PVA纤维混凝土在几内亚苏阿皮蒂大坝中的应用

刘 彬，张如军，居志锋，田雨浩

(中国水利电力对外有限公司，北京 100120)

1 工程概况

苏阿皮蒂水利枢纽地处非洲西部的几内亚共和国，该地区气候属热带草原气候，每年5月～10月为雨季，降雨量占全年的90%，11月～次年4月为旱季。坝址区年平均气温为25.4 ℃，多年平均相对湿度为73.5%，月平均气温在23～28 ℃之间。日平均气温在20～31 ℃之间，日高温时段在13∶00～17∶00之间，低温时段在4∶00～6∶00之间，且高温、低温持续时间短。

苏阿皮蒂大坝为碾压混凝土重力坝，大坝坝顶高程215.5 m，最大坝高120 m，坝体长1 164 m。大坝正常蓄水位210 m，对应库容63.17亿m3，设计洪水位213.11 m。大坝采用两期导流施工，一期导流采用导流明渠过水，二期导流采用导流底孔过水。苏阿皮蒂大坝共布置4孔导流底孔，分别为2孔低位导流底孔及2孔高位导流底孔。底孔长度分别为81.06、70.41 m，宽度和高度分别为8、10 m，均采用C30普通常态混凝土浇筑。导流底孔最大过流流速为10 m/s。

苏阿皮蒂大坝永久泄水建筑物为无闸控制的开敞式溢流坝及2孔泄流底孔。溢流堰总长173.55 m，单个坝段长18～24 m不等。溢流堰堰顶高程210 m，护坦高程109 m，堰顶与护坦通过坝后消能台阶连接，且其左右两端各设置一处导墙。溢流台阶尺寸为宽0.64 m，高0.9 m，混凝土设计强度C30。泄流底孔进口尺寸为5×6 m(宽×高)，流道总长99.27 m，混凝土设计强度C9040，最大流速35 m/s。

2 PVA纤维混凝土应用背景

在对苏阿皮蒂大坝已达28 d龄期的4孔导流底孔外观质量检查时，共发现宽0.1～2 mm、长10～18 m、深3～5 cm的裂缝32条。裂缝走向垂直于导流底孔轴线，裂缝分布规律性较强，导流底孔中部相对集中，裂缝间距较小，底孔两端裂缝间距相对偏大。经分析，该部位的长宽比较大，混凝土浇筑过程中采用上下游通仓一次浇筑成型，未分块浇筑。加之采用C30普通常态混凝土，混凝土的结构应力及水化热温升较高，因而引起多条混凝土裂缝产生。由于该部位为临时导水建筑物，导流结束后采用混凝土进行封堵，在进行封堵前，均对裂缝进行凿除处理，消除了混凝土质量缺陷。

泄流底孔结构形式与导流底孔形式类似，且长宽比更大，混凝土强度等级更高，水化热温升也将更大。同时该部位流道最大水流为35 m/s，其对混凝土质量的要求也更高。因此必须采取措施以减少流道表面裂缝的产生，避免因高速水流对流道面裂缝冲刷造成冲蚀破坏。

表1 TY-PVA纤维相关参数

表2 不同PVA纤维掺量混凝土配合比参数及出机口性能试验结果

表3 不同PVA纤维掺量混凝土力学性能及弹性模量试验结果

溢流坝段的溢流面为矩形台阶形式，易形成应力集中，同时该部位也将承受高速水流。其与泄流底孔流道一样，必须采取措施减少混凝土裂缝产生。

因此，苏阿皮蒂大坝拟借鉴溪洛渡水电站掺PVA纤维混凝土对混凝土裂缝防治的应用经验及其他相关研究成果[1-5]，对泄流底孔流道和溢流台阶采用掺加PVA纤维混凝土进行施工。

