土工合成材料的气候环境影响问题??

      土工合成材料的气候环境影响问题解答:随着土工合成材料应用技术的推广和普及,各种新的土工合成材料及其应用技术不断涌现,提高了水利工程的技术含量和工程质量。由于我国大多数地区应用土工合成材料时间较短,水利行内很多人对一些新的土工合成材料较陌生,所以在北方寒冷地区应用一些新的土工合成材料时,发现了一些特殊的问题。 

    一、低温条件下丙纶机织模袋混凝土造成的工程隐患
    国内大量应用的模袋基本采用廉价的丙纶强力丝织成,强度和耐酸碱性较好。近几年,在东北地区已铺设了数十万平方米的这种机织模袋。经实地调查黑龙江省的肇源县松干堤防工程永利乡机织模袋护坡工程、阿城市嫩江堤防三家子机织模袋护坡工程、吉林省的大安市嫩江堤防二;二道岗子机织模袋护坡工程、松花江堤防下六家子机织模袋护坡工程等,发现模袋老化及由此产生的问题十分严重。主要表现为:
    (一)模袋布(包括“抗老化”,模袋布)老化问题严重。
    很多工程建成仅一年多时间,丙纶机织模袋布便老化殆尽。大部分混凝土表面已完全裸露,模袋布起毛或成絮状,破碎的模袋布可象撕纸一样地被撕开,破烂不堪,令触目惊,有的模袋看似犹在,但已经成了附在混凝土表面上的一层白粉。从布片变薄、泛黄、脆化情况分析,是较典型的分子量降低、分子链断裂老化现象。涤、丙纶混纺模袋布的老化方式虽不是短时间内粉化,但经过2~3年后,从模袋凸起处开始,丙纶线首先粉化,涤纶残存,然后破损逐渐扩展,变得“衣衫褴褛”。
黑龙江省水科院张滨同志认为:造成东北地区机织模袋老化破环严重的原因,是低温加速了模袋老化。他在做几个厂家模袋布的加速光氧老化实验时,没有发现大的差别,同样的模袋布在南方各省应用时,老化速度也并不很快,但在吉林、黑龙江两省模袋在寒冷条件下的老化速度如此之快是出乎意料的。 
经分析研究,我们认为:丙纶强力丝机织模袋自身固有的弱点,造成了模袋冻脆加速老化现象。聚丙烯的工作温度一般要求为-25℃以上,其脆化温度为-35~-45℃。低于工作温度时,聚丙烯分子链开始产生收缩和脆化,加速模袋布的老化进程。 
同理,很多厂商为节省成本,单独采用廉价的丙纶纤维制作无纺布,同样也存在丙纶无纺布因冻脆而出现性能降低的可能性,宜给予重视。
    (二)模袋混凝土出现无约束扩展裂纹,形成工程隐患
在连年的基础冻涨作用下,由于机织模袋内部没有钢筋产生约束应力,所以模袋混凝土在堤脚附近护砌面自下而上出现不断扩展裂纹,裂纹宽度逐年在扩展。更令人担忧的是,模袋混凝土下面没有反滤层,护砌面上日益扩大的裂纹受风浪淘刷时,给堤坝形成安全隐患。
    2000年8月,中国水利学会施工专业委员会副主任委员葛文辉同志到黑龙江省实地调研后曾明确指出:在东北地区不宜使用机织模袋。
    我们曾多次在有关学术会上提出:在北方寒冷地区,不宜使用机织模袋。除寒冷加剧了丙纶模袋布老化外,其原因有:
1.模袋仅是作为堤防护砌混凝土的成型用模具,聚丙烯纤维的弹性模量仅相当于混凝土的1/50~1/30左右,所谓高强度的丙纶纤维可起到钢筋作用一说属常识性错误:低弹性模量的丙纶模袋布不会象钢筋一样能及时产生约束应力来有效防止模袋混凝土护砌面裂纹的扩展,不应当将模袋作为护砌工程的永久或半永久组成之一;
2.有关机织模袋混凝土上的模袋布能起到反滤作用的说法亦是一种常识性的错误,因为反滤的对象是模袋下的被保护土而不是水泥浆,况且模袋布的孔径已经被水泥浆淤堵。 
3.机织模袋混凝土在北方地区没有经历过大的洪水验证,随着裂纹的持续扩展,在洪水的作用下,将产生淘刷破坏; 
    4.大面积灌注成型的机织模袋混凝土整体刚性强,当裂纹下出现淘空现象时,无法被及时发现,发现后又难以修复; 
    5.关于泵送混凝土时的压力可使机织模袋混凝土强度提高一说同样是常识性错误。高流动性混凝土是不会被“压实”的,混凝土泵仅起到输送作用。 
    6.机织模袋不仅价格昂贵,而且灌制模袋混凝土需价值数十万元的专门机械,常常易受北方地区施工期短的制约。 
    鉴于上述原因及已经发生的问题,在2002年10月,吉林省水利厅已经明确要求:在吉林省堤坝工程中,停止使用机织模袋。 
    吉林省在近年的堤坝工程中,大量使用了编织布模袋(早期曾被称为“简易模袋”)。编织模袋本身仅作为一次性成型模具,在混凝土初凝后即完成使命。编织模袋混凝土内设钢筋,下面铺设无纺布反滤层,其抗压强度可达到20Mpa,有较好的整体稳定性、抗基础不均匀沉陷能力和良好的保土性。编织模袋在吉林省已有20多年成功应用的历史,使用面积已达200万平方米,占全国各类袋使用面积的45%以上,经历过3次大洪水特别是98’嫩江特大洪水考验而无恙。这种模袋于2002年获得国家发明专利。已实现了工厂化生产,已彻底改变了“简易”的形象,造型美观程度优于机织模袋,施工便利,单位面积模袋混凝土造价较机织模袋约省30%。
    二、纺粘法长丝无纺土工布力学性能大幅度降低 
    纺粘法长丝无纺布于一九九九年在北方季节性寒冷地区开始推广应用。在饱和冻融循环条件下,由于冰对纤维层间的涨裂作用,纺粘长丝无纺布韵各项力学指标受到较大影响。我单位曾委托吉林省水利科学研究所(吉林省水利水电工程质量检测中心)进行了纺粘法长丝无纺布在饱和冻融循环条件下的几项主要强度指标试验,结果见下表:

