PVA纤维在水工高拱坝混凝土中的应用

李光伟，鲁少林，钟贻辉

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都610071)

水电站大坝混凝土的建设一般采用就地取材的工程措施，使得通过优选混凝土的原材料来配制高性能的水工大坝混凝土存在一定的难度.混凝土专家吴中伟曾指出:“复合化是水泥基材料高性能化的主要途径，纤维增强是其核心”［1］.由于聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，PVA)纤维本身具有较高的强度和弹性模量，与混凝土的弹性模量相匹配，可以有效抑制混凝土塑性裂缝的生成，改善混凝土的抗渗、抗冻及耐磨性能，从而提高混凝土的耐久性［2－3］.

目前PVA纤维在水工混凝土中主要应用于有抗冲耐磨要求的工程部位［4－5］，在大坝混凝土特别是高拱坝混凝土中应用较少.笔者结合已建的锦屏一级水电站和溪洛渡水电站，开展PVA纤维在高拱坝混凝土中应用的试验研究.其中锦屏一级水电站装机360万kW，混凝土双曲拱坝高305 m，为世界第一高拱坝;溪洛渡水电站装机1 365万kW，为国内第二大水电站，混凝土双曲拱坝高285.5 m.

1 PVA纤维对拱坝混凝土性能影响的试验

1.1 试验条件

分别选用锦屏一级水电站和溪洛渡水电站的C18040拱坝混凝土掺PVA纤维进行试验，研究PVA纤维对拱坝混凝土性能的影响.其中锦屏一级水电站拱坝混凝土掺加深圳市维特耐工程材料有限公司提供的PVA纤维，溪洛渡水电站拱坝混凝土掺加江苏能力科技有限公司提供的PVA纤维，PVA纤维的掺量均为0.9 kg/m3.

锦屏一级水电站拱坝混凝土采用的中热水泥28 d抗压强度为48.1 MPa，比表面积为311 m2/kg;采用的Ⅰ级粉煤灰(体积掺量35%)细度为6.3%，需水量比为95%;所用粗骨料为当地的砂岩，密度为 2.74 kg/m3，吸水率为 0.76%;细骨料为当地的大理岩，密度为 2.68 kg/m3，吸水率为 1.0%.溪洛渡水电站拱坝混凝土采用的中热水泥28 d抗压强度为46.1 MPa，比表面积为312 m2/kg;采用的Ⅰ级粉煤灰(体积掺量35%)细度为5.0%，需水量比为92%;粗骨料为当地的玄武岩，密度为2.95 kg/m3，吸水率为0.58%;细骨料为当地的灰岩，密度为2.70 kg/m3，吸水率为0.90%.试验时为了保持混凝土的和易性一致，掺PVA纤维后适当增加了混凝土减水剂的掺量，混凝土减水剂的质量掺量由不掺纤维时的0.6%提高至0.9%.

1.2 掺PVA纤维对拱坝混凝土体积稳定性的影响

硬化后的混凝土在非荷载作用下依然会产生变形，是因为混凝土内部水分的改变，水化反应以及环境温、湿度的变化导致混凝土的体积发生变化［6］.在变形受到限制的状态下，混凝土会产生裂缝，从而影响混凝土结构的承载能力和耐久性.因此减小混凝土体积变形，提高混凝土的体积稳定性是解决水工大坝混凝土开裂问题的关键.

1.2.1 对拱坝混凝土自生体积变形的影响

掺PVA纤维对拱坝混凝土自生体积变形的影响如图1所示.由图可见，掺PVA纤维可以减少拱坝混凝土的自生体积收缩变形.其中溪洛渡水电站拱坝混凝土可以减少自生体积收缩变形约13～16 με，锦屏一级水电站拱坝混凝土可以减少自生体积收缩变形约7～10 με.

图1 掺PVA纤维对拱坝混凝土自生体积变形的影响

1.2.2 对拱坝混凝土干缩变形的影响

掺PVA纤维对拱坝混凝土干缩变形的影响如图2所示.由图可见，掺PVA纤维可以减少拱坝混凝土的干缩变形.其中溪洛渡水电站拱坝混凝土180 d的干缩变形减少约为5%，锦屏一级水电站拱坝混凝土180 d干缩变形减少约为10%.

