廠房混凝土蝸殼應用論文

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一、概述

尼爾基水利樞紐位于黑龍江省與內蒙古自治區交界的嫩江干流上，在內蒙古自治區莫力達瓦達斡爾族自治旗境內。樞紐工程建筑物等級為I等1級。發電部分為河床式廠房，裝有4臺62.5MW的軸流轉漿式水輪發電機組，單機引用流量326.9m3/s，總裝機容量250MW。主廠房尺寸（長×寬×高）為：149×72×64.65m，機組間距25m，安裝間布置在主機間左側端部，4臺機組間及主機間與安裝場間各設一道結構縫。蝸殼混凝土澆筑方量約2.9×104m3左右。

水電站機組工作水頭范圍為9.91m～33.2m。蝸殼采用鋼筋混凝土蝸殼，流道范圍內最大平面寬度18.4m，進口斷面最大高度9.98m，蝸殼頂板厚度2.60m，頂板底面設置有防滲鋼板。按水庫正常蓄水位216.00m計，底板作用水頭為46.37m，最大壓力上升56.0m，流道斷面尺寸及內水壓力均較大。

二、蝸殼結構混凝土開裂分析與評價

鋼筋混凝土蝸殼的限裂和防滲一直是設計難點。根據當前國內現行規范的要求，鋼筋混凝土蝸殼設計不能滿足規定的限裂要求時，蝸殼內壁應增設防滲層。而在結構方面，針對鋼筋混凝土蝸殼結構的內力分析，仍然以簡化為平面框架計算的方法為主，大型蝸殼結構的內力分析則輔以三維有限元計算或結構模型試驗的方式，而直接以應力分析成果配置鋼筋與現行設計規范不相匹配。

混凝土蝸殼為空間結構，斷面為不規則梯形。尤其是大型蝸殼，進口段跨度大，側墻高，受力條件復雜。針對尼爾基廠房設計，蝸殼結構設計時進行了相應的平面結構及三維有限元結構計算分析，且頂板底部設有鋼板。計算分析表明，蝸殼頂板和側墻的應力較大，尤其是進口一定角度內的斷面跨度較大，應力水平較高。

局部應力集中問題嚴重，尤其是在角隅處的應力集中明顯。最大應力大大超出了混凝土的抗拉強度，必須進行大量的結構配筋和抗（限）裂配筋。另外，蝸殼頂部鋼板的結構作用不明確且不顯著。由于按有限元計算的應力進行配筋尚屬非規范方法，蝸殼結構配筋設計系結合應力圖形和平面結構計算分析進行的。

對于大型混凝土蝸殼，內水壓力作用下的應力均較高，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，除混凝土強度設計外，混凝土蝸殼的設計主要著眼于抗裂和限裂是十分必要的。

尼爾基發電廠房為河床式廠房，其蝸殼結構特性與東北地區同等規模的紅石、太平灣等大型河床式電站廠房進行比較可知，尼爾基廠房蝸殼結構凈跨尺寸及內水壓力均為最大，而頂板則是三者中最薄的。根據對上述已建工程的調查研究結果表明（見表－1），各電站的混凝土蝸殼均存在不同程度的滲漏現象。我們知道，大型混凝土蝸殼結構不僅需要進行各種工況的結構分析，而且需要進行結構本體的抗裂和限裂驗算。而限裂要求對于水頭（或水力梯度）大小不同的結構，因其各自結構尺寸和內壓大小的不同，通過計算有的能夠達到，如太平灣廠房的混凝土蝸殼，而達到符合規范限裂要求的代價是配置限裂鋼筋；有的則達不到，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砌防滲，但由于未對結構進行限裂配筋，另由于蝸殼澆筑時側墻鋼襯和混凝土的密實性、整體性較差，故而導致該電站蝸殼在運行期間產生鋼襯起鼓和漏水，進而直接影響機組的正常運行。后對其進行相應的補強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。實踐證明，由于蝸殼結構的特殊性，限裂鋼筋直徑、間距受到結構配筋及混凝土級配、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開裂的情況仍是較多的，也是較為普遍的。由于裂縫的產生，蝸殼滲漏成為設計和施工的一大難題。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濟的選擇和嘗試，經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和擴展。

