PVA纖維在水工高拱壩混凝土中的應(yīng)用

李光偉，魯少林，鐘貽輝

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都610071)

水電站大壩混凝土的建設(shè)一般采用就地取材的工程措施，使得通過(guò)優(yōu)選混凝土的原材料來(lái)配制高性能的水工大壩混凝土存在一定的難度.混凝土專家吳中偉曾指出:“復(fù)合化是水泥基材料高性能化的主要途徑，纖維增強(qiáng)是其核心”［1］.由于聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，PVA)纖維本身具有較高的強(qiáng)度和彈性模量，與混凝土的彈性模量相匹配，可以有效抑制混凝土塑性裂縫的生成，改善混凝土的抗?jié)B、抗凍及耐磨性能，從而提高混凝土的耐久性［2－3］.

目前PVA纖維在水工混凝土中主要應(yīng)用于有抗沖耐磨要求的工程部位［4－5］，在大壩混凝土特別是高拱壩混凝土中應(yīng)用較少.筆者結(jié)合已建的錦屏一級(jí)水電站和溪洛渡水電站，開(kāi)展PVA纖維在高拱壩混凝土中應(yīng)用的試驗(yàn)研究.其中錦屏一級(jí)水電站裝機(jī)360萬(wàn)kW，混凝土雙曲拱壩高305 m，為世界第一高拱壩;溪洛渡水電站裝機(jī)1 365萬(wàn)kW，為國(guó)內(nèi)第二大水電站，混凝土雙曲拱壩高285.5 m.

1 PVA纖維對(duì)拱壩混凝土性能影響的試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

分別選用錦屏一級(jí)水電站和溪洛渡水電站的C18040拱壩混凝土摻PVA纖維進(jìn)行試驗(yàn)，研究PVA纖維對(duì)拱壩混凝土性能的影響.其中錦屏一級(jí)水電站拱壩混凝土摻加深圳市維特耐工程材料有限公司提供的PVA纖維，溪洛渡水電站拱壩混凝土摻加江蘇能力科技有限公司提供的PVA纖維，PVA纖維的摻量均為0.9 kg/m3.

錦屏一級(jí)水電站拱壩混凝土采用的中熱水泥28 d抗壓強(qiáng)度為48.1 MPa，比表面積為311 m2/kg;采用的Ⅰ級(jí)粉煤灰(體積摻量35%)細(xì)度為6.3%，需水量比為95%;所用粗骨料為當(dāng)?shù)氐纳皫r，密度為 2.74 kg/m3，吸水率為 0.76%;細(xì)骨料為當(dāng)?shù)氐拇罄韼r，密度為 2.68 kg/m3，吸水率為 1.0%.溪洛渡水電站拱壩混凝土采用的中熱水泥28 d抗壓強(qiáng)度為46.1 MPa，比表面積為312 m2/kg;采用的Ⅰ級(jí)粉煤灰(體積摻量35%)細(xì)度為5.0%，需水量比為92%;粗骨料為當(dāng)?shù)氐男鋷r，密度為2.95 kg/m3，吸水率為0.58%;細(xì)骨料為當(dāng)?shù)氐幕規(guī)r，密度為2.70 kg/m3，吸水率為0.90%.試驗(yàn)時(shí)為了保持混凝土的和易性一致，摻PVA纖維后適當(dāng)增加了混凝土減水劑的摻量，混凝土減水劑的質(zhì)量摻量由不摻纖維時(shí)的0.6%提高至0.9%.

1.2 摻PVA纖維對(duì)拱壩混凝土體積穩(wěn)定性的影響

硬化后的混凝土在非荷載作用下依然會(huì)產(chǎn)生變形，是因?yàn)榛炷羶?nèi)部水分的改變，水化反應(yīng)以及環(huán)境溫、濕度的變化導(dǎo)致混凝土的體積發(fā)生變化［6］.在變形受到限制的狀態(tài)下，混凝土?xí)a(chǎn)生裂縫，從而影響混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久性.因此減小混凝土體積變形，提高混凝土的體積穩(wěn)定性是解決水工大壩混凝土開(kāi)裂問(wèn)題的關(guān)鍵.

1.2.1 對(duì)拱壩混凝土自生體積變形的影響

摻PVA纖維對(duì)拱壩混凝土自生體積變形的影響如圖1所示.由圖可見(jiàn)，摻PVA纖維可以減少拱壩混凝土的自生體積收縮變形.其中溪洛渡水電站拱壩混凝土可以減少自生體積收縮變形約13～16 με，錦屏一級(jí)水電站拱壩混凝土可以減少自生體積收縮變形約7～10 με.