图2 掺PVA纤维对拱坝混凝土干缩变形的影响

由掺PVA纤维对拱坝混凝土体积稳定性的试验结果可以看出:在拱坝混凝土中掺入部分PVA纤维，可以减少拱坝混凝土的自生体积收缩变形和干缩变形，从而可以提高拱坝混凝土的体积稳定性.

1.3 掺PVA纤维对拱坝混凝土抗裂性能的影响

1.3.1 对拱坝混凝土抗裂性能的影响

采用抗裂系数KI［7］综合评价掺纤维对拱坝混凝土抗裂性能的影响，抗裂系数KI是混凝土的抗拉强度和极限拉伸值的乘积与干缩应力的比值，即

KI越大表明混凝土的抗裂能力越强.掺PVA纤维对拱坝混凝土抗裂性能的影响见表1.由表1可以看出:在拱坝混凝土中掺入0.9 kg/m3的PVA纤维可以提高拱坝混凝土的抗裂系数，从而提高拱坝混凝土的抗裂能力.

1.3.2 对拱坝混凝土力学性能的影响

掺PVA纤维对拱坝混凝土性能的影响见表2.

表1 掺PVA纤维对拱坝混凝土抗裂性能的影响

由表2可以看出:在拱坝混凝土中掺入0.9 kg/m3的PVA纤维后，混凝土的早期强度有所降低，导致纤维混凝土早期强度偏低的原因在于纤维混凝土的减水剂掺量较大.与不掺纤维混凝土相比，掺0.9 kg/m3的PVA纤维可以降低混凝土的弹性模量，锦屏一级水电站拱坝混凝土28 d弹性模量降低了15.9%，溪洛渡水电站拱坝混凝土28 d弹性模量降低了3.0%，相应地减少了混凝土的弹强比.与不掺纤维混凝土相比，掺0.9 kg/m3的PVA纤维可以提高混凝土的极限拉伸值，锦屏一级水电站拱坝混凝土28 d极限拉伸值提高了12.1%，溪洛渡水电站拱坝混凝土28 d极限拉伸值提高了21.7%.

表2 掺PVA纤维对拱坝混凝土性能的影响

2 PVA纤维对混凝土抗裂性能影响机理分析

纤维混凝土的性能取决于纤维的性能、水泥混凝土基体的性能，以及纤维表面与混凝土的相互作用.纤维的性能取决于纤维的类型、尺寸、尺寸分布，以及纤维的强度和模量等一系列物理、化学指标.而纤维与混凝土的界面相互作用主要取决于纤维的化学性质和外观形状及其在混凝土中的分散状态［8］.

高弹性模量PVA纤维是一种新型高性能纤维，该纤维的特点是直径小、数量多、纤维间距小，掺混工艺简单、易分散等.掺PVA纤维可以提高混凝土抗裂能力的机理主要有以下几点:①PVA纤维分子结构式为(—CH2—CHOH—)n，其中—C—OH基团可与水泥水化物中的—OH基团形成牢固的氢桥，从而增进了界面的致密性，加强了界面的黏结，扩大了PVA纤维阻裂增强的界面效应范围［9］;②PVA纤维的表面粗糙，加上其不规则的表面形状，使其与水泥基质间具有良好的界面结合力及化学相容性，能较好地分散在水泥基质中;③PVA纤维的弹性模量与混凝土弹性模量基本一致，这使得PVA纤维在混凝土受力断裂时，能吸收很大的能量，也就是说PVA纤维能承受更大能量的破坏荷载，从而增强了混凝土的韧性.

3 PVA纤维在水工高拱坝混凝土中的应用

3.1 在锦屏一级水电站拱坝混凝土中的应用

为降低锦屏一级水电站拱坝应力集中部位混凝土产生裂缝的风险，在室内试验和现场生产性试验基础上，自2009年12月20日起，在拱坝部分仓位使用了掺PVA纤维的混凝土.掺纤维后，适当降低掺纤维混凝土机口坍落度，减水剂质量掺量由0.6%增加到0.9%.掺纤维C18040拱坝混凝土性能抽检结果见表3.由表3可以看出:在拱坝混凝土中掺入0.9 kg/m3的PVA纤维，在保持拱坝混凝土强度性能不变的条件下，可以降低拱坝混凝土的弹性模量，提高拱坝混凝土的极限拉伸值.

