CFRP混凝土在尼尔基发电厂房中的成功应用探析

7.2.2.1　概述

尼尔基水利枢纽位于黑龙江省与内蒙古自治区交界的嫩江干流上，在内蒙古自治区莫力达瓦达斡尔族自治旗境内。枢纽工程建筑物等级为I等1级。发电部分为河床式厂房，装有4台62.5MW的轴流转浆式水轮发电机组，单机引用流量326.9m3/s，总装机容量250MW。主厂房尺寸（长×宽×高）为：149m×72m×64.65m，机组间距25m，安装间布置在主机间左侧端部，4台机组间及主机间与安装场间各设一道结构缝。

尼尔基发电厂房蜗壳为混凝土蜗壳，为了提高混凝土蜗壳的抗裂性能，需检验抗裂合成纤维性能，水电六局试验室对中国纺织科学研究院生产的抗裂合成纤维（CTA Fiber）进行性能试验。同时，对CFRP混凝土用于混凝土蜗壳抗裂设计做了研究。

7.2.2.2　CFRP混凝土对蜗壳的应用试验研究。

（1）原材料选用与试验。

1）水泥。采用抚顺水泥厂生产的中热525号水泥，其试验成果见表7.22。

2）细骨料。采用三大系统生产的天然砂，其试验成果见表7.23。

3）粗骨料。采用三大系统人工碎石，其试验成果见表7.24。

4）外加剂。采用哈尔滨京联有限公司生产的JL－10型引气减水剂外加剂物理性能检测结果见表7.25。

从表7.22～表7.25中可知，水泥、骨料、外加剂均满足国家标准及规范要求。

5）抗裂合成纤维（CTA Fiber）。抗裂合成纤维由中国纺织科学研究院生产，为19mm束状单丝，抗酸碱性极高，导热性极低，为无毒材料，抗低温性经－78℃实验检测纤维性能无变化，纤维经过了特殊的抗老化处理：其主要参数见表7.26。

表7.25　外加剂性能检测成果

表7.26　CTA Fiber混凝土专用改性聚丙烯纤维性能参数

（2）掺抗裂合成纤维与不掺的混凝土对比试验。采用上述原材料进行混凝土性能试验，试验用混凝土配合比见表7.27，试验成果见表7.28，检验依据DL/T5150－2001进行因为此次试验只是验证掺纤维与不掺纤维的混凝土对比试验，所以对纤维的掺量试验没有分析，实际掺量依据厂家提供的最优掺量进行，试验中采用每立方米混凝土抗裂纤维掺量为0.7kg。

表7.27　试验用混凝土配合比

表7.28　混凝土性能试验成果(www.xing528.com)

（3）抗裂性试验。大体积、大面积混凝土和砂浆浇筑成型1小时后，在材料硬化前其表面往往会失水收缩从而引起拉应力，产生不可恢复的塑性收缩裂缝。

参考水利部长江科学院工程质量检测中心的方法进行混凝土胶砂抗裂试验。混凝土抗裂试验所用胶砂的重量配合比水泥∶砂=1∶2.8。水胶比为0.55，纤维掺量按0.7kg/m3计算。板状试件尺寸为610mm×914mm×19mm，成型后在28±2℃、相对湿度为70%的试验室内，风扇下吹1.5小时，然后置于40±3℃、相对湿度50%、风速2.5m/s环境中。在24小时裂缝基本稳定以后测裂缝的宽度和长度，观测结果见表7.29。

表7.29　胶砂开裂试验结果

（4）实际应用。根据试验室所做的实验工作，在实际应用中，考虑到掺入聚丙烯纤维后能够显著提高抗裂和抗渗性能的特点，设计中将原要求的C25W8降低到C25W6，将纤维掺率调整到0.9kg/m3。在蜗壳浇筑期间，对现场各结构部位不同级配（二级配水泥用量343kg，水灰比0.42，骨料最大粒径40mm、三级配水泥用量297kg，水灰比0.40，骨料最大粒径80mm，坍落度7～9cm）混凝土进行了大量的取样试验，从后期的生产性试验数据中可知（数据过多，略），C25W6二级、三级配混凝土的28天平均抗压强度均达到了36.5MPa以上，抗渗标号均达到和超过W12，与不掺纤维的混凝土试件相比抗渗能力提高了60%以上。由于纤维在大体积混凝土设计和施工中处于初步尝试阶段，故未对混凝土的抗渗指标进行下调。

在施工工艺方面，聚丙烯纤维增强混凝土对拌和及施工工艺没有特别要求，只是在拌和时间上应以纤维能在混凝土中均匀分布为准，小型拌和机械拌和时间一般为2～3分钟。而对于采用大型拌和系统来拌和的混凝土，则时间要短得多。在尼尔基工程实践中，在拌和系统内将纤维预先加入到混凝土中，为保证纤维在混凝土中的均匀分布，拌和时间较一般混凝土（60秒）的拌和时间延长了30秒左右。

7.2.2.3　效果

低掺率改性聚丙烯纤维在蜗壳混凝土中，由于其在混凝土中能够细密分布，有显著的阻裂效果，并在混凝土进入塑性期间有效地降低和减小混凝土收缩产生的裂缝。试验表明，低掺率改性聚丙烯纤维混凝土，由于其弹性模量的适度降低，提高了混凝土的变形能力，而不降低（实际上提高了）其抗压强度。其在混凝土硬化后期抑制干缩裂缝开展并使裂缝变细的性能更大幅提高了混凝土的抗渗能力和受力钢筋的抗锈蚀能力。上述性能对提高大型蜗壳混凝土的施工质量以及限裂、抗渗等方面均具有非常好的实用性。

通过实验可以认为，低掺率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，由于改性聚丙烯纤维在混凝土中的掺率较低，其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，尤其是抗渗指标具有较大的突破。这对于大型混凝土蜗壳及大型流道结构的限裂以及抗渗等方面的设计和施工更具实际意义和推广价值。