大坝改性PVA纤维混凝土的性能试验研究.pdf

2 0 1 2 年 第 7 期 (总 第 2 7 3 期 ) N u mb er 7 i n 2 O 1 2 ( T 0 t a l No 2 7 3 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 实用技术 P RACTI CAL TECHNOL OGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 7 0 3 9 大坝改性 P V A纤维混凝土的性能试验研究 孙明伦 。张利平 ， 。石妍 1 ( 1 中国长江三峡集团公司 溪洛渡试验中心，云南 永善 6 5 7 3 0 0 ；2 长江水利委员会 长江科学院，湖北 武汉 4 3 0 0 1 0 ) 摘要： 结合溪洛渡水电站大坝工程， 进行改性 P V A纤维混凝土的性能试验研究。 试验结果表明： 适量增加外加剂掺量， 改性 P V A纤维 混凝土可保持良 好的拌合物性能。 掺改性 P V A纤维能有效提高混凝土的早期抗压强度、 劈拉强度和极限拉伸值， 减小混凝土的干缩率及 自 生体积收缩变形， 显著提高大坝混凝土的抗裂安全系数 ， 改善混凝土的抗裂性， 其增强效果在工程应用中也得到验证， 试验结果可为其 他工程提供技术参考。 关键词： 改性P V A纤维；强度；极限拉伸值；干缩率；自生体积变形；抗裂性 中图分类号 ： T U5 2 8 5 7 2 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 7 0 1 2 4 0 3 S t u dy on pe r f o r ma nc e of da m c on cr e t e w it h modif i e d PVA f i be r SUN M in &- l u n ， ZHANG Li - ping ， S HIYa J 1 ( 1 Xi l u o d u P r o j e c t T e s t C e n t e r o f C h i n a T h r e e Go r g e s C o r p o r a t i o n ， Yo n g s h a n 6 5 7 3 0 0 ， C h i n a ； 2 Ya n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Wu h a n 4 3 0 0 1 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： B a s e d o n p r o j e c t o f Xi l u o d u h y d r o p o wer d a m t e s t o f c o n c r e t e wi t l l mo d i fi e d P V A fi b er w a s c a r r i e d o u t T h e r e s u lt s s h o we d t h a t c o n c r e t e m i x t u r e、 i t h fi b e r c a n ma i n t a i n g o o d p e r f o r m an c e b y i n c r e a s i n g t h e a mo u n t o f a d mi x t u r e M o d i fi e d P VA fib er c an i n c r e a s e e ar l y c o m p r e s s i v e s t r e ng t h， s pl i t t i ngt e n s i l e s tre n g t han du l t i ma t et e n s i l eva l u eo f c o n c r e t e ， and r e d u c e d r y s h rin ka g e a n d a u t og e n o u sv o l u mede f o r ma t i o n， wh i c h s i g n i fic an t l y i mp r o v e d c r a c k r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e I t s