PVA纖維混凝土在幾內(nèi)亞蘇阿皮蒂大壩中的應(yīng)用

劉 彬，張如軍，居志鋒，田雨浩

(中國水利電力對外有限公司，北京 100120)

1 工程概況

蘇阿皮蒂水利樞紐地處非洲西部的幾內(nèi)亞共和國，該地區(qū)氣候?qū)贌釒Р菰瓪夂?，每?月～10月為雨季，降雨量占全年的90%，11月～次年4月為旱季。壩址區(qū)年平均氣溫為25.4 ℃，多年平均相對濕度為73.5%，月平均氣溫在23～28 ℃之間。日平均氣溫在20～31 ℃之間，日高溫時段在13∶00～17∶00之間，低溫時段在4∶00～6∶00之間，且高溫、低溫持續(xù)時間短。

蘇阿皮蒂大壩為碾壓混凝土重力壩，大壩壩頂高程215.5 m，最大壩高120 m，壩體長1 164 m。大壩正常蓄水位210 m，對應(yīng)庫容63.17億m3，設(shè)計洪水位213.11 m。大壩采用兩期導流施工，一期導流采用導流明渠過水，二期導流采用導流底孔過水。蘇阿皮蒂大壩共布置4孔導流底孔，分別為2孔低位導流底孔及2孔高位導流底孔。底孔長度分別為81.06、70.41 m，寬度和高度分別為8、10 m，均采用C30普通常態(tài)混凝土澆筑。導流底孔最大過流流速為10 m/s。

蘇阿皮蒂大壩永久泄水建筑物為無閘控制的開敞式溢流壩及2孔泄流底孔。溢流堰總長173.55 m，單個壩段長18～24 m不等。溢流堰堰頂高程210 m，護坦高程109 m，堰頂與護坦通過壩后消能臺階連接，且其左右兩端各設(shè)置一處導墻。溢流臺階尺寸為寬0.64 m，高0.9 m，混凝土設(shè)計強度C30。泄流底孔進口尺寸為5×6 m(寬×高)，流道總長99.27 m，混凝土設(shè)計強度C9040，最大流速35 m/s。

2 PVA纖維混凝土應(yīng)用背景

在對蘇阿皮蒂大壩已達28 d齡期的4孔導流底孔外觀質(zhì)量檢查時，共發(fā)現(xiàn)寬0.1～2 mm、長10～18 m、深3～5 cm的裂縫32條。裂縫走向垂直于導流底孔軸線，裂縫分布規(guī)律性較強，導流底孔中部相對集中，裂縫間距較小，底孔兩端裂縫間距相對偏大。經(jīng)分析，該部位的長寬比較大，混凝土澆筑過程中采用上下游通倉一次澆筑成型，未分塊澆筑。加之采用C30普通常態(tài)混凝土，混凝土的結(jié)構(gòu)應(yīng)力及水化熱溫升較高，因而引起多條混凝土裂縫產(chǎn)生。由于該部位為臨時導水建筑物，導流結(jié)束后采用混凝土進行封堵，在進行封堵前，均對裂縫進行鑿除處理，消除了混凝土質(zhì)量缺陷。

泄流底孔結(jié)構(gòu)形式與導流底孔形式類似，且長寬比更大，混凝土強度等級更高，水化熱溫升也將更大。同時該部位流道最大水流為35 m/s，其對混凝土質(zhì)量的要求也更高。因此必須采取措施以減少流道表面裂縫的產(chǎn)生，避免因高速水流對流道面裂縫沖刷造成沖蝕破壞。

表1 TY-PVA纖維相關(guān)參數(shù)

表2 不同PVA纖維摻量混凝土配合比參數(shù)及出機口性能試驗結(jié)果

表3 不同PVA纖維摻量混凝土力學性能及彈性模量試驗結(jié)果

溢流壩段的溢流面為矩形臺階形式，易形成應(yīng)力集中，同時該部位也將承受高速水流。其與泄流底孔流道一樣，必須采取措施減少混凝土裂縫產(chǎn)生。

因此，蘇阿皮蒂大壩擬借鑒溪洛渡水電站摻PVA纖維混凝土對混凝土裂縫防治的應(yīng)用經(jīng)驗及其他相關(guān)研究成果[1-5]，對泄流底孔流道和溢流臺階采用摻加PVA纖維混凝土進行施工。

