯纖維能有效提高混凝土的限裂和抗?jié)B能力，改善鋼筋混凝土蝸殼的抗?jié)B效果，說明了聚丙烯纖維對大級(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)62.5MW的軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)引用流量326.9m3/s，總裝機(jī)容量250MW。主廠房尺寸（長寬高）為：1497264.65m，機(jī)組間距25m，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)間與安裝場間各設(shè)一道結(jié)構(gòu)縫。蝸殼混凝土澆筑方量約2.9104m3左右。水電站機(jī)組工作水頭范圍為9.91m33.2m。蝸殼采用鋼筋混凝土蝸殼，流道范圍內(nèi)最大平面寬度18.4m，進(jìn)口斷面最大高度9.98m，蝸殼頂板厚度2.60m，頂板底面設(shè)置有防滲鋼板。按水庫正常蓄水位216.00m計(jì)，底板作用水頭為46.37m，最大壓力上升56.0m，流道斷面尺寸及內(nèi)水壓力均較大。二、蝸殼結(jié)構(gòu)混凝土開裂分析與評(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)前國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范的要求，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。而在結(jié)構(gòu)方面，針對鋼筋混凝土蝸殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析，仍然以簡化為平面框架計(jì)算的方法為主，大型蝸殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析則輔以三維有限元計(jì)算或結(jié)構(gòu)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)規(guī)范不相匹配。混凝土蝸殼為空間結(jié)構(gòu)，斷面為不規(guī)則梯形。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。針對尼爾基廠房設(shè)計(jì)，蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了相應(yīng)的平面結(jié)構(gòu)及三維有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，且頂板底部設(shè)有鋼板。計(jì)算分析表明，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)力水平較高。局部應(yīng)力集中問題嚴(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)行大量的結(jié)構(gòu)配筋和抗（限）裂配筋。另外，蝸殼頂部鋼板的結(jié)構(gòu)作用不明確且不顯著。由于按有限元計(jì)算的應(yīng)力進(jìn)行配筋尚屬非規(guī)范方法，蝸殼結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)系結(jié)合應(yīng)力圖形和平面結(jié)構(gòu)計(jì)算分析進(jìn)行的。對于大型混凝土蝸殼，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十分必要的。尼爾基發(fā)電廠房為河床式廠房，其蝸殼結(jié)構(gòu)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)行比較可知，尼爾基廠房蝸殼結(jié)構(gòu)凈跨尺寸及內(nèi)水壓力均為最大，而頂板則是三者中最薄的。根據(jù)對上述已建工程的調(diào)查研究結(jié)果表明（見表1），各電站的混凝土蝸殼均存在不同程度的滲漏現(xiàn)象。我們知道，大型混凝土蝸殼結(jié)構(gòu)不僅需要進(jìn)行各種工況的結(jié)構(gòu)分析，而且需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)本體的抗裂和限裂驗(yàn)算。而限裂要求對于水頭（或水力梯度）大小不同的結(jié)構(gòu)，因其各自結(jié)構(gòu)尺寸和內(nèi)壓大小的不同，通過計(jì)算有的能夠達(dá)到，如太平灣廠房的混凝土蝸殼，而達(dá)到符合規(guī)范限裂要求的代價(jià)是配置限裂鋼筋；有的則達(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，但由于未對結(jié)構(gòu)進(jìn)行限裂配筋，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。后對其進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)處理后才得以正常使用。但是，上述混凝土蝸殼仍然存在不同程度的滲漏問題。實(shí)踐證明，由于蝸殼結(jié)構(gòu)的特殊性，限裂鋼筋直徑、間距受到結(jié)構(gòu)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局部試用表明，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較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MW63.85047.5單機(jī)流量m3/s317.5251455水輪機(jī)型號(hào)ZZA883-LH-640ZDA190-LH-600ZZ560a-LH-800最大水頭m33.225.615.5最小水頭m9.9122.812.3設(shè)計(jì)水頭m22.023.312.6蝸殼內(nèi)最大壓力上升m56.038.835.4機(jī)組段長度m25.022.028.0邊墻厚度m3.33.02.5頂板厚度m2.573.34.43中墩厚度m3.02.42.5蝸殼進(jìn)口處單孔凈跨m7.76.86.0蝸殼最大高度m10.09.312.0有否鋼襯僅頂板有有*無*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無三、聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的性能分析目前國內(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)用且規(guī)范性的材料，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)行規(guī)范對混凝土級(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2CTAFiber混凝土專用改性聚丙烯纖維性能纖維長度19mm當(dāng)量直徑48密度0.91g/m3抗拉強(qiáng)度400MPa熔點(diǎn)約160彈性模量3500MPa燃點(diǎn)約580斷裂延伸率1525%導(dǎo)熱性極低安全性無毒材料抗堿能力PH=14的NaOH溶液,60水浴,48h后抗拉強(qiáng)度的保持率大于99%抗老化性纖維經(jīng)過了特殊的抗老化處理抗低溫性經(jīng)-78實(shí)驗(yàn)檢測纖維性能無變化根據(jù)國內(nèi)一些試驗(yàn)室以往所作的試驗(yàn)表明，用聚丙烯纖維來控制混凝土裂縫，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)體積率達(dá)到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，阻裂能力可以提高一個(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期保持它的強(qiáng)度，長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，國內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CTAFiber混凝土專用改性聚丙烯纖維在-78的嚴(yán)寒氣溫中仍然能夠保持上述性能。參照國內(nèi)同行業(yè)各試驗(yàn)室的試驗(yàn)方法，由中水六局試驗(yàn)室針對中國紡織科學(xué)研究院提供的CTAFiber混凝土專用改性聚丙烯纖維樣品進(jìn)行了纖維增強(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生產(chǎn)的525中熱水泥，粗、細(xì)骨料采用篩分系統(tǒng)生產(chǎn)的人工碎石和天然砂，外加劑采用引起減水劑，CTAFiber混凝土專用聚丙烯纖維摻量為每立方米混凝土0.7kg，CTAFiber混凝土專用改性聚丙烯纖維性能見表3。試配混凝土配合比及試驗(yàn)成果見表4、5。表3鋼纖維及聚丙烯纖維在混凝土中的體積率比較材料比重單位體積用量推薦用量（kg/m3）適用范圍鋼纖維7.850.6%2%80120一級(jí)配混凝土聚丙烯纖維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w/c坍落度（cm）每立方米混凝土用量（kg/m3）外加劑(%)水泥砂粗骨料水5-20mm20-40mm摻纖維C25W6400.4216.43597315485481500.7不摻纖維C25W6400.4217.23597345505501510.7表5試配混凝土性能試驗(yàn)成果樣品含氣量(%)抗壓強(qiáng)度MPa劈拉強(qiáng)度MPa極限拉伸值10-4彈性模量104MPa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3.2627.934.236.22.22.883.980.961.123.163.464.258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，CTAFiber混凝土專用改性聚丙烯纖維摻量0.7kg/m3，板狀試件尺寸61091419mm，成型后在2820、相對濕度70%的試驗(yàn)室內(nèi)用風(fēng)扇吹1.5小時(shí)。然后置于403、相對濕度50%、風(fēng)速2.5m/s的環(huán)境中。在24小時(shí)齡期裂縫基本穩(wěn)定后進(jìn)行觀測。其觀測結(jié)果見表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，且延緩了塑性收縮裂縫出現(xiàn)