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摘要：本文通过对冷却塔聚丙烯纤维抗裂混凝土配合比进行设计、试验、研究。得出掺聚丙烯纤维和膨胀剂对混凝土的物理力学性能、长期性能及耐久性能进行比较分析等方面的试验成果。为防止混凝土裂缝的产生或减少裂缝提供了一种思路和方法。
关键词：混凝土配合比、聚丙烯纤维、膨胀剂、混凝土防裂
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
1 简介
为解决长期困扰火力发电厂冷却塔池壁在机组投产后产生裂缝渗水现象，本人提出了在冷却塔池壁混凝土掺加膨胀剂和聚丙烯纤维的解决方案。对掺加膨胀剂和聚丙烯纤维混凝土的物理力学性能、抗裂、抗渗、耐久等性能遵循《普通混凝土配合比设计规程》和《混凝土结构工程施工及验收规范》进行了系统的混凝土配合比试验，以下是试验结果、结论。
2 试验原材料
2.1 水泥
采用江山虎山普通硅酸盐42.5级，检验依据标准《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》，试验成果表明虎山普硅42.5水泥物、化性能指标均能满足质量标准要求。
2.2、集料
细集料为当地的天然河砂，粗集料两种，一种为当地的天然河卵石，另一种为人工轧制碎石，粒径5～40㎜。砂、石料性能检验依据《建筑用砂》和《建筑用碎﹑卵石》。经检验砂、石集料各项指标均满足品质指标要求。
2.3、外加剂
TEA膨胀剂和BLY引气减水剂由水电十二局科研所外加剂厂生产。TEA膨胀剂，检验依据标准《混凝土膨胀剂》，BLY引气减水剂检验依据标准《混凝土外加剂》。经检验，BLY引气减水剂、TEA膨胀剂均符合国标规定要求。
2.4、聚丙烯纤维
改性聚丙烯纤维为上海固芭工程材料有限公司生产，聚丙烯纤维符合GB/T3916—1997、Q/20182318—5.1—1999标准要求。
3 冷却塔工程混凝土配合比设计
3.1聚丙烯纤维和膨胀剂在混凝土中的作用
3.1.1聚丙烯纤维是一种新型复合材料，混凝土中加入聚丙烯纤维能在一定程度上改善混凝土脆性，利用聚丙烯纤维抗拉强度高的特点，承担混凝土中部分拉应力。利用均匀分布纤维将结构有害宽裂缝分散为均匀细微裂缝。
3.1.2 加膨胀剂后，利用在约束下的混凝土变形来补偿其部分收缩变形，抵消钢筋混凝土结构在收缩过程中产生的部分拉应力，使混凝土结构裂缝控制在少裂范围内，实践表明是一种防止和减少混凝土开裂有效方法之一。
3.2 混凝土设计强度等级
抗压C25； 抗渗P6；抗冻F100
3.3 抗裂纤维混凝土技术要求
坍落度100～130㎜； 聚丙烯纤维掺量0.9kg/m 3
根据《普通混凝土配合比设计规程》、《混凝土结构工程施工及验收规范》和混凝土设计要求，抗压强度保证率95%，混凝土强度标准差取为σ=5.0。混凝土配制强度为：fcu，k + 1.645σ=33.2Mpa
3.4 冷卻塔混凝土配合比试验
由于冷却塔工程混凝土为流动性混凝土，流动性混凝土特点坍落度较大，水泥用量相应增加，单位用水量增加使混凝土干缩收缩越大，产生裂缝的潜在危险较高。在混凝土中掺入适量的膨胀剂可以起到补偿收缩作用；掺入引气减水剂，可改善混凝土拌合物和易性，在降低单位用水量的同时减少水泥用量降低水化热，提高混凝土抗冻性能；并对其进行了不同TEA膨胀剂混凝土力学性能试验，以确定混凝土中掺入上述外加剂后混凝土力学性能，在混凝土中掺入0.9㎏/m3改性聚丙烯纤维，对掺聚丙烯纤维混凝土做了混凝土力学性能试验，从试验成果可以看出：
(1) 在掺入1.5%BLY引气减水剂和不同膨胀剂掺量条件下混凝土抗压强度基本不降低。
(2) 在保持相同坍落度的情况下，掺入聚丙烯纤维后混凝土较不掺时单位用水量有所提高，每立方混凝土用水量增加2～3㎏左右。