3 限裂材料選擇及PVA摻量研究

3.1 限裂材料選擇

一般混凝土提高其抗拉強度，均在混凝土中添加纖維或使用PVH等材料，本工程選擇常州天怡工程纖維有限公司生產(chǎn)的TY-PVA型纖維進行相關(guān)研究，纖維相關(guān)參數(shù)見表1。

中國企業(yè)研發(fā)投入過去10年增長迅速，2016年達到618億歐元，同比增長18.8%，雖然較2015年的24.7%有所回落，但增速依然全球第一。美國和歐盟企業(yè)研發(fā)投入繼續(xù)顯著增長，增速分別為7.2%和7%，已接近2008年金融危機前的水平，日本企業(yè)研發(fā)投入則出現(xiàn)3%的負增長。

3.2 PVA纖維摻量對混凝土性能影響試驗

試驗所用水泥為幾內(nèi)亞Ciment de Guinee生產(chǎn)的CDG CEMI42.5硅酸鹽水泥，粉煤灰為中國萊州I級粉煤灰，外加劑采用ZB-1A緩凝高效減水劑及ZB-1G引氣劑聯(lián)摻，砂石骨料為輝綠巖人工砂石骨料，以上原材料檢測結(jié)果均滿足中國相應(yīng)規(guī)范要求。

試驗參考哈爾濱工業(yè)大學王衍碩士畢業(yè)論文中PVA纖維摻量[6]分別配制PVA纖維摻量(膠凝材料質(zhì)量比)為0、0.2%、0.5%、1%、1.5%、2%等6種混凝土，采用0.4的固定水膠比，25%(膠凝材料質(zhì)量比)的固定粉煤灰摻量。在水灰比不變的條件下，適當調(diào)整混凝土單位用水量及引氣劑用量，控制混凝土塌落度50～70 mm、含氣量3.0%～5.0%。檢測混凝土7、28 d抗壓及抗拉強度、28 d抗彎強度及彈性模量。各PVA纖維摻量試驗配合比及試驗結(jié)果見表2、3。

從表2、3可以看出：

(1)當PVA纖維摻量在0.5%時，混凝土抗壓強度最高。較未添加PVA纖維混凝土，7、28 d抗壓強度分別提高1.3%、2.2%。當PVA纖維摻量超過0.5%后，混凝土抗壓強度逐漸減小，但降低幅度較小，與PVA纖維在混凝土中分散不均勻有關(guān)。

(2)當PVA纖維摻量在0.5%時，混凝土劈裂抗拉強度最高。較未添加PVA纖維混凝土，7、28 d劈裂抗拉強度提高4.7%、3.0%。當PVA纖維摻量大于0.5%時，混凝土劈裂抗拉強度逐漸減小。劈裂后，隨著纖維摻量增加，混凝土斷裂面處纖維連接越緊密。試件斷裂發(fā)展越緩慢。

(3)混凝土摻入纖維后，混凝土抗彎強度顯著提高，當纖維摻量為1%時混凝土抗彎強度最高。摻量為1.5%、2%時，混凝土抗彎強度有降低趨勢?；炷翉椥阅Ａ侩S纖維的加入逐漸增大，當纖維摻量為1%時達到最高，而后隨著摻量的增加逐漸降低。

(4)混凝土單位用水量隨PVA纖維摻量增加而增大，混凝土膠凝材料隨之增加，拌和物的粘聚性增大，PVA纖維分散能力降低。當纖維摻量為1%時，拌和物比較黏稠，坍落度筒不易提起。

3.3 PVA纖維混凝土施工配合比試驗

3.3.1混凝土設(shè)計參數(shù)

表4 混凝土設(shè)計參數(shù)

3.3.2PVA纖維混凝土施工配合比試驗

對不同PVA纖維摻量在混凝土試驗中發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有混凝土拌和設(shè)備的情況下，當摻量達到0.5%時，混凝土抗壓、抗拉強度均明顯增加并達到最大值；隨PVA纖維摻量的增加，混凝土各方面力學性能均呈下降趨勢，甚至低于不摻加PVA纖維的混凝土性能。

從室內(nèi)試拌效果及抗壓、劈裂試件斷面看，PVA纖維摻量在0.5%時就出現(xiàn)分散不均勻現(xiàn)象，隨著摻量的增加纖維集束現(xiàn)象越來越嚴重。當摻量為1%時試塊斷面纖維集束現(xiàn)象明顯。再次試拌，觀察PVA纖維在混凝土中分散情況，當摻量為0.3%時PVA纖維分散均勻性達到極限，當摻量再次提高，纖維集束現(xiàn)象出現(xiàn)。根據(jù)試拌結(jié)果確定施工配合比PVA纖維最佳摻量為0.3%，為準確計量，PVA纖維摻量以1kg/m3進行混凝土配合比試驗。并選擇0.40水膠比二級配混凝土摻纖維與不摻纖維進行對比，試驗結(jié)果見表5。

