金沙江向家坝改性PVA 纤维混凝土的技术参数研究

窦立刚，施建梅

（水电四局有限公司勘测设计研究院,青海 西宁 810007）

0 引言

向家坝水电站是金沙江梯级开发中的最后一个梯级电站，位于四川省与云南省交界处的金沙江下游河段。 该工程为一等工程，以发电为主，同时可以改善航运条件，兼顾防洪、灌溉，并具有拦沙和对溪洛渡水电站进行反调节等综合作用。 拦河大坝最大坝高为162 m，电站装机为6 400 MW，二期工程分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ标段，混凝土方量约900 万m3。

因向家坝二期工程Ⅱ标段大坝基岩面和坝基齿槽陆续浇筑混凝土，大坝甲块高程为EL240 m，乙块和丙块高程在EL243 m～EL248 m 之间,所以进行基础固结灌浆。 工程指挥部在现场决定，在一个长间歇内完成固结灌浆的施工，该混凝土面为长间歇面。

长间歇面长期暴露在大气中，由于外界气温和环境的变化，混凝土表面散热降温速度较快。 这不仅会影响混凝土早期强度的发展，而且会使混凝土产生干缩变形，导致其抗裂能力降低。 同时，如果对混凝土表面没有采取有效保温措施，还会产生表面温度应力引起的裂缝。 为防止长间歇面发生裂缝的风险， 除采用常规的温控措施外， 在收仓前浇筑PVA（聚乙烯醇）纤维混凝土（常态混凝土，厚度为0.5m），RCC（碾压混凝土，厚度0.6m），提高混凝土的抗拉强度和极限拉伸值。 为此，设计单位进行了掺改性PVA 纤维常态试验和碾压混凝土配合比试验研究工作，提出了可提高混凝土抗裂性能的纤维混凝土配合比。

1 原材料试验

1.1 水泥、粉煤灰、外加剂、拌和用水

试验选用强度等级为42.5 的中热水泥，I 级粉煤灰，JM-ⅡC 缓凝高效减水剂，ZB-1G 引气剂，拌和用水采用向家坝工地饮用水。 检测结果均满足相关规范要求。

1.2 骨料

选用人工砂石骨料，岩性为灰岩，不含云母，粗细骨料质地坚硬、清洁，级配良好。 人工砂属于中沙，细度模数检测结果为2.74。 人工碎石表观密度在2 650～2 700 kg/m3之间，试验检测均满足要求。

1.3 改性PVA 纤维

采用某公司生产的KS-1500(TX2-B)型混凝土工程专用改性PVA 纤维。 改性PVA 纤维是一种高强度、高弹性模量的合成纤维，与混凝土中的水泥浆黏结力强，可提高混凝土的极限拉伸值，是混凝土的增强体， 并且在混凝土中能够均匀地分散，保水性好。 纤维断裂强度、断裂伸长率、初始模量、耐碱性能等项检测结果均满足要求。 其中抗拉强度可达1 685MPa，初始模量可达41×103MPa。

2 混凝土配合比设计试验

2.1 改性PVA 纤维混凝土配合比设计指标

本次设计，改性PVA 纤维混凝土配合比分为常态和碾压两种。 掺纤维混凝土配合比是在未掺纤维配合比的基础上，外掺适量的PVA 纤维。 采用这种配合， 目的是提高混凝土抗拉强度及极限拉伸值，有效防止坝体的裂缝产生，并适当的调整混凝土单位用水量、减水剂掺量，以使坍落度（VC 值）满足设 计要求，主要设计指标见表1。

表1 PM·H42.5 水泥混凝土主要设计指标Fig.1 PM·H42.5 cement concrete main design index

2.2 掺纤维混凝土配合比试拌

掺纤维混凝土配合比试拌是在已有的未掺纤维配合比的基础上， 外掺0.9kg/m3的PVA 改性纤维，并适当调整混凝土单位用水量、减水剂掺量，以使坍落度（VC 值）满足设计要求的试验。 试拌采用的混凝土配合比见表2。在混凝土试拌过程中，为使纤维在混凝土中进一步均匀分散，改善了纤维混凝土投料顺序，拌和时间较素混凝土延长30s。 当掺纤维常态混凝土拌和物单位用水量增加5kg/m3、 每方混凝土减水剂掺量增加0.2%时，混凝土拌和物工作性及和易性良好； 当掺纤维碾压混凝土在素碾压混凝土配合比基础上增加0.9kg/m3改性PVA 纤维时，测得的碾压混凝土VC 值适中。

表2 PVA 纤维混凝土配合比参数比较Fig.2 PVA fiber concrete mix proportion parameter comparison

2.2.1 掺纤维混凝土拌和物性能及力学性能试验

根据表2 中的掺纤维混凝土配合比参数， 进行了室内混凝土拌和物性能试验。 混凝土配合比的计算采用绝对体积法。 拌和物性能主要包括新拌混凝土坍落度/VC 值、含气量、温度等。 试验按照《水工混凝土试验规程》中的有关方法进行，试验检测结果见表3。