表3 锦屏一级水电站拱坝混凝土力学性能抽检结果

掺纤维C18040拱坝混凝土干缩变形抽检结果见表4，由表 4可以看出:在拱坝混凝土中掺入0.9 kg/m3的PVA纤维，可以减少拱坝混凝土的干缩变形.

表4 锦屏一级水电站拱坝混凝土干缩性能抽检结果

3.2 在溪洛渡水电站拱坝混凝土中的应用

为了提高拱坝混凝土的抗裂能力，在室内试验和现场生产性施工工艺试验的基础上，溪洛渡水电站自2009年9月开始在拱坝中间歇期超过14 d的仓面以及结构敏感部位等使用掺PVA纤维混凝土.掺纤维后，适当提高掺纤维混凝土的用水量，减水剂质量掺量由0.6%增加到0.7%.

掺纤维C18040拱坝混凝土性能抽检结果见表5.由表5可以看出:在拱坝混凝土中掺入0.9 kg/m3的PVA纤维，可以提高拱坝混凝土180 d的强度性能，其中抗压强度提高了6.9%，劈拉强度提高了7.9%.同时可以提高混凝土的极限拉伸值.

掺纤维C18040拱坝混凝土自生体积变形抽检结果如图3所示.由图3可以看出:在拱坝混凝土中掺入0.9 kg/m3的PVA纤维，可以减少拱坝混凝土的自生体积收缩变形，减少拱坝混凝土1 a龄期的50%左右自生体积收缩变形.

表5 溪洛渡水电站拱坝混凝土力学性能抽检结果

图3 C18040拱坝混凝土自生体积变形抽检结果

在锦屏一级水电站和溪洛渡水电站高拱坝混凝土中应用PVA纤维的工程实践表明:在高拱坝混凝土中掺入0.9 kg/m3的PVA纤维，可以有效降低拱坝混凝土的弹性模量，提高拱坝混凝土的极限拉伸值，减少拱坝混凝土的收缩变形，提高拱坝混凝土的抗裂性能.

4 结语

采用纤维材料可以很好地提高水工混凝土的抗裂能力，PVA纤维是一种高强高弹模的合成纤维，与混凝土中的水泥浆体黏结力强，能够有效提高混凝土的极限拉伸，减少混凝土的收缩变形.试验研究及工程实践结果表明:在高拱坝混凝土中掺入部分PVA纤维可以有效提高高拱坝混凝土的体积稳定性，提高高拱坝混凝土的抗裂能力，从而提高高拱坝混凝土的耐久寿命.

［1］吴中伟.纤维增强——水泥基材料的未来［J］.混凝土与水泥制品，1999(1):5－6.

［2］沈荣熹，崔琪，李清海.新型纤维增强材料［M］.北京:中国建材工业出版社，2004.

［3］沈荣熹，王璋水，崔玉忠.纤维增强水泥与纤维增强混凝土［M］.北京:化学工业出版社，2006.

［4］计涛，纪国晋，王少江.PVA纤维对水工抗冲磨混凝土性能的影响［J］.东南大学学报:自然科学版，2010(增刊Ⅱ):192－197.

［5］刘恋，曹凯，王华.溪洛渡水电站泄洪洞混凝土抗冲耐磨试验研究［J］.水电站设计，2012(1):65 －67，93.

［6］姚武.高性能混凝土体积稳定性的控制及优化设计［J］.工业建筑，2005，35(11):74 －77.

［7］刘数华，方坤河，曾力，等.混凝土抗裂评价指标综述［J］.混凝土，2004(6):32 －33.

［8］徐建军，叶光斗，李守群.用于混凝土增强的化学纤维［J］.纺织科技进展，2006(2):12 －13，19.

［9］吴李国.PVA纤维的应用现状及进展［J］.现代纺织技术，2001(4):52－54.