(3) 膨胀混凝土变形性能试验
从混凝土变形性能试验成果可以看出：
3.4.1 混凝土随着TEA膨胀剂掺量增大，膨胀量逐渐增大。
3.4.2 掺膨胀剂混凝土湿养后置于空气中混凝土会产生收缩，说明掺膨胀剂混凝土在混凝土浇筑完毕后应及时做好保湿保温养护，否则不能较好地发挥补偿收缩作用与膨胀效果。
4 冷却塔工程聚丙烯纤维混凝土性能试验研究
4.1 混凝土拌合物性能试验
4.1.1 聚丙烯纤维混凝土均匀性试验
为保证在混凝土搅拌过程中聚丙烯纤维均匀分散，因此做了聚丙烯纤维混凝土均匀性试验，采用搅拌机分别拌合2min、2.5min、3min从外观上目测判别是否有结团及与砂浆是否有不粘结现象，从试验过程中目测混凝土没有结团现象，与水泥砂浆间的粘结力较好，混凝土拌合2min以上纤维分散比较均匀。
4.1.2 坍落度损失试验
在混凝土试验过程中发现，由于掺入聚丙烯纤维后混凝土坍落度损失较快，为确定坍落度损失情况，进行了坍落度损失试验，测试方法：测定初始坍落度后把全部混凝土料装入铁桶，用塑料布密封，存放15min后将桶内物料倒入拌料板上，用铁锹翻拌两次，进行坍落度试验，得出坍落度保留值，再将全部混凝土料装入桶内，密封再存放30min和60min，得出坍落度保留值。
从试验成果分析，聚丙烯纤维混凝土坍落度损失较为严重，混凝土出机后经过15min坍落度损失达49%，不掺纤维混凝土（称空白）坍落度损失达40%，纤维混凝土后期坍落度损失率逐渐放缓，纤维混凝土比空白混凝土坍落度损失率大3%～5%。
4.1.4混凝土拌合物性能
从混凝土拌合物性能试验成果可以看出，混凝土和易性好，无泌水、保水性好，不易分离，含气量指标在4～6%之间，有利于混凝土抗冻性能。凝结时间试验结果表明：聚丙烯纤维混凝土与基准混凝土相比，凝结时间缩短40分钟左右能够满足施工要求。
4.2 混凝土力学性能及耐久性试验
针对上述试验成果，又对不掺聚丙烯纤维混凝土，和掺入聚丙烯纤维0.9㎏/m3混凝土进行了混凝土力学性能和耐久性指标比较试验，从试验成果可以看出：
4.2.1 由于改性聚丙烯异型抗裂纤维的掺入，混凝土抗压强度与不掺相比有一定提高（104%~108%），而抗渗性能有较明显提高。
4.2.2 聚丙烯纤维混凝土极限拉伸值分别为1.10×10-4、1.25×10-4、1.33×10-4，从成果中分析与不掺混凝土有一定提高。
4.2.3 混凝土试件在恒温20±2℃，恒温室内相对湿度60±5℃条件下，聚丙烯纤维混凝土干缩率小于不掺混凝土。
5 冷却塔工程膨胀混凝土参数的确定
对膨胀混凝土进行补偿收缩能力的设计，最主要是确定混凝土的限制膨胀率（ε），限制膨胀率的选定是以混凝土不出现裂缝，满足补偿收缩要求，使混凝土最终变形小于混凝土极限拉伸为判定标准。
其补偿收缩通式为：
|γ|=|ε-S2-ST|≤|SK|
式中：ε---混凝土的限制膨胀率（%）
S2 ---- 混凝土的限制干缩率（%）
ST---- 混凝土的冷缩率（%）
γ----混凝土补偿收缩后的最终变形（%）
SK---- 混凝土的极限拉伸值（%）
5.1 极限拉伸值SK的确定
实测补偿收缩混凝土极限拉伸值为1.25×10-4 ，考虑徐变可以缓解应力集中，一般实际混凝土极限拉伸值是实验室实测极限拉伸值的2倍，故可趋于安全地取为1.7倍，混凝土实际极限拉伸值应为2.12×10-4。
5.2 混凝土的冷缩率ST的确定
混凝土温差收缩取决于施工时段混凝土实际浇筑温度水化热温升和当地月平均最低温度。
即：混凝土温差ΔT=混凝土内部最高温度Tmax-年平均最低温度Tmin
式中：Tmax---混凝土月平均浇筑温度+水化热温升
Tmin---冷却塔工程工地月平均最低温度