表－1東北地區大型河床電站混凝土蝸殼比較表

電站名稱

特性指標

尼爾基水利樞紐

發電廠房

紅石水電站

發電廠房

太平灣水電站

發電廠房

備注

單機容量MW

63.8

50

47.5

單機流量m3/s

317.5

251

455

水輪機型號

ZZA883-LH-640

ZDA190-LH-600

ZZ560a-LH-800

最大水頭m

33.2

25.6

15.5

最小水頭m

9.91

22.8

12.3

設計水頭m

22.0

23.3

12.6

蝸殼內最大壓力上升m

56.0

38.8

35.4

機組段長度m

25.0

22.0

28.0

邊墻厚度m

3.3

3.0

2.5

頂板厚度m

2.57

3.3

4.43

中墩厚度m

3.0

2.4

2.5

蝸殼進口處單孔凈跨m

7.7

6.8

6.0

蝸殼最大高度m

10.0

9.3

12.0

有否鋼襯

僅頂板有

有*

無

*88年#2機鋼襯漏水并起鼓經處理

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、聚丙烯纖維增強混凝土的性能分析

目前國內在水利水電行業應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用且規范性的材料，其性能指標是優越的，應用及推廣均有章可循，但因其在混凝土單位體積中的造價較高且現行規范對混凝土級配有較為嚴格的要求，故難以適應較大體積的混凝土澆注。而作為一種造價更為低廉的混凝土新型增強材料——聚丙烯纖維也同樣具有與鋼纖維一樣好的性能指標。

表－2CTAFiber混凝土專用改性聚丙烯纖維性能

纖維長度

19mm

當量直徑

48μm

密度

0.91g/m3

抗拉強度

≥400MPa

熔點

約160℃

彈性模量

≥3500MPa

燃點

約580℃

斷裂延伸率

15—25%

導熱性

極低

安全性

無毒材料

抗堿能力

PH=14的NaOH溶液,60℃水浴,48h后抗拉強度的保持率大于99%

抗老化性

纖維經過了特殊的抗老化處理

抗低溫性

經-78℃實驗檢測纖維性能無變化

根據國內一些試驗室以往所作的試驗表明，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，其摻量遠低于鋼纖維所要求的體積率（0.6%-2%），當體積率達到0.1%時，混凝土收縮值大幅降低，當聚丙烯纖維體積率大于0.3%便會產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數量級。同時，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度，長期暴露于水中其材料強度并不降低。另外根據最新統計資料顯示，國內具有自主知識產權的CTAFiber混凝土專用改性聚丙烯纖維在-78℃的嚴寒氣溫中仍然能夠保持上述性能。

參照國內同行業各試驗室的試驗方法，由中水六局試驗室針對中國紡織科學研究院提供的CTAFiber混凝土專用改性聚丙烯纖維樣品進行了纖維增強混凝土的各項性能試驗。原材料如下：水泥采用撫順水泥廠生產的＃525中熱水泥，粗、細骨料采用篩分系統生產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

7.85

0.6%

~2%

80~120

一級配混凝土

聚丙烯纖維

0.91

0.1%

0.9

一、二級配及以上

表－4試配混凝土配合比

樣品

設計標號

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

5-20mm

20-40mm

摻纖維

C25W6

40

0.42

16.4

359

731

548

548

150

0.7

不摻纖維

C25W6

40

0.42

17.2

359

734

550

550

151

0.7

表－5試配混凝土性能試驗成果

樣品

含氣量

(%)

抗壓強度

MPa

劈拉強度

MPa

極限拉伸值

10-4

彈性模量

104MPa

抗滲標號

7d

28d

90d

7d

28d

90d

28d

90d

7d

28d

90d

28d

摻纖維

3.45

31.9

37.3

39.8

2.3

3.48

4.68

1.14

1.28

3.06

3.35

4.13

≥10

不摻纖維

3.26

27.9

34.2

36.2

2.2

2.88

3.98

0.96

1.12

3.16

3.46

4.25

≤8

抗裂試驗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610×914×19mm，成型后在28±20℃、相對濕度70%的試驗室內用風扇吹1.5小時。然后置于40±3℃、相對濕度50%、風速2.5m/s的環境中。在24小時齡期裂縫基本穩定后進行觀測。其觀測結果見表6。從聚丙烯纖維混凝土抗裂機理上分析，摻入聚丙烯纖維后，由于其亂向均勻分布的特點，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生的裂縫，且延緩了塑性收縮裂縫出現的時間。同時，在混凝土開裂后，纖維的抗拉作用突顯，有效地阻止了裂縫的進一步發展。試驗表明，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，說明摻入聚丙烯纖維后能夠有效地阻滯混凝土內部塑性裂縫并提高混凝土的抗裂性能。

表6膠砂開裂試驗成果

樣品

裂縫寬度A

(mm)

裂縫長度B

(mm)

裂縫面積A×B

(mm)

A×B

加和值

對比百分率

(%)

摻纖維

2.0

1.0

307

307

504.5

85

0.5

395

197.5

不摻纖維

2.0

1.0

373

373

593.3

100

0.5

440.6

220.3

從以上試驗成果中可以看出，在混凝土中添加低摻率的聚丙烯纖維后，纖維對混凝土拌合物含氣量影響不大，坍落度雖然有所降低，但其和易性得到改善。混凝土的抗裂強度有顯著提高，且其抗壓強度（特別是早期強度）得到提高。由于纖維抑制了混凝土內部的自由水蒸發，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，降低了混凝土表面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生，因而減少了滲水通道，有效提高了混凝土抗滲能力以及變形能力。通過對混凝土試件進行的打壓試驗，抗滲標號可提高一個等級，從而使混凝土的抗滲性能得到大大改善。

