纤维在水工高拱坝混凝土中的应用.pdf

第 3 3卷第 6期 华北水利水 电学院学报 2 0 1 2年 1 2月 J o u r n a l o f N o A h C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a nd Hy d ro e l e c t r i c Po we r V0 1 33 No 6 De c201 2 文章 编 号 ： 1 0 0 25 6 3 4( 2 0 1 2】 0 60 l l 20 4 P V A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 6 1 0 0 7 1 ) 摘 要 ： 拱 坝由于具 有优 良的力学性能和造价的经济性 ， 使得 拱坝特别是 高拱坝在我 国水 电工 程中得 以大量 应用 拱坝因为体型复杂 ， 除温度外 ， 坝体的 自重和水荷载也能在 拱坝坝体 内引起相 当大 的拉应力 ， 因此提 高 拱坝混凝土 的抗裂能力是人们十分关注 的问题 由于 P V A纤维具有极高的弹性模量 ， 良好 的韧 性和阻裂性 等 优点 ， 将 P V A纤维掺入高拱坝混凝土 中可 以提高其抗裂性 能 ， 从 而改善拱 坝混凝土 的耐久性 ， 提 高拱坝 混凝 土的耐久 寿命 关键词 ： 水工材料 ； P V A纤维 ； 高拱坝 ； 抗裂性 能； 耐久寿命 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 ” 由于聚 乙 烯醇 ( P o l y v i n y l A l c o h o l ， P V A) 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 目前 P V A 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 ， 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 P V A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 3 6 0万 k W， 混凝土双曲拱坝高 3 0 5 i n ， 为世界 第一高拱坝 ； 溪洛渡水 电站装机 1 3 6 5万 k W， 为 国 内第二大水电站 ， 混凝土双曲拱坝高 2 8 5 5 i n 1 P V A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 c 4 0拱坝混凝土掺 P V A纤维进行试验 ， 研究 P V A 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 P V A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 P V A纤 维，P V A纤维 的掺量均为 0 9 k g m 锦屏一级水 电站拱坝混凝土采用 的中热水 泥 2 8 d抗压强度为 4 8 1 M P a ， 比表面积为 3 1 1 m k g ； 采用的 I级粉煤灰( 体积掺量 3 5 ) 细度为 6 3 ， 需水量比为 9 5 ； 所用粗骨料为 当地 的砂岩 ， 密度 为 2 7 4 k g m ， 吸水率为 0 7 6 ； 细骨料为当地的 大理岩 ， 密度为 2 6 8 k g m ， 吸水率为 1 0 溪洛 渡 水 电站 拱 坝混 凝 土 采 用 的 中热 水 泥 2 8 d抗 压 强 度为 4 6 1 MP a ， 比表面积为 3 1 2 m k g ； 采用的 I级 粉煤灰 ( 体积掺量 3 5 ) 细度为 5 0 ， 需水量 比为 9 2 ； 粗 骨料 为 当地 的玄 武 岩 ， 密 度 为 2 9 5 k g m ， 吸水率 为 0 5 8 ； 细 骨料 为 当地 的灰 岩 ， 密 度为 2 7 0 k g m ， 吸水率为0 9 0 试验时为了保持混凝 土的和易性一致 ， 掺 P V A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 P V A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 在变形受到限制的状态下， 昆凝土会产生裂缝 ， 从而 收稿 日期 ： 2 0 1 21 0一 O 8 作者简介 ： 李光伟 ( 1 9 6 2 一 ) ， 男 ， 湖北 武汉人 ， 教授级高工 ， 主要从 事于水工混凝 土原材料及混 凝土性能试验方面的研究 第 3 3卷第 6期 李光伟 ， 等 ： P V A纤维在水工高拱坝混凝土 中的应用 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 P V A纤维对拱坝混凝土 自生体积变形 的影 兰 刊 皿 4 0 2 O 0 响如图 1 所示 由图可见 ， 掺 P V A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 l 3 1 6 ， 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 71 0 2 呈 一 z _ 4 6 O 1 0 0 2 00 3 0 0 4 0 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 龄期 d 龄期， d ( a ) 溪洛渡水 电站 ( b ) 锦屏一级水电站 图 1 掺 P V A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 P V A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 P V A纤 维 可 以减 少 拱 坝混 星 婿 H _ 凝土的干缩 变形 其 中溪 洛渡水 电站拱 坝 混凝 土 1 8 0 d的干缩变形减少约为 5 ， 锦屏一级水 电站拱 坝混凝土 1 8 0 d干缩变形减少约为 1 0 好 龄期 d ( b ) 锦屏一级水电站 图 2 掺 P V A纤维对拱 坝混凝土干缩变形的影响 由掺 P V A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 P V A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 P V A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 ， 综合评 价掺纤维对拱 坝混 凝土抗裂性能的影响， 抗裂系数 ， 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 极限拉伸值 x抗拉强度 “ 一 干缩率 x弹性模量 ，越大表 明混凝土的抗裂能力越强 掺 P V A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 ： 在拱坝混凝土中掺人 0 9 k g m 的 P V A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 P V A纤维对拱坝混凝土性能的影响见表 2 表 1 掺 P V A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 土中掺人 0 9 k g m 的 P V A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 k g m 的 P V A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 2 8 d弹性模量降低 了 1 5 9 ， 溪 洛渡水 电站拱 坝混 凝土 2 8 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 k g m 的 P V A纤维可 以 1 1 4 华北水利水 电学院学报 2 0 1 2年 1 2月 提高混凝土的极限拉伸值 ， 锦屏一级水电站拱坝混 拱坝混凝土 2 8 d极限拉伸值提高了 2 1 7 凝土 2 8 d极限拉伸值提高了 1 2 1 ， 溪洛渡水电站 表 2 掺 P V A纤维对拱坝混凝土性能的影响 2 P V A纤 维 对 、? 