冷却塔池壁工程混凝土8月～11月浇筑施工根据兰溪当地气象资料，8月～11月月平均最高温度37℃左右，年平均最低温度9℃。冷却塔池壁混凝土厚度较薄21㎝，散热条件较好，因此其水泥水化热温升不予考虑。（据有关资料，对于混凝土厚度小于1m的結构，混凝土温升可不考虑）。计算混凝土温差△T=37℃－9℃=28.0℃，混凝土线膨胀系数α=1×10-5，则ST=△T×α=28.0×１×10-5=2.8×10-4。
5.3 混凝土干缩率S2值的确定
干缩是由于混凝土中水分散失和环境湿度下降引起的。及时补充水份或增加环境湿度，则发挥补偿收缩的可逆特性，使混凝土由收缩转为微膨胀。结合试验实测的补偿收缩混凝土限制收缩的试验结果，以空气中42天龄期为基准，选定混凝土配合比7#干缩率为S2=2.685－0.99=1.695×10-4。
4、限制膨胀率ε的确定
根据补偿收缩通用公式计算得：
|γ|=|ε-S2-ST|≤|SK|
即：|ε-1.695×10-4-2.8×10-4|≤|2.12×10-4|
得：2.375×10-4≤ε≤6.615×10-4
混凝土实测限制膨胀率2.685×10-4，可满足混凝土补偿收缩的要求。
6 冷却塔工程混凝土配合比确定
综合上述混凝土试验成果，抗压强度超过配制强度3，抗渗大于设计值P6，抗冻达到设计F100，极限拉伸达1.12×10-4。混凝土限制膨胀率标准养护为2.685×10-4、2.884×10-4大于补偿收缩混凝土2.375×10-4设计要求。考虑到混凝土经济性、安全性，因此推荐配合比编号7#（卵石混凝土），9#（碎石混凝土）为兰溪发电厂冷却塔工程施工用混凝土配合比，配合比见表6-1，混凝土拌合物性能见表6-2。
表6-1 施工用混凝土配合比
表6-2 混凝土拌合物性能
7 结论
试验表明在混凝土中掺用膨胀剂和聚丙烯纤维可极大的提高混凝土的抗裂、抗渗性能。实践证明兰溪电厂冷却塔池壁未发现混凝土表面龟裂现象和贯穿裂缝，这说明在混凝土中掺用膨胀剂和聚丙烯纤维可以防止和减少塑性裂缝和早期干缩裂缝，对处于在塑性和硬化后的混凝土有明显的阻裂作用。膨胀剂和聚丙烯纤维在混凝土中的应用必将进一步提高我们对新工艺和新技术的理解和掌握，为防止混凝土裂缝的产生或减少裂缝提供了新思路和新办法。
关键词：混凝土配合比、聚丙烯纤维、膨胀剂、混凝土防裂
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
1 简介
为解决长期困扰火力发电厂冷却塔池壁在机组投产后产生裂缝渗水现象，本人提出了在冷却塔池壁混凝土掺加膨胀剂和聚丙烯纤维的解决方案。对掺加膨胀剂和聚丙烯纤维混凝土的物理力学性能、抗裂、抗渗、耐久等性能遵循《普通混凝土配合比设计规程》和《混凝土结构工程施工及验收规范》进行了系统的混凝土配合比试验，以下是试验结果、结论。
2 试验原材料
2.1 水泥
采用江山虎山普通硅酸盐42.5级，检验依据标准《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》，试验成果表明虎山普硅42.5水泥物、化性能指标均能满足质量标准要求。
2.2、集料
细集料为当地的天然河砂，粗集料两种，一种为当地的天然河卵石，另一种为人工轧制碎石，粒径5～40㎜。砂、石料性能检验依据《建筑用砂》和《建筑用碎﹑卵石》。经检验砂、石集料各项指标均满足品质指标要求。
2.3、外加剂
TEA膨胀剂和BLY引气减水剂由水电十二局科研所外加剂厂生产。TEA膨胀剂，检验依据标准《混凝土膨胀剂》，BLY引气减水剂检验依据标准《混凝土外加剂》。经检验，BLY引气减水剂、TEA膨胀剂均符合国标规定要求。
2.4、聚丙烯纤维
改性聚丙烯纤维为上海固芭工程材料有限公司生产，聚丙烯纤维符合GB/T3916—1997、Q/20182318—5.1—1999标准要求。
3 冷却塔工程混凝土配合比设计
3.1聚丙烯纤维和膨胀剂在混凝土中的作用