表5 PVA纖維混凝土強度試驗結(jié)果

從表5可知，摻PVA纖維混凝土比不摻PVA纖維混凝土劈裂抗拉強度提高20%左右，抗壓強度提高7%左右，有利于混凝土抗裂。

3.3.3PVA纖維混凝土施工配合比

根據(jù)試拌結(jié)果，摻入1.0 kg/m3的PVA纖維，混凝土抗壓強度滿足配合比配制強度，混凝土抗拉強度較不摻PVA纖維明顯提高。確定PVA纖維混凝土施工配合見表6。

表6 PVA纖維混凝土施工配合比(70～90 mm)

4 PVA纖維混凝土應(yīng)用

4.1 PVA纖維混凝土材料及拌和要求

(1)PVA纖維混凝土原材料要求?？刂迫斯ど笆酆俊?3%±2%，其他材料須滿足相應(yīng)的規(guī)范和標準要求，衡量精度滿足規(guī)范SL 677—2014《水工混凝土施工規(guī)范》要求。

(2)混凝土拌和材料投料順序及拌和時間要求。投料、拌和順序為砂石骨料、膠凝材料干拌15 s后，均勻撒入PVA纖維干拌至30 s。而后，加入水、外加劑溶液攪拌60 s，整個拌和過程控制在90 s。

4.2 PVA纖維混凝土運輸、入倉控制

(1)PVA纖維混凝土宜用自卸車運輸，混凝土運輸車輛頂部加裝遮陽蓬，盡量避免采用攪拌罐運輸，以免低速攪拌造成PVA纖維絞結(jié)成團。

(2)PVA纖維混凝土入倉宜采用吊罐，盡量減少倒運次數(shù)。采用溜槽、溜筒等入倉時，要設(shè)緩降措施，盡量避免混凝土分離。

4.3 PVA纖維混凝土澆筑及養(yǎng)護

(1)對泄流底孔流道這種長寬比過大部位采用分塊澆筑，降低其結(jié)構(gòu)對混凝土的不利影響，減小混凝土裂縫因結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生的風險。

(2)混凝土澆筑過程中要求保濕覆蓋，高溫時段倉面采取噴霧措施，形成人造小環(huán)境。

(3)混凝土入倉后及時平倉振搗，泄流底孔流道已完成澆筑面采取保溫被覆蓋保濕防曬措施，防止溫度倒灌。

(3)控制收面時間，在混凝土初凝30 min前開始抹面。

(4)泄流底孔流道PVA纖維混凝土終凝后采用表面保溫被覆蓋加長流水保濕燜溫養(yǎng)護，溢流臺階PVA纖維混凝土采用長流水養(yǎng)護，養(yǎng)護時間持續(xù)90 d。

4.4 PVA纖維混凝土溫度控制

控制混凝土出機口溫度≤17 ℃，入倉溫度≤20 ℃，澆筑溫度≤25 ℃。泄流底孔流道采用蓄熱養(yǎng)護，混凝土內(nèi)外溫差在12 ℃左右。

5 結(jié) 語

蘇阿皮蒂水電站項目泄流底孔流道混凝土澆筑完成已超過210 d，對已完成的流道底板、邊墻混凝土外觀檢查，僅發(fā)現(xiàn)2處寬0.1 mm、長分別為0.30、0.43 m的淺表裂縫，未發(fā)現(xiàn)深層裂縫，這對于總長為99.27 m的流道來說是很成功的。溢流壩段下部高程120 m以下臺階混凝土澆筑完成亦以超過180 d。在對臺階混凝土進行檢查發(fā)現(xiàn)靠近左、右導墻溢流臺階位置各發(fā)現(xiàn)2條縫，寬為0.1 mm，走向沿臺階高度向上延伸的淺表裂縫。后續(xù)施工已對這些淺表裂縫進行了環(huán)氧砂漿封閉處理。

工程實踐表明，在海外工程施工過程中，在流道部位強度等級較高的混凝土摻加PVA纖維并配合其他澆筑、養(yǎng)護措施以減小混凝土裂縫發(fā)生，完全可行并易實施。