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云南水力发电YUNNAN WATER POWER322第 39 卷第 8 期0 引言合成纤维是改善混凝土性能和提高结构使用寿命的有效方法之一，也是我国近年来发展迅速、应用量较大的防裂、抗渗、增韧、增强的高性能水泥基复合新材料1。我国古代民间便有将稻草混合拌入泥浆制造土墙的经验。随着近代工业不断发展，欧美国家首先在混凝土中添加纤维等材料，良好的合成纤维改善混凝土的性能，并逐步被工程应用；我国通过举办全国纤维混凝土学术大会，为纤维混凝土技术研究应用提供基础理论依据2。大量研究者的研究成果及其大量试验结果均表明：在混凝土掺加一定的纤维，可减少混凝土早期裂缝，并提高混凝土抗渗等性能，提高混凝土的抗折强度，降低混凝土的脆度系数，是混凝土的“次级加强筋”3-5。纤维混凝土作为提高混凝土耐久性成熟可靠的技术，得到了大力的推广和广泛应用。纤维对混凝土的增强机理主要是：纤维均匀分布在混凝土内部形成均匀的乱向支撑体系，使混凝土在硬化初期改性聚乙烯醇纤维混凝土特性及在重大水电工程中的应用胡维芬（海南省水利水电勘测设计研究院有限公司，海南 海口 570203）摘要：针对传统混凝土存在的力学性能、耐久性能有限，不能满足重大水电工程设计和施工需求的问题，通过在混凝土掺加改性聚乙烯醇纤维材料，得到了维克改性聚乙烯醇纤维混凝土，相比传统混凝土，该新型混凝土的力学和耐久特性均得到不同程度提高。基于此，以锦屏水电工程为例，新型混凝土技术成果在锦屏一级水电站高拱坝浇筑、锦屏二级水电站深埋长大隧洞围岩稳定控制中得以成功应用，取得了显著经济和社会效益，具有重要的生态保护意义和广阔的推广应用前景。关键词：纤维材料；新型混凝土；聚乙烯醇纤维；锦屏中图分类号：TV672；TV431文献标识码：A文章编号：1006-3951(2023)08-0322-05DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2023.08.077Characteristics of Modified Polyvinyl Alcohol Fiber Concrete and Its Application in Major Hydropower ProjectsHU Wei-fen(Hainan Province Water Conservancy&Hydropower Survey,Design&Research Institute Co.,Ltd,Haikou 570203,China)Abstract:Traditional concrete has limited mechanical and durability properties,which cannot meet the design and construction needs of major hydropower projects.By