3.1.1聚丙烯纤维是一种新型复合材料，混凝土中加入聚丙烯纤维能在一定程度上改善混凝土脆性，利用聚丙烯纤维抗拉强度高的特点，承担混凝土中部分拉应力。利用均匀分布纤维将结构有害宽裂缝分散为均匀细微裂缝。
3.1.2 加膨胀剂后，利用在约束下的混凝土变形来补偿其部分收缩变形，抵消钢筋混凝土结构在收缩过程中产生的部分拉应力，使混凝土结构裂缝控制在少裂范围内，实践表明是一种防止和减少混凝土开裂有效方法之一。
3.2 混凝土设计强度等级
抗压C25； 抗渗P6；抗冻F100
3.3 抗裂纤维混凝土技术要求
坍落度100～130㎜； 聚丙烯纤维掺量0.9kg/m 3
根据《普通混凝土配合比设计规程》、《混凝土结构工程施工及验收规范》和混凝土设计要求，抗压强度保证率95%，混凝土强度标准差取为σ=5.0。混凝土配制强度为：fcu，k + 1.645σ=33.2Mpa
3.4 冷卻塔混凝土配合比试验
由于冷却塔工程混凝土为流动性混凝土，流动性混凝土特点坍落度较大，水泥用量相应增加，单位用水量增加使混凝土干缩收缩越大，产生裂缝的潜在危险较高。在混凝土中掺入适量的膨胀剂可以起到补偿收缩作用；掺入引气减水剂，可改善混凝土拌合物和易性，在降低单位用水量的同时减少水泥用量降低水化热，提高混凝土抗冻性能；并对其进行了不同TEA膨胀剂混凝土力学性能试验，以确定混凝土中掺入上述外加剂后混凝土力学性能，在混凝土中掺入0.9㎏/m3改性聚丙烯纤维，对掺聚丙烯纤维混凝土做了混凝土力学性能试验，从试验成果可以看出：
(1) 在掺入1.5%BLY引气减水剂和不同膨胀剂掺量条件下混凝土抗压强度基本不降低。
(2) 在保持相同坍落度的情况下，掺入聚丙烯纤维后混凝土较不掺时单位用水量有所提高，每立方混凝土用水量增加2～3㎏左右。
(3) 膨胀混凝土变形性能试验
从混凝土变形性能试验成果可以看出：
3.4.1 混凝土随着TEA膨胀剂掺量增大，膨胀量逐渐增大。
3.4.2 掺膨胀剂混凝土湿养后置于空气中混凝土会产生收缩，说明掺膨胀剂混凝土在混凝土浇筑完毕后应及时做好保湿保温养护，否则不能较好地发挥补偿收缩作用与膨胀效果。
4 冷却塔工程聚丙烯纤维混凝土性能试验研究
4.1 混凝土拌合物性能试验
4.1.1 聚丙烯纤维混凝土均匀性试验
为保证在混凝土搅拌过程中聚丙烯纤维均匀分散，因此做了聚丙烯纤维混凝土均匀性试验，采用搅拌机分别拌合2min、2.5min、3min从外观上目测判别是否有结团及与砂浆是否有不粘结现象，从试验过程中目测混凝土没有结团现象，与水泥砂浆间的粘结力较好，混凝土拌合2min以上纤维分散比较均匀。
4.1.2 坍落度损失试验
在混凝土试验过程中发现，由于掺入聚丙烯纤维后混凝土坍落度损失较快，为确定坍落度损失情况，进行了坍落度损失试验，测试方法：测定初始坍落度后把全部混凝土料装入铁桶，用塑料布密封，存放15min后将桶内物料倒入拌料板上，用铁锹翻拌两次，进行坍落度试验，得出坍落度保留值，再将全部混凝土料装入桶内，密封再存放30min和60min，得出坍落度保留值。
从试验成果分析，聚丙烯纤维混凝土坍落度损失较为严重，混凝土出机后经过15min坍落度损失达49%，不掺纤维混凝土（称空白）坍落度损失达40%，纤维混凝土后期坍落度损失率逐渐放缓，纤维混凝土比空白混凝土坍落度损失率大3%～5%。
4.1.4混凝土拌合物性能
从混凝土拌合物性能试验成果可以看出，混凝土和易性好，无泌水、保水性好，不易分离，含气量指标在4～6%之间，有利于混凝土抗冻性能。凝结时间试验结果表明：聚丙烯纤维混凝土与基准混凝土相比，凝结时间缩短40分钟左右能够满足施工要求。
4.2 混凝土力学性能及耐久性试验
针对上述试验成果，又对不掺聚丙烯纤维混凝土，和掺入聚丙烯纤维0.9㎏/m3混凝土进行了混凝土力学性能和耐久性指标比较试验，从试验成果可以看出：