四、纖維在混凝土蝸殼中的應用和施工

根據試驗室所做的實驗工作，在實際應用中，考慮到摻入聚丙烯纖維后能夠顯著提高抗裂和抗滲性能的特點，設計中將原要求的C25W8降低到C25W6，將纖維摻率調整到0.9kg/m3。在蝸殼澆筑期間，對現場各結構部位不同級配（二級配水泥用量343kg，水灰比0.42，骨料最大粒徑40mm、三級配水泥用量297kg，水灰比0.40，骨料最大粒徑80mm，坍落度7-9cm）混凝土進行了大量的取樣試驗，從后期的生產性試驗數據中可知（數據過多略），C25W6二、三級配混凝土的28天平均抗壓強度達均到了36.5MPa以上，抗滲標號均達到和超過W12，與不摻纖維的混凝土試件相比抗滲能力提高了60%以上。由于纖維在大體積混凝土設計和施工中處于初步嘗試階段，我們未對混凝土的抗滲指標進行下調。

在施工工藝方面，聚丙烯纖維增強混凝土對拌合及施工工藝沒有特別要求，由于聚丙烯纖維在混凝土當中的作用是以物理方式體現的，本身不與混合料及外加劑產生化學反應，所以在混凝土拌合時添加如引氣、減水、早強……等等外加劑產品并不對纖維增強混凝土構成材料性質方面的影響，所以無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間。拌合時間以纖維能在混凝土中均勻分布為準，小型拌合機械拌合時間一般為2-3分鐘左右。而對于采用大型拌合系統來拌合的混凝土，則時間要短得多。在尼爾基工程實踐中，在拌合系統內將纖維預先加入到混凝土中，為保證纖維在混凝土中的均勻分布，拌合時間較一般混凝土（60s）的拌合時間延長了30s左右。在混凝土澆筑質量方面，為避免大體積混凝土內部溫升過高而產生過大的塑性收縮變形，盡管添加了聚丙烯纖維作為增強材料，對于混凝土的澆筑分層分塊仍需按照有關規程規范嚴格、細致地進行劃分。

五、結語

目前，國內水工結構設計中對結構正常使用極限狀態的驗算是按照荷載的長、短期效應，根據結構受拉鋼筋以及混凝土自身的特性進行抗裂和限裂驗算的。由于在實際的設計和施工當中，限裂鋼筋受結構配筋以及鋼筋直徑、間距、保護層和骨料粒徑等多方面因素的影響，鋼筋不可能貼近結構（構件）表面細密布置；而在溫度場變化及干縮變形較大的大體積混凝土結構中配置的溫度鋼筋，也不能形成大面積的拉結作用，故而不能有效的提高抗裂性能。由于考慮限裂因素，使得混凝土單位體積含鋼量大大增加，而鋼筋對有效受拉混凝土截面之外的裂縫不起控制作用，因而增大含鋼率并達不到大范圍控制混凝土裂縫產生的目的。排除施工質量問題，上述實際問題應該是很多類似于混凝土蝸殼等流道結構在設計時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，由于其在混凝土中能夠細密分布，有顯著的阻裂效果，并在混凝土進入塑性期間有效地降低和減小混凝土收縮產生的裂縫。試驗表明，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，提高了混凝土的變形能力，而不降低（實際上提高了）其抗壓強度。其在混凝土硬化后期抑制干縮裂縫開展并使裂縫變細的性能更大幅提高了混凝土的抗滲能力和受力鋼筋的抗銹蝕能力。上述性能對提高大型蝸殼混凝土的施工質量以及限裂、抗滲等方面均具有非常好的實用性。

通過實驗可以認為，低摻率聚丙烯纖維混凝土較鋼纖維混凝土更能適用于二級配及其以上級配混凝土的生產和施工，由于改性聚丙烯纖維在混凝土中的摻率較低，其成本遠低于含鋼率高的混凝土，且能達到和超過水工混凝土設計所要求的各項強度指標，尤其是抗滲指標具有較大的突破。這對于大型混凝土蝸殼及大型流道結構的限裂以及抗滲等方面的設計和施工更具實際意義和推廣價值。

參考資料及文獻：

1．石巖，抗裂合成纖維在尼爾基工程中的應用，2003

2．中水六局試驗室，混凝土使用配合比統計報告，2003

3．中水六局試驗室，混凝土強度檢測報告，2003

4．馮乃謙主編，實用混凝土大全科學出版社，2001

5．F.Leonhart著，胡賢章等譯.鋼筋混凝土結構裂縫與變形的驗算.水利電力出版社，1983