表3 掺纤维混凝土拌和物性能及强度检测结果Fig.3 Performance and strength test result of fiber and concrete mixing

2.2.2 掺纤维混凝土变形性能及耐久性能试验

我们对掺PVA 纤维混凝土成型试件进行了极限拉伸、 抗冻和抗渗等变形性能及耐久性性能试验。 极限拉伸试验、抗渗试验、抗冻试验按照《水工混凝土试验规程》有关方法进行，试验结果见表4。

表4 混凝土变形性能及耐久性能检测结果Fig.4 Concrete transformation performance and its endurance performance test result

2.2.3 掺纤维混凝土干缩试验、自生体积变形试验检测

我们对掺纤维的不同种类混凝土进行了干缩性能、自生体积变形性能委托试验，试验检测结果见表5、表6。

表5 混凝土干缩性能试验检测结果Fig.5 Concrete air shrinkage performance test result

表6 混凝土自生体积变形性能试验检测结果Fig.6 Concrete self-volume transformation performance test result

3 掺与不掺纤维混凝土性能检测结果对比

在混凝土实际生产、施工过程中，我们对收集的掺与不掺PVA 纤维设计龄期混凝土的强度、 变形、干缩、自生体积变形性能检测结果进行统计分析。对比结果见表7～表9。

表7 混凝土强度及变形性能检测结果对比Fig.7 Comparison of concrete strength and transformation performance test results

试验证明，掺与不掺改性PVA 纤维混凝土设计龄期抗压强度检测结果接近，常态混凝土劈拉强度检测值平均增长7.6%，极限拉伸平均增长率10.4%；碾压混凝土劈拉强度检测值平均增长8.4%，极限拉伸增长率为10.3%。

表8 混凝土干缩性能试验检测结果对比Fig.8 Comparison of concrete air shrinkage performance test results

表9 混凝土自生体积变形性能试验检测结果对比Fig.9 Comparison of concrete self-volume transformation performance test results

从已有的掺与不掺改性PVA 纤维混凝土干缩试验及自生体积变形试验的对比中可知，掺纤维混凝土干缩率降低，自生体积变形有减小的趋势。

4 结论

4.1 掺改性PVA 纤维混凝土的主要技术创新点

（1）充分利用了改性PVA 纤维高强度、高弹性模量、在混凝土中分散性好、与水泥浆体黏接力强的特点，且纤维属于惰性材料，对混凝土无害。

（2）试验结果显示，改性PVA 纤维混凝土较不掺纤维的混凝土抗拉强度和极限拉伸值均有所提高，并降低干缩率，而且不影响自生体积变形。 部分试验结果显示，其自生体积变形有减小的趋势。

（3） 从施工现场收集到的数据来看， 掺改性PVA 纤维混凝土较不掺纤维混凝土长间歇面的裂缝明显减少，甚至基本没有裂缝。

（4） 掺改性PVA 纤维混凝土能够改善RCC 层面的结合质量，提高坝体耐久性能。

（5）改性PVA 纤维能在早期及中后期帮助大坝混凝土抗裂。

（6） 在水工大体积混凝土中掺用改性PVA 纤维，为温控防裂问题提供了较好的解决方法。

4.2 掺纤维混凝土施工配合比在工程中的实际应用

目前，掺改性PVA 纤维的施工混凝土配合比已在向家坝工程中成功应用，从出机口混凝土拌和物的和易性及现场施工情况来看，混凝土强度、变形性能、耐久性能和各项拌和物性能均能满足技术要求。 虽然这项技术还不能从根本上彻底消除大体积混凝土裂缝，却是减少和预防混凝土裂缝的有效措施之一，尤其是掺PVA 纤维的RCC，是首次应用于水利水电工程，对今后的研究和应用有重要的参考和借鉴的作用。

向家坝工程的实践证明，无论是在常态混凝土中还是在碾压混凝土中， 加入适量的改性PVA 纤维，只要正确掌握纤维混凝土生产工艺，使纤维在混凝土中均匀分布，充分发挥纤维在混凝土中的筋骨作用， 就能有效提高混凝土抗拉强度及极限拉伸值，改善混凝土抗裂性能，减少坝体裂缝。 PVA 纤维混凝土不仅能够应用在长间歇面，还能够用于其他有抗裂要求的工程部位。 掺改性PVA 纤维混凝土，不但能够有效防止混凝土长间歇面裂缝产生， 降低裂缝处理费用，节约成本，而且掺改性PVA 纤维的混凝土提高坝体抗裂性能， 减少裂缝处理环节，既能保证工程施工进度， 又能有效控制工程质量安全。 因此，掺PVA 纤维混凝土有很好的推广应用前景。

[1] 吴中伟,廉慧珍. 高性能混凝土[M]. 北京:中国铁道出版社,1999:6-20.

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

[3] 薛会青,邓宗才,李建辉. PVA 纤维水泥基复合材料的抗拉性能及韧性研究[J]. 郑州大学学报：工学版,2009,30(1):92-95.