3 限裂材料选择及PVA掺量研究

3.1 限裂材料选择

一般混凝土提高其抗拉强度，均在混凝土中添加纤维或使用PVH等材料，本工程选择常州天怡工程纤维有限公司生产的TY-PVA型纤维进行相关研究，纤维相关参数见表1。

中国企业研发投入过去10年增长迅速，2016年达到618亿欧元，同比增长18.8%，虽然较2015年的24.7%有所回落，但增速依然全球第一。美国和欧盟企业研发投入继续显著增长，增速分别为7.2%和7%，已接近2008年金融危机前的水平，日本企业研发投入则出现3%的负增长。

3.2 PVA纤维掺量对混凝土性能影响试验

试验所用水泥为几内亚Ciment de Guinee生产的CDG CEMI42.5硅酸盐水泥，粉煤灰为中国莱州I级粉煤灰，外加剂采用ZB-1A缓凝高效减水剂及ZB-1G引气剂联掺，砂石骨料为辉绿岩人工砂石骨料，以上原材料检测结果均满足中国相应规范要求。

试验参考哈尔滨工业大学王衍硕士毕业论文中PVA纤维掺量[6]分别配制PVA纤维掺量(胶凝材料质量比)为0、0.2%、0.5%、1%、1.5%、2%等6种混凝土，采用0.4的固定水胶比，25%(胶凝材料质量比)的固定粉煤灰掺量。在水灰比不变的条件下，适当调整混凝土单位用水量及引气剂用量，控制混凝土塌落度50～70 mm、含气量3.0%～5.0%。检测混凝土7、28 d抗压及抗拉强度、28 d抗弯强度及弹性模量。各PVA纤维掺量试验配合比及试验结果见表2、3。

从表2、3可以看出：

(1)当PVA纤维掺量在0.5%时，混凝土抗压强度最高。较未添加PVA纤维混凝土，7、28 d抗压强度分别提高1.3%、2.2%。当PVA纤维掺量超过0.5%后，混凝土抗压强度逐渐减小，但降低幅度较小，与PVA纤维在混凝土中分散不均匀有关。

(2)当PVA纤维掺量在0.5%时，混凝土劈裂抗拉强度最高。较未添加PVA纤维混凝土，7、28 d劈裂抗拉强度提高4.7%、3.0%。当PVA纤维掺量大于0.5%时，混凝土劈裂抗拉强度逐渐减小。劈裂后，随着纤维掺量增加，混凝土断裂面处纤维连接越紧密。试件断裂发展越缓慢。

(3)混凝土掺入纤维后，混凝土抗弯强度显著提高，当纤维掺量为1%时混凝土抗弯强度最高。掺量为1.5%、2%时，混凝土抗弯强度有降低趋势。混凝土弹性模量随纤维的加入逐渐增大，当纤维掺量为1%时达到最高，而后随着掺量的增加逐渐降低。

(4)混凝土单位用水量随PVA纤维掺量增加而增大，混凝土胶凝材料随之增加，拌和物的粘聚性增大，PVA纤维分散能力降低。当纤维掺量为1%时，拌和物比较黏稠，坍落度筒不易提起。

3.3 PVA纤维混凝土施工配合比试验

3.3.1混凝土设计参数

表4 混凝土设计参数

3.3.2PVA纤维混凝土施工配合比试验

对不同PVA纤维掺量在混凝土试验中发现，在现有混凝土拌和设备的情况下，当掺量达到0.5%时，混凝土抗压、抗拉强度均明显增加并达到最大值；随PVA纤维掺量的增加，混凝土各方面力学性能均呈下降趋势，甚至低于不掺加PVA纤维的混凝土性能。

从室内试拌效果及抗压、劈裂试件断面看，PVA纤维掺量在0.5%时就出现分散不均匀现象，随着掺量的增加纤维集束现象越来越严重。当掺量为1%时试块断面纤维集束现象明显。再次试拌，观察PVA纤维在混凝土中分散情况，当掺量为0.3%时PVA纤维分散均匀性达到极限，当掺量再次提高，纤维集束现象出现。根据试拌结果确定施工配合比PVA纤维最佳掺量为0.3%，为准确计量，PVA纤维掺量以1kg/m3进行混凝土配合比试验。并选择0.40水胶比二级配混凝土掺纤维与不掺纤维进行对比，试验结果见表5。