e n h a n c e me n t i n e ng i n e e rin g h as be e n v e rifi e d， t h e r e s u l t s c an p r o v i d e t e c h ni c a l r e f e r e n c e f o r o t h e r p r o j e c t s Keywor ds ： mo d i fie dP VA fib er； s t r e n g t h； v a l u eo f u l t i ma t et e ns i l e； d r y s h r i n k a g e ； a ut o g e n o u sv o l um ed e f o rm a t i o n； c r a c k r e s i s ta n c e 0 引言 1 试验原材料及配合比 溪洛渡水电站系金沙江下游河段梯级开发规划的第三级 ， 是一座以发电为主， 兼有防洪 、 拦沙和改善下游航道等综合效 益的特大型水利水电枢纽工程， 枢纽建筑物由拦河大坝 、 泄洪 建筑物、 引水发电建筑物等组成。 拦河大坝为混凝土双曲拱坝， 最大坝高 2 8 5 5 0 m， 顶拱中心线弧长 6 8 1 5 1 m。 大坝分为 3 1 个 坝段， 坝顶拱冠厚度 1 4 0 m， 坝底拱冠厚度 6 4 0 m， 横缝间距约 2 2 m， 浇筑混凝土约 6 7 2 4万 m 。 由于受原材料等因素的影响 ， 溪洛渡大坝混凝土 自生体 积变形呈微收缩状态 ， 弹性模量较高， 极限拉伸值相对较低 ， 存在大坝混凝土开裂的风险。 聚乙烯醇纤维( P VA) 是一种高 强高弹模合成纤维， 具有 良好的亲水性 ， 纤维表面能够吸附 少量 自由水 ， 与水泥基体的黏结强度很高。 试验结果表明 1 _ ， 由于 P V A纤维本身具有较高的强度和弹性模量， 它不但能够 有效地抑制混凝土早期的塑性裂缝 ， 而且可以提高混凝土的 韧性及抗冲击性能， 同时可改善混凝土的抗渗性 、 抗冻性、 抗 碳化性能、 耐磨性能 ， 从而提高混凝土的耐久性。 进行了掺改 性 P V A纤维的混凝土试验研究 ， 旨在提高溪洛渡大坝混凝 土的抗裂性能， 并结合工程使用情况， 验证 P VA纤维的应用 效果 。 1 1 原材料 水泥： 华新4 2 5 级中热硅酸盐水泥， 2 8 d 抗压强度 4 6 1 MP a ， 抗折强度 8 2 MP a 。 粉煤灰： I 级粉煤灰， 需水量比9 2 ， 细度 5 0 0 0 ， 烧失量 1 4 6 。 砂： 灰岩人工砂， 细度模数 2 6 6 ， 石粉含量 1 1 O ， 表观密度 2 6 7 0 k e g m。 。 碎石： 玄武岩人工骨料 ， 四级配， 最大粒径 1 5 0 m i l l ， 表观密 度 2 9 2 0 k g m3 。 外加剂： 萘系高性能减水剂 ， 减水率 2 5 3 ， 松香类引气剂。 KS 一 1 5 0 0型改性 P V A纤维： 江苏能力科技有限公司生产 ( 技术指标见表 1 ) 。 表 1 K S 一 1 5 0 0型改性 P V A纤维主要技术指标 1 2配合 比 采用溪洛渡工程大坝 A区四级配混凝土配合 比， 水胶 比 0 4 1 ， 粉煤灰掺量 3 5 ， 改性 P V A纤维掺量 0 9 k g m3 ， 混凝土 试验配合比见表2 。 投脊 斗 J I颐 序及搅拌程序为： 砂、 石、 P VA纤维加入搅拌机一搅 收稿 日期：2 0 1 2 - - 0 1 1 1 基金项目：国家自然科学基金项目( 5 1 1 3 9 0 0 1 、 5 1 1 0 9 0 1 5 ) ； 中央级公益性科研院所基本科研业务费( c K s F 2 0 l 1 0 1 8 C L ) 1 2 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 拌 2 O s 一加入水泥、 粉煤灰、 水一搅拌 1 8 0 s 一混凝土过 4 0 mm 方孔筛一成型混凝土试件。 2 试验结果及分析 2 1 混凝土拌合物及力学性能 混凝土拌合物性能试验结果见表 2 。 试验结果表明， 相同水 胶比下， 掺入改性P VA纤维， 分别增加减水剂和引气剂掺量0 1 拌合物性能良好。 混凝土抗压强度和劈拉强度试验结果见表 3 。 