4.2.1 由于改性聚丙烯异型抗裂纤维的掺入，混凝土抗压强度与不掺相比有一定提高（104%~108%），而抗渗性能有较明显提高。
4.2.2 聚丙烯纤维混凝土极限拉伸值分别为1.10×10-4、1.25×10-4、1.33×10-4，从成果中分析与不掺混凝土有一定提高。
4.2.3 混凝土试件在恒温20±2℃，恒温室内相对湿度60±5℃条件下，聚丙烯纤维混凝土干缩率小于不掺混凝土。
5 冷却塔工程膨胀混凝土参数的确定
对膨胀混凝土进行补偿收缩能力的设计，最主要是确定混凝土的限制膨胀率（ε），限制膨胀率的选定是以混凝土不出现裂缝，满足补偿收缩要求，使混凝土最终变形小于混凝土极限拉伸为判定标准。
其补偿收缩通式为：
|γ|=|ε-S2-ST|≤|SK|
式中：ε---混凝土的限制膨胀率（%）
S2 ---- 混凝土的限制干缩率（%）
ST---- 混凝土的冷缩率（%）
γ----混凝土补偿收缩后的最终变形（%）
SK---- 混凝土的极限拉伸值（%）
5.1 极限拉伸值SK的确定
实测补偿收缩混凝土极限拉伸值为1.25×10-4 ，考虑徐变可以缓解应力集中，一般实际混凝土极限拉伸值是实验室实测极限拉伸值的2倍，故可趋于安全地取为1.7倍，混凝土实际极限拉伸值应为2.12×10-4。
5.2 混凝土的冷缩率ST的确定
混凝土温差收缩取决于施工时段混凝土实际浇筑温度水化热温升和当地月平均最低温度。
即：混凝土温差ΔT=混凝土内部最高温度Tmax-年平均最低温度Tmin
式中：Tmax---混凝土月平均浇筑温度+水化热温升
Tmin---冷却塔工程工地月平均最低温度
冷却塔池壁工程混凝土8月～11月浇筑施工根据兰溪当地气象资料，8月～11月月平均最高温度37℃左右，年平均最低温度9℃。冷却塔池壁混凝土厚度较薄21㎝，散热条件较好，因此其水泥水化热温升不予考虑。（据有关资料，对于混凝土厚度小于1m的結构，混凝土温升可不考虑）。计算混凝土温差△T=37℃－9℃=28.0℃，混凝土线膨胀系数α=1×10-5，则ST=△T×α=28.0×１×10-5=2.8×10-4。
5.3 混凝土干缩率S2值的确定
干缩是由于混凝土中水分散失和环境湿度下降引起的。及时补充水份或增加环境湿度，则发挥补偿收缩的可逆特性，使混凝土由收缩转为微膨胀。结合试验实测的补偿收缩混凝土限制收缩的试验结果，以空气中42天龄期为基准，选定混凝土配合比7#干缩率为S2=2.685－0.99=1.695×10-4。
4、限制膨胀率ε的确定
根据补偿收缩通用公式计算得：
|γ|=|ε-S2-ST|≤|SK|
即：|ε-1.695×10-4-2.8×10-4|≤|2.12×10-4|
得：2.375×10-4≤ε≤6.615×10-4
混凝土实测限制膨胀率2.685×10-4，可满足混凝土补偿收缩的要求。
6 冷却塔工程混凝土配合比确定
综合上述混凝土试验成果，抗压强度超过配制强度3，抗渗大于设计值P6，抗冻达到设计F100，极限拉伸达1.12×10-4。混凝土限制膨胀率标准养护为2.685×10-4、2.884×10-4大于补偿收缩混凝土2.375×10-4设计要求。考虑到混凝土经济性、安全性，因此推荐配合比编号7#（卵石混凝土），9#（碎石混凝土）为兰溪发电厂冷却塔工程施工用混凝土配合比，配合比见表6-1，混凝土拌合物性能见表6-2。
表6-1 施工用混凝土配合比
表6-2 混凝土拌合物性能
7 结论
试验表明在混凝土中掺用膨胀剂和聚丙烯纤维可极大的提高混凝土的抗裂、抗渗性能。实践证明兰溪电厂冷却塔池壁未发现混凝土表面龟裂现象和贯穿裂缝，这说明在混凝土中掺用膨胀剂和聚丙烯纤维可以防止和减少塑性裂缝和早期干缩裂缝，对处于在塑性和硬化后的混凝土有明显的阻裂作用。膨胀剂和聚丙烯纤维在混凝土中的应用必将进一步提高我们对新工艺和新技术的理解和掌握，为防止混凝土裂缝的产生或减少裂缝提供了新思路和新办法。