昆凝 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 高弹性模量 P V A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 P V A纤维可以提 高混凝土 抗裂能力的机理主要有 以下几点 ： P V A纤维分子 结构式为( 一c H 一c HO H 一 ) n ， 其 中一c O H基团 可与水泥水化物 中的一O H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 P V A纤维阻裂增强的界面效应范围 ； P V A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； P V A纤维 的弹性模量 与混凝土弹性模量基本一致 ， 这使得 P V A纤维在混 凝土受 力 断裂 时 ， 能 吸 收很 大 的能 量 ， 也 就是 说 P V A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 P V A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2 0 0 9年 l 2月 2 0日起 ， 在拱坝部分仓位 使用了掺 P V A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 c 4 0拱坝混凝土性能抽检 结果见表 3 由表 可以看出： 在拱坝混凝土 中掺入 0 9 k g m 的 P V A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 抗 拉 强 P a 鬻 掺纤维 c 。 。 。 4 0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 k g m。 的 P V A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2 0 0 9年 9月开始在拱坝 中间歇期超过 1 4 d的 仓面以及结构敏感部位等使用掺 P V A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 C 啪4 0拱坝混凝土性能抽检结果见 表 5 由表 5可以看出： 在拱坝混凝土中掺人 0 9 k g m 的 P V A纤维 ， 可以提高拱坝混凝土 1 8 0 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 c 4 0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 第 3 3卷第 6期 李光伟 ， 等 ： P V A纤维在水 工高拱坝混凝土中的应用 1 1 5 入 0 9 k g m 的 P V A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 5 0 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 蛙 刊 皿 O 龄 期 d 图 3 C 4 0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 P V A纤维的工程实践表 明： 在高拱坝混凝 土 中掺人 0 9 k g m 的 P V A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 ， P V A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 P V A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 参 考 文 献 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 ， 1 9 9 9 ( 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 ， 2 0 0 4 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 ， 2 0 0 6 4 计涛 ， 纪 国晋 ， 王 少江 P V A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 ， 2 0 1 0 ( 增 刊 I I)： 1 9 21 9 7 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 ， 2 0 1 2 ( 1 ) ： 6 5 6 7 ， 9 3 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 ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 1 1 ) ： 7 4 7 7 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 ， 2 0 0 4 ( 6 ) ： 3 23 3 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 ， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 1 2一l 3 ， 1 9 9 吴李国 P V A纤 维的应 用现 状及进 展 J 现 代纺 织技 术 ， 2 0 0 1 ( 4 ) ： 5 25 4 The Appl i c a t i on o f PVA Fi b e r i n Hyd r a ul i c Hi gh Ar c h Dam Co nc r e t e L I Gu a n g we t ，LU S h a o l i n，ZHONG Yi - h u t ( H y d r o c h i n a C h e n g d u E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ，C h e n g d u 6 1 0 0 7 1 ， C h i n a ) Abs t r a c t：As a r e s u l t o f a r c h d a m wi t h e x ce l l e nt me c h a ni c a l pr o pe r t i e s a n d l o we r c o s t ，t h e a r c h d a m ，e s pe c i a l l y hi g h a r c h d a m i s w i d e l y a p p l i e d t o h y d r o p o w e r p r o j e c t s i n C h i n a B e c a u s e o f c o m p l i c a t e d s h a p e o f a r c h d a m， e x c e p t f o r t e m p e r a t u r e ， s e l f - w e i g h t a n d w a t e r pr e s s ur e c a n a l s o c a us e c o n s i d e r a b l e t e ns i l e s t r es s i n d a m bo d yThe r e f o r e，t o i mp r o v e t he c r a c k r e s i s t a n c e a bi l i t y o f a r c h da m c o n c r e t e i s o f g r e a t c o n c e r n t o t h e p e o pl e Be c a u s e o f PVA fib e r wi t h h i g h e l a s t i c mo d ul us，g o o d t o u g h ne s s a n d c r ac k r e s i s t a nc e a b i l i t y， t h e P V A fi b e r i s mi x e d i n t o h i g h a r c h d a m c o n c r e t e c a n e n h a n c e i t s c r a c k r e s i s t a n c e， wh i c h w o u l d i mp r o v e t h e d u r a b i l i t y a n d d u r a b i l i t y l i f e o f a r c h da m c o nc r e t e Ke y wo r d s ：h y d r a u l i c ma t e r i a l ；PV A f i b e r ；h i g h a r c h d a m ；c r a c k r e s i s t a n c e ；d u r a b i l i t y l i f e ( 责任编辑 ： 蔡洪涛 )