李光偉，魯少林，鐘貽輝

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，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，使得通過優(yōu)選混凝土的原材料來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:“復合化是水泥基材料高性能化的主要途徑，纖維增強是其核心”［1］.由于聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，PVA)纖維本身具有較高的強度和彈性模量，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)合已建的錦屏一級水電站和溪洛渡水電站，開展PVA纖維在高拱壩混凝土中應(yīng)用的試驗研究.其中錦屏一級水電站裝機360萬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1 365萬kW，為國內(nèi)第二大水電站，混凝土雙曲拱壩高285.5 m.

1 PVA纖維對拱壩混凝土性能影響的試驗

1.1 試驗條件

分別選用錦屏一級水電站和溪洛渡水電站的C18040拱壩混凝土摻PVA纖維進行試驗，研究PVA纖維對拱壩混凝土性能的影響.其中錦屏一級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.

錦屏一級水電站拱壩混凝土采用的中熱水泥28 d抗壓強度為48.1 MPa，比表面積為311 m2/kg;采用的Ⅰ級粉煤灰(體積摻量35%)細度為6.3%，需水量比為95%;所用粗骨料為當?shù)氐纳皫r，密度為 2.74 kg/m3，吸水率為 0.76%;細骨料為當?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抗壓強度為46.1 MPa，比表面積為312 m2/kg;采用的Ⅰ級粉煤灰(體積摻量35%)細度為5.0%，需水量比為92%;粗骨料為當?shù)氐男鋷r，密度為2.95 kg/m3，吸水率為0.58%;細骨料為當?shù)氐幕規(guī)r，密度為2.70 kg/m3，吸水率為0.90%.試驗時為了保持混凝土的和易性一致，摻PVA纖維后適當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的0.6%提高至0.9%.

1.2 摻PVA纖維對拱壩混凝土體積穩(wěn)定性的影響

硬化后的混凝土在非荷載作用下依然會產(chǎn)生變形，是因為混凝土內(nèi)部水分的改變，水化反應(yīng)以及環(huán)境溫、濕度的變化導致混凝土的體積發(fā)生變化［6］.在變形受到限制的狀態(tài)下，混凝土會產(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裂問題的關(guān)鍵.

1.2.1 對拱壩混凝土自生體積變形的影響

摻PVA纖維對拱壩混凝土自生體積變形的影響如圖1所示.由圖可見，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纖維對拱壩混凝土自生體積變形的影響

1.2.2 對拱壩混凝土干縮變形的影響

摻PVA纖維對拱壩混凝土干縮變形的影響如圖2所示.由圖可見，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纖維對拱壩混凝土干縮變形的影響

由摻PVA纖維對拱壩混凝土體積穩(wěn)定性的試驗結(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纖維對拱壩混凝土抗裂性能的影響

1.3.1 對拱壩混凝土抗裂性能的影響

采用抗裂系數(shù)KI［7］綜合評價摻纖維對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.摻PVA纖維對拱壩混凝土抗裂性能的影響見表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 對拱壩混凝土力學性能的影響

摻PVA纖維對拱壩混凝土性能的影響見表2.

表1 摻PVA纖維對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，混凝土的早期強度有所降低，導致纖維混凝土早期強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纖維對拱壩混凝土性能的影響

2 PVA纖維對混凝土抗裂性能影響機理分析

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，以及纖維的強度和模量等一系列物理、化學指標.而纖維與混凝土的界面相互作用主要取決于纖維的化學性質(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，該纖維的特點是直徑小、數(shù)量多、纖維間距小，摻混工藝簡單、易分散等.摻PVA纖維可以提高混凝土抗裂能力的機理主要有以下幾點:①PVA纖維分子結(jié)構(gòu)式為(—CH2—CHOH—)n，其中—C—OH基團可與水泥水化物中的—OH基團形成牢固的氫橋，從而增進了界面的致密性，加強了界面的黏結(jié)，擴大了PVA纖維阻裂增強的界面效應(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，能吸收很大的能量，也就是說PVA纖維能承受更大能量的破壞荷載，從而增強了混凝土的韌性.

3 PVA纖維在水工高拱壩混凝土中的應(yīng)用

3.1 在錦屏一級水電站拱壩混凝土中的應(yīng)用

為降低錦屏一級水電站拱壩應(yīng)力集中部位混凝土產(chǎn)生裂縫的風險，在室內(nèi)試驗和現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗基礎(chǔ)上，自2009年12月20日起，在拱壩部分倉位使用了摻PVA纖維的混凝土.摻纖維后，適當降低摻纖維混凝土機口坍落度，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 錦屏一級水電站拱壩混凝土力學性能抽檢結(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)試驗和現(xiàn)場生產(chǎn)性施工工藝試驗的基礎(chǔ)上，溪洛渡水電站自2009年9月開始在拱壩中間歇期超過14 d的倉面以及結(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的強度性能，其中抗壓強度提高了6.9%，劈拉強度提高了7.9%.同時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

采用纖維材料可以很好地提高水工混凝土的抗裂能力，PVA纖維是一種高強高彈模的合成纖維，與混凝土中的水泥漿體黏結(jié)力強，能夠有效提高混凝土的極限拉伸，減少混凝土的收縮變形.試驗研究及工程實踐結(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.

［1］吳中偉.纖維增強——水泥基材料的未來［J］.混凝土與水泥制品，1999(1):5－6.

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［3］沈榮熹，王璋水，崔玉忠.纖維增強水泥與纖維增強混凝土［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2006.

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［5］劉戀，曹凱，王華.溪洛渡水電站泄洪洞混凝土抗沖耐磨試驗研究［J］.水電站設(shè)計，2012(1):65 －67，93.

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［8］徐建軍，葉光斗，李守群.用于混凝土增強的化學纖維［J］.紡織科技進展，2006(2):12 －13，19.

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