圖1 摻PVA纖維對(duì)拱壩混凝土自生體積變形的影響

1.2.2 對(duì)拱壩混凝土干縮變形的影響

摻PVA纖維對(duì)拱壩混凝土干縮變形的影響如圖2所示.由圖可見(jiàn)，摻PVA纖維可以減少拱壩混凝土的干縮變形.其中溪洛渡水電站拱壩混凝土180 d的干縮變形減少約為5%，錦屏一級(jí)水電站拱壩混凝土180 d干縮變形減少約為10%.

圖2 摻PVA纖維對(duì)拱壩混凝土干縮變形的影響

由摻PVA纖維對(duì)拱壩混凝土體積穩(wěn)定性的試驗(yàn)結(jié)果可以看出:在拱壩混凝土中摻入部分PVA纖維，可以減少拱壩混凝土的自生體積收縮變形和干縮變形，從而可以提高拱壩混凝土的體積穩(wěn)定性.

1.3 摻PVA纖維對(duì)拱壩混凝土抗裂性能的影響

1.3.1 對(duì)拱壩混凝土抗裂性能的影響

采用抗裂系數(shù)KI［7］綜合評(píng)價(jià)摻纖維對(duì)拱壩混凝土抗裂性能的影響，抗裂系數(shù)KI是混凝土的抗拉強(qiáng)度和極限拉伸值的乘積與干縮應(yīng)力的比值，即

KI越大表明混凝土的抗裂能力越強(qiáng).摻PVA纖維對(duì)拱壩混凝土抗裂性能的影響見(jiàn)表1.由表1可以看出:在拱壩混凝土中摻入0.9 kg/m3的PVA纖維可以提高拱壩混凝土的抗裂系數(shù)，從而提高拱壩混凝土的抗裂能力.

1.3.2 對(duì)拱壩混凝土力學(xué)性能的影響

摻PVA纖維對(duì)拱壩混凝土性能的影響見(jiàn)表2.

表1 摻PVA纖維對(duì)拱壩混凝土抗裂性能的影響

由表2可以看出:在拱壩混凝土中摻入0.9 kg/m3的PVA纖維后，混凝土的早期強(qiáng)度有所降低，導(dǎo)致纖維混凝土早期強(qiáng)度偏低的原因在于纖維混凝土的減水劑摻量較大.與不摻纖維混凝土相比，摻0.9 kg/m3的PVA纖維可以降低混凝土的彈性模量，錦屏一級(jí)水電站拱壩混凝土28 d彈性模量降低了15.9%，溪洛渡水電站拱壩混凝土28 d彈性模量降低了3.0%，相應(yīng)地減少了混凝土的彈強(qiáng)比.與不摻纖維混凝土相比，摻0.9 kg/m3的PVA纖維可以提高混凝土的極限拉伸值，錦屏一級(jí)水電站拱壩混凝土28 d極限拉伸值提高了12.1%，溪洛渡水電站拱壩混凝土28 d極限拉伸值提高了21.7%.

表2 摻PVA纖維對(duì)拱壩混凝土性能的影響

2 PVA纖維對(duì)混凝土抗裂性能影響機(jī)理分析

纖維混凝土的性能取決于纖維的性能、水泥混凝土基體的性能，以及纖維表面與混凝土的相互作用.纖維的性能取決于纖維的類型、尺寸、尺寸分布，以及纖維的強(qiáng)度和模量等一系列物理、化學(xué)指標(biāo).而纖維與混凝土的界面相互作用主要取決于纖維的化學(xué)性質(zhì)和外觀形狀及其在混凝土中的分散狀態(tài)［8］.

高彈性模量PVA纖維是一種新型高性能纖維，該纖維的特點(diǎn)是直徑小、數(shù)量多、纖維間距小，摻混工藝簡(jiǎn)單、易分散等.摻PVA纖維可以提高混凝土抗裂能力的機(jī)理主要有以下幾點(diǎn):①PVA纖維分子結(jié)構(gòu)式為(—CH2—CHOH—)n，其中—C—OH基團(tuán)可與水泥水化物中的—OH基團(tuán)形成牢固的氫橋，從而增進(jìn)了界面的致密性，加強(qiáng)了界面的黏結(jié)，擴(kuò)大了PVA纖維阻裂增強(qiáng)的界面效應(yīng)范圍［9］;②PVA纖維的表面粗糙，加上其不規(guī)則的表面形狀，使其與水泥基質(zhì)間具有良好的界面結(jié)合力及化學(xué)相容性，能較好地分散在水泥基質(zhì)中;③PVA纖維的彈性模量與混凝土彈性模量基本一致，這使得PVA纖維在混凝土受力斷裂時(shí)，能吸收很大的能量，也就是說(shuō)PVA纖維能承受更大能量的破壞荷載，從而增強(qiáng)了混凝土的韌性.