试验结果表 明， 掺入改性 P V A纤维， 各龄期混凝土的抗压及劈拉强度均不 同程度的提高， 抗压强度平均提高约 6 0 ， 劈拉强度平均提高 约 1 0 O 。 劈拉强度的增长优势体现在早期 ， 2 8 d龄期以前的劈 拉强度提高 1 5 0 以上， 有利于混凝土的早期抗裂性能。 在纤维 混凝土劈拉强度断面上， 很容易看到大部分改性 P V A纤维绝是 和 0 3 o o ， 可保持与基准混凝土相当的坍落度及含气量， 混凝土 被拉断而不是被拔出的。 表 2 混凝土试验配合 比 2 2 混凝 土极 限拉 伸 混凝土极限拉伸试验结果见表 4 。 试验结果表明， 与基准混 凝土相比， 掺改性 P V A纤维的混凝土轴拉强度和弹性模量均 提高 1 7 7 、 1 1 5 、 1 5 2 、 8 7 ，平均增长值为 1 3 3 ， 7 d龄 期的提高幅度是最大的， 因此掺改性 P V A纤维有助于提高混凝 土的早期抗裂性能。 在纤维混凝土轴拉强度断面上， 绝大部分改 相当， 但极限拉伸值的增长效果明显 ， 7 、 2 8 、 9 0 、 1 8 0 d龄期分别 性 P V A纤维也是被拉断而不是被拔出的。 表 4混凝土极限拉伸试验 结果 按照 S L 2 8 2 -2 0 0 3 ( 混凝土拱坝设计规范 的规定 ， 抗裂 安全系数计算公式如下： K E h c r ( 1 ) 式中： 一为抗裂安全系数； 温度荷载产生的应力 ； 8 。 极限拉伸值； 弹性模量 。 由式( 1 ) 可以看出， 由于溪洛渡大坝混凝土的胶凝材料用 量不变 ， 因此温度荷载产生的应力 不变 ， 而极限拉伸值 s 。 平 均提高了 1 3 3 ， 那么， 大坝混凝土的抗裂安全系数 也相应 提高 1 3 3 ， 因此， 大坝混凝土的抗裂安全性明显提高了。 2 3混凝 土 干缩 混凝土的干缩试验结果见表 5及图 1 。 试验结果表明， 掺人 改性 P VA纤维， 混凝土的早期干缩率变化不大， 但 9 0 d 龄期之 后降低明显， 干缩率平均减少 5 ， 有利于大坝混凝土抗裂性。 表 5混凝土干缩试验结果 试验纤维掺量 干缩试验值 1 0 编号 ( k g m ) 3 d 7d 1 4 d 2 1 d 2 8 d 9 0d 1 2 0d 1 4 0d 1 8 0 d H一 0l 一 2 6 6 3 1 l 4 l 5 l l 9 l 3 4 2 3 6l 3 7 3 40 3 H一 0 2 0 9 2 5 6 3 l l 1 1 48 l 8 4 3l 5 3 4 4 3 55 3 8 5 2 4 混凝土 自生体积变形 混凝土自生体积变形试验结果见图2 。 试验结果表明， 两组 混凝土的自生体积变形发展趋势基本一致， 即首先呈膨胀变形， 在 7 d龄期时达到最大膨胀值 ， 然后逐渐回缩， 回缩值随龄期发 展逐步增大， 2 4 0 d龄期以后 ， 混凝土的变形曲线基本平缓。 不同 之处在于， 掺改性 P VA纤维的混凝土始终呈微膨胀变形， 而基 50 4 0 30 2 0 l 0 、 -0 1 0 2 0 3 0 40 2 、 褂 好 H _ 龄期 d 图 1 混凝土干缩率 曲线图 龄期 ， d 图 2 混凝土 自生体积变形 曲线图 准混凝土在 9 0 d龄期之前呈微膨胀变形 ， 而 9 0 d龄期以后呈收 缩变形。 两组混凝土在 5 4 5 d龄期时的变形差值为 1 8 5 3 x 1 0 ， 也就是说， 掺入改性 P VA纤维， 可补偿混凝土收缩值 1 8 5 3 x l 0 - 6 ， 有利于大坝混凝土的抗裂。 3 机理 分析 通过研究改性 P V A纤维的特陛及分散机理， 对改性P VA纤 维混凝土的抗裂机理进行分析。 1 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( 1 ) 改性 P V A纤维分子式为 I ， 化学分子式 OH 中羟基能有效地与水、 水泥基材料结合 ， 形成氢键， 纤维表面与 水泥基材料之间不存在对混凝土抗冻有害的空隙， 同时能有效 的增强纤维与水泥基材料的界面黏结力； 化学分子式决定了改性 P V A纤维是亲水性纤维， 亲水性纤维比憎水性纤维更能保水， 增 强纤维混凝土保水性。 ( 2 ) 改性 P V A纤维的表面粗糙， 且弹性模量与混凝土弹性 模量基本一致， 因此增强了与混凝土的物理锚固力。 改性 P vA 纤 维能吸收断裂能量， 使改陛P V A纤维混凝土承受更大能量的破 坏荷载 ， 从而增强混凝土的断裂韧性。 ( 3 ) 改性 P V A纤维的纤度小， 大量的纤维在砂浆或混凝土 内部均匀地分布， 构成了稳定的三维乱向支撑体系 。 基体与纤 维的紧密握裹， 使得 P V A纤维混凝土更加趋于一个整体。 4工 程 应 用 改性 P V A纤维在溪洛渡水电站大坝强约束区、 长间歇等 施工部位得到了成功应用。 截至 2 0 1 1 年 l 1 月已累计浇筑改性 P VA纤维混凝土约 5 0 万 I n ， 。 由于原材料及现场环境的变动， 经校核的现场混凝土施工配合比见表 6 。 对现场混凝土进行抽 样检测 ， 将掺改性 P VA纤维和不掺改性 P V A纤维大坝混凝土 试验结果平均值进行对比， 检测结果见表 7 。 表 6 现场混凝土配合 比 注 ： 设计要求为3 2 0MP a 。 现场检测试验结果表明， 掺改性 P VA纤维混凝土极限拉伸 和劈拉强度均有不同程度提高， 其中极限拉伸 7 d 龄期提高 1 7 5 、 2 8 d龄期提高 1 1 9 、 9 0 d龄期提高 7 1 、 1 8 0d提高4 8 ， 与 室内试验结果规律基本一致。 掺改性 P V A纤维浇筑的混凝土， 目前尚未发现裂缝。 5结 论 结合溪洛渡水电站大坝混凝土工程， 进行改性 P VA纤维混 凝土的性能试验研究。结论如下： ( 1 ) 其他配合比参数不变时， 掺入改性 P VA纤维后， 适量增 加减水剂和引气剂掺量， 可保持与基准混凝土相当的拌合物性能。 ( 2 ) 掺人改性 P V A纤维， 混凝土的抗压强度、 劈拉强度及 极限拉伸值均不同程度的提高， 平均提高值分别为 6 O 、 1 0 ， O 、 1 3 3 ， 增长优势均体现在早期， 有利于混凝土的早期抗裂性能， 明显提高大坝混凝土的抗裂安全性。 ( 3 ) 改性 P V A纤维混凝土 9 0 d龄期后的干缩率平均减少 5 ， 且 自生体积变形始终呈微膨胀， 在 5 4 5 d龄期时， 掺入改性 P V A纤维可补偿混凝土收缩值 1 8 5 3 x 1 0 。 上接第 8 5页 尤其是随粒度变化， 再生骨料的组分号眭质差异较大。 再生骨料的 性能和取代率对混凝土的耐久性影响很大， 加强再生混凝土高性 能化的试验方法研究， 严格进行再生混凝土耐久性的试验检验， 可 使再生高性能混凝土得以系统运用， 以发挥其最大的工程价值嘲 。 参考文献： 1 1 D G T J 0 8 2 0 l 8 2 0 o 7 ， 再生混凝土应用技术规程 s 】 1 2 6 ( 4 ) 改性 P VA纤维的亲水性 、 表面特性及分散能力等 ， 使 混凝土 的断裂韧性增强 。 ( 5 ) 改性 P V A纤维在溪洛渡水电站大坝强约束区、 长间歇 等施工部位得到了成功应用。 现场检测结果与室内试验结果规 律基本一致。 参考文献 1 钱红萍， 李书进名 2 0 l I ( 6 ) 工程应用研究【 J 】 混凝土 ， 2 】 张建峰， 罗平 ， 周世华 纤维对混凝土早期塑性开裂的影O 向 【 J 】 混凝 土 ， 2 O L O ( 7 ) 【 3 】 沈荣熹， 崔琪， 李清海 新型纤维增强水泥基复合材料 M 】 E 京： 中国 建材工业出版社， 2 0 0 4 【 4 】 S L 2 8 2 -2 0 0 3 ， 混凝土拱坝设计规范【 s 】 中国水利水电出版社。 2 0 0 3 作者简介 联 系地址 联 系电话 孙明伦( 1 9 7 3 一 ) ， 男， 硕士， 高级工程师， 主要从事工程质量 管理， 混凝土及原材料试验研究。 武汉市黄浦大街 2 6 9 号 长江科学院材料所( 4 3 0 0 1 0 ) 0 2 7 8 2 9 2 63 4 7 【 2 吴贤国， 郭敬松， 李惠强， 等 建筑废料的再生利用研究 J 】 _建筑技术 与应用。 2 0 0 4 ( 1 ) ： 2 1 2 3 【 3 1 G B tT 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ， 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准 作者简介： 薛勇( 1 9 7 8 一 ) ， 女， 试验师。 联系地址： 河北省石家庄市红旗大街 6 2 6 # 建筑工程系( 0 5 o o 9 1 ) 联系电话 ： 1 3 8 3 1 1 0 2 7 9 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m