—《城市建设理论研究》—2012年第25期
作者：曹广雄，中国水电八局溪洛渡项目部试验中心
摘要：通过在混凝土中掺与不掺改性PVA纤维性能比对室内试验及溪洛渡水电站工程应用表明：掺改性PVA纤维能有效提高混凝土劈拉强度、极限拉伸值,减小混凝土干缩率,对提高大坝混凝土的抗裂性能非常有利。
关键词：改性PVA纤维，强度，极限拉伸值，干缩率，抗裂性能
中图分类号：TU528.572文献标识码： A 文章编号：
1 前言
溪洛渡水电站系金沙江下游河段梯级开发规划的第三级,是一座混凝土双曲拱坝,最大坝高 285.50m,顶拱中心线弧长681.51m；大坝分为31个坝段,坝顶拱冠厚度14.0 m,坝底拱冠厚度64.0m,横缝间距约22m，浇筑混凝土约700万m3。前期试验情况表明,受骨料等原材料因素影响，溪洛渡大坝混凝土性能上存在两相比较薄弱环节，即混凝土自生体积变形基本呈微收缩状态、其收缩值在-20×10-6～40×10-6左右，极限拉伸值相对较低,又因玄武岩粗骨料原因,硬化混凝土弹性模量在45MPa左右,增加混凝土开裂风险。因此，为改善溪洛渡大坝混凝土抗裂性能,进行了掺改性PVA 纤维等混凝土抗裂试验研究及工程应用情况。
2 原材料及室内试验
2.1 试验材料
水 泥：昭通华新P•；MH42.5水泥,28d抗压强度47.0MPa,抗折强度9.0MPa； 粉煤灰：华珞Ⅰ级粉煤灰,需水量比91%,细度5.4%,烧失量1.94%；细骨料：灰岩人工砂,细度模数 2.64,石粉含量 11.9%,饱和面干密度 2670kg/m3；粗骨料：玄武岩人工骨料,最大粒径150mm,饱和面干密度 2930 kg/m3；外加剂：JM-ⅡC缓凝高效萘系减水剂,减水率23.5%；ZB-1G松香类引气剂,减水率10.0%；
纤维：江苏能力科技有限公司生产的KS-1500型改性PVA纤维，其密度为1.29 g/cm3，抗拉强度＞1500MPa, 弹性模量为36～38GPa，延伸率为（7～8）%。
2.2 试验方法
试验采用溪洛渡工程大坝A区二级配混凝土配合比,水胶比0.41,粉煤灰掺量35%,改性PVA纤维为掺量0.9kg/m3.投料顺序及试件成型工艺为：石、一半砂、纤维→搅拌（30s）+水泥、粉煤灰、一半砂、水→搅拌（180s）出机，翻拌均匀→成型。
2.3 试验结果
2.3.1 混凝土拌和物试验
表1混凝土拌和物性能试验结果
在相同混凝土配合比、混凝土用水量不变,坍落度、含气量接近的条件下掺改性PVA纤维混凝土与不掺改性PVA纤维混凝土相比,减水剂掺量增加0.2%、引气剂掺量亦增加0.7/万，坍落度仍偏小20mm，要保持相同坍落度,单位用水量还需增加3～4kg/m3。
2.3.2混凝土强度、性能及凝结时间
表2混凝土强度及抗压弹性模量试验成果
从表2可知，在相同配合比、单位用水量不变,坍落度、含气量接近条件下,掺PVA纤维与不掺PVA纤维的试验结果如下：
（1）混凝土28d、90d和180d抗压强度接近,劈拉强度比不掺PVA纤维劈拉强度略高、极限拉伸值要比不掺的提高了3%~10.3%、弹性模量均降低2 Pa左右。说明掺纤维对提高混凝土抗裂有利；
（2）掺PVA纤维对混凝土有一定缓凝作用,缓凝时间约10小时左右。
2.3.3混凝土自身体积变形
自生体积变形试验结果见图1. 可以发现：
（1）掺PVA纤维与不掺PVA纤维混凝土自生体积变形，28d前均有一定量微膨胀,微膨胀最大值均出现在6d龄期,掺PVA纤维混凝土最大值为13.1×10-6，不掺PVA纤维混凝土最大值为9.5×10-6；
（2）不掺PVA纤维混凝土28d后开始收缩，63d试验龄期时自生体积变形为-6.0×10-6,随后缓慢回升,至206d试验龄期时自生体积变形为-7.7×10-6；
（3）掺PVA纤维混凝土77d试验龄期时,自生体积变形为3.3×10-6且变化平缓,206d自生体积变形为4.9×10-6,掺PVA纤维对混凝土收缩有一定的抑制作用。
图1 掺纤维与不掺纤维混凝土自生体积变形过程变化趋势
2.3.4混凝土干缩率
混凝土干缩率试验结果见表3.结果显示，掺改性 PVA 纤维混凝土比对比素混凝土的干缩率降低约5%,可以PVA纤维可以改善大坝混凝土的抗裂性能。
表3混凝土干缩率试验结果
3． PVA纤维增强、增韧混凝土机理分析
（1）在混凝土劈拉强度断面上,很容易看到改性PVA纤维绝大部分是被拉断而不是被拔出的；
（2）改性PVA纤维的弹性模量与混凝土弹性模量基本一致,这使得改性PVA纤维在混凝土受力断裂时,能吸收很大的能量,也就是说改性PVA纤维混凝土能承受更大能量的破坏荷载,从而增强了混凝土韧性；
（3）对改性PVA纤维与聚丙烯纤维（PP纤维）在电镜扫描下进行对比，发现改性 PVA 纤维的表面粗糙,能增强纤维与水泥材料间的物理锚固力。
（4）改性PVA纤维分子式为 ,其中的羟基能有效与水、水泥基材料结合,形成氢键,可以有效增强纤维与水泥基材料的界面粘结力；
（5）从混凝土工作性能角度,由于众多乱向分布的纤维,在混凝土中形成三维支撑体系,阻止骨料的下沉，提高混凝土的均质性等内在品质,减少水分散失,防止开裂。
4．工程应用
改性PVA纤维混凝土在试验室研究的基础上，得到大坝混凝土现场配合比（见表4）,并于2009年9月在溪洛渡水电站进行了三个大坝试验块掺PVA纤维混凝土现场生产性工艺试验 ，随后对其它有抗裂性特殊要求的大坝混凝土施工部位浇筑PVA纤维混凝土 对现场混凝土进行机口抽样检测结果见表5，可见，掺改性PVA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28d提高12.9%、90d 提高4.1%、180d提高1.9%,与室内试验结果规律基本一致。
表4 大坝混凝土现场配合比
表5 混凝土性能试验结果
5．结束语
室内试验数据投影现场应用结果表明,掺用KS-1500型改性PVA纤维能有效提高混凝土极限拉伸值与劈拉强度，减少混凝土干缩率，极大改善混凝土的抗裂性能，特别对混凝土早期抗裂性能的改善非常有利。
参考文献：
[1]《水工混凝土试验规程》(DL／T 5150-2001)；
[2]《纤维混凝土试验方法标准》(CECS13:2009)
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。 |