3 PVA纖維在水工高拱壩混凝土中的應(yīng)用

3.1 在錦屏一級(jí)水電站拱壩混凝土中的應(yīng)用

為降低錦屏一級(jí)水電站拱壩應(yīng)力集中部位混凝土產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險(xiǎn)，在室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)基礎(chǔ)上，自2009年12月20日起，在拱壩部分倉(cāng)位使用了摻PVA纖維的混凝土.摻纖維后，適當(dāng)降低摻纖維混凝土機(jī)口坍落度，減水劑質(zhì)量摻量由0.6%增加到0.9%.摻纖維C18040拱壩混凝土性能抽檢結(jié)果見(jiàn)表3.由表3可以看出:在拱壩混凝土中摻入0.9 kg/m3的PVA纖維，在保持拱壩混凝土強(qiáng)度性能不變的條件下，可以降低拱壩混凝土的彈性模量，提高拱壩混凝土的極限拉伸值.

表3 錦屏一級(jí)水電站拱壩混凝土力學(xué)性能抽檢結(jié)果

摻纖維C18040拱壩混凝土干縮變形抽檢結(jié)果見(jiàn)表4，由表 4可以看出:在拱壩混凝土中摻入0.9 kg/m3的PVA纖維，可以減少拱壩混凝土的干縮變形.

表4 錦屏一級(jí)水電站拱壩混凝土干縮性能抽檢結(jié)果

3.2 在溪洛渡水電站拱壩混凝土中的應(yīng)用

為了提高拱壩混凝土的抗裂能力，在室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性施工工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，溪洛渡水電站自2009年9月開(kāi)始在拱壩中間歇期超過(guò)14 d的倉(cāng)面以及結(jié)構(gòu)敏感部位等使用摻PVA纖維混凝土.摻纖維后，適當(dāng)提高摻纖維混凝土的用水量，減水劑質(zhì)量摻量由0.6%增加到0.7%.

摻纖維C18040拱壩混凝土性能抽檢結(jié)果見(jiàn)表5.由表5可以看出:在拱壩混凝土中摻入0.9 kg/m3的PVA纖維，可以提高拱壩混凝土180 d的強(qiáng)度性能，其中抗壓強(qiáng)度提高了6.9%，劈拉強(qiáng)度提高了7.9%.同時(shí)可以提高混凝土的極限拉伸值.

摻纖維C18040拱壩混凝土自生體積變形抽檢結(jié)果如圖3所示.由圖3可以看出:在拱壩混凝土中摻入0.9 kg/m3的PVA纖維，可以減少拱壩混凝土的自生體積收縮變形，減少拱壩混凝土1 a齡期的50%左右自生體積收縮變形.

表5 溪洛渡水電站拱壩混凝土力學(xué)性能抽檢結(jié)果

圖3 C18040拱壩混凝土自生體積變形抽檢結(jié)果

在錦屏一級(jí)水電站和溪洛渡水電站高拱壩混凝土中應(yīng)用PVA纖維的工程實(shí)踐表明:在高拱壩混凝土中摻入0.9 kg/m3的PVA纖維，可以有效降低拱壩混凝土的彈性模量，提高拱壩混凝土的極限拉伸值，減少拱壩混凝土的收縮變形，提高拱壩混凝土的抗裂性能.

4 結(jié)語(yǔ)

采用纖維材料可以很好地提高水工混凝土的抗裂能力，PVA纖維是一種高強(qiáng)高彈模的合成纖維，與混凝土中的水泥漿體黏結(jié)力強(qiáng)，能夠有效提高混凝土的極限拉伸，減少混凝土的收縮變形.試驗(yàn)研究及工程實(shí)踐結(jié)果表明:在高拱壩混凝土中摻入部分PVA纖維可以有效提高高拱壩混凝土的體積穩(wěn)定性，提高高拱壩混凝土的抗裂能力，從而提高高拱壩混凝土的耐久壽命.

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