表5 PVA纤维混凝土强度试验结果

从表5可知，掺PVA纤维混凝土比不掺PVA纤维混凝土劈裂抗拉强度提高20%左右，抗压强度提高7%左右，有利于混凝土抗裂。

3.3.3PVA纤维混凝土施工配合比

根据试拌结果，掺入1.0 kg/m3的PVA纤维，混凝土抗压强度满足配合比配制强度，混凝土抗拉强度较不掺PVA纤维明显提高。确定PVA纤维混凝土施工配合见表6。

表6 PVA纤维混凝土施工配合比(70～90 mm)

4 PVA纤维混凝土应用

4.1 PVA纤维混凝土材料及拌和要求

(1)PVA纤维混凝土原材料要求。控制人工砂石粉含量≤13%±2%，其他材料须满足相应的规范和标准要求，衡量精度满足规范SL 677—2014《水工混凝土施工规范》要求。

(2)混凝土拌和材料投料顺序及拌和时间要求。投料、拌和顺序为砂石骨料、胶凝材料干拌15 s后，均匀撒入PVA纤维干拌至30 s。而后，加入水、外加剂溶液搅拌60 s，整个拌和过程控制在90 s。

4.2 PVA纤维混凝土运输、入仓控制

(1)PVA纤维混凝土宜用自卸车运输，混凝土运输车辆顶部加装遮阳蓬，尽量避免采用搅拌罐运输，以免低速搅拌造成PVA纤维绞结成团。

(2)PVA纤维混凝土入仓宜采用吊罐，尽量减少倒运次数。采用溜槽、溜筒等入仓时，要设缓降措施，尽量避免混凝土分离。

4.3 PVA纤维混凝土浇筑及养护

(1)对泄流底孔流道这种长宽比过大部位采用分块浇筑，降低其结构对混凝土的不利影响，减小混凝土裂缝因结构应力发生的风险。

(2)混凝土浇筑过程中要求保湿覆盖，高温时段仓面采取喷雾措施，形成人造小环境。

(3)混凝土入仓后及时平仓振捣，泄流底孔流道已完成浇筑面采取保温被覆盖保湿防晒措施，防止温度倒灌。

(3)控制收面时间，在混凝土初凝30 min前开始抹面。

(4)泄流底孔流道PVA纤维混凝土终凝后采用表面保温被覆盖加长流水保湿焖温养护，溢流台阶PVA纤维混凝土采用长流水养护，养护时间持续90 d。

4.4 PVA纤维混凝土温度控制

控制混凝土出机口温度≤17 ℃，入仓温度≤20 ℃，浇筑温度≤25 ℃。泄流底孔流道采用蓄热养护，混凝土内外温差在12 ℃左右。

5 结 语

苏阿皮蒂水电站项目泄流底孔流道混凝土浇筑完成已超过210 d，对已完成的流道底板、边墙混凝土外观检查，仅发现2处宽0.1 mm、长分别为0.30、0.43 m的浅表裂缝，未发现深层裂缝，这对于总长为99.27 m的流道来说是很成功的。溢流坝段下部高程120 m以下台阶混凝土浇筑完成亦以超过180 d。在对台阶混凝土进行检查发现靠近左、右导墙溢流台阶位置各发现2条缝，宽为0.1 mm，走向沿台阶高度向上延伸的浅表裂缝。后续施工已对这些浅表裂缝进行了环氧砂浆封闭处理。

工程实践表明，在海外工程施工过程中，在流道部位强度等级较高的混凝土掺加PVA纤维并配合其他浇筑、养护措施以减小混凝土裂缝发生，完全可行并易实施。