次数抗拉强度(N/50mm)撕裂强度(N/50mm)伸长率(%)
经向纬向经向纬向经向纬向
012536126154607486
19085885804507082
27644905484207078
36784864904087486
45694684683848090
54804004003468292
64563683842988496
74423003302768498
840028230825683100
937826029024290108
1026425027824090110
1125024824222096114
12242240230208100118
降幅 %-80.69-60.78-62.60-54.78??

  根据上述实验结果,我们认为:纺粘法工艺制成的长丝无纺布不宜在有冻融作用的地区使用。

  三、改性聚丙烯纤维混凝土的气候环境影响问题

  1998年,吉林省水利实业公司率先在水利工程中研究并应用了改性聚丙烯纤维混凝土,并于2002年受水利部有关单位委托,完成了新型土工合成材料“改性聚丙烯纤维及改性聚丙烯纤维混凝土研究”的课题。

  改性聚丙烯纤维加入到混凝土中后,可改善混凝土某些韧性指标,提高混凝土耐久性能。近年来,国内对这种材料研究、应用较多。但改性聚丙烯纤维混凝土不是无所不能的,既有其优点,也有其短处,特别是在水工混凝土应用中,更有其特殊性。

  改性聚丙烯纤维的耐候性、时效性是非常重要的。目前国内外有关改性聚丙烯纤维混凝土研究文章中,除笔者于2001年撰文提出纤维的耐候性问题外,尚未见相关内容。

  冻脆老化问题。改性聚丙烯纤维的工作温度、冻脆温度与普通丙纶纤维无本质区别。经常处于低温工作区间时,改性聚丙烯纤维的分子链也将发生断裂,使改性聚丙烯纤维丧失原有功能。水工混凝土绝大部分裸露于野外,受环境、气候影响极大。笼统地说在北方寒冷地区水利工程中,使用改性聚丙烯纤维混凝土可大大提高混凝土的综合性能一说值得商榷。

  热氧老化问题。室外阳光下的混凝土表面温度在45~60℃左右,会加快表层混凝土内改性聚丙烯纤维的热氧老化速度,使其很快丧失原有功能。浙江白溪水库在应用改性聚丙烯纤维混凝土时,曾做过紫外线照射30天、黑板温度为60℃、厚度分别为30mm和50mm的混凝土板后改性聚丙烯纤维的耐紫外线老化实验,证明50mm的混凝土板后纤维的老化速度迟于30mm混凝土板。虽然这种耐紫外线实验方法令人质疑,但却证明了在温度为60℃时,存在纤维热老化现象,且老化速度与混凝土厚度成反比。

  我们认为:改性聚丙烯纤维在水工混凝土中存在着时效性问题。在室外温度变化较大的应用环境下,水工混凝土中的改性聚丙烯纤维对工混凝土综合性能的改善只是出现在混凝土初凝后的一定时间内。改性聚丙烯纤维在未受冻脆、热老化影响前,可减少或抑制水工混凝土在荷载、温度作用下产生的内部缺陷,改善某些性能,提高混凝土耐久性。但在改性聚丙烯纤维冻脆、热氧老化后,其作用将逐渐丧失。根据改性聚丙烯纤维混凝土在室内初期表现出的特性来推断改性聚丙烯纤维混凝土的各项性能,甚至盲目地减少混凝土护砌厚度、减少钢筋及水泥用量,其结论都是值得商榷的。其他咨询联系泰安市程源排水工程材料有限责任公司赵经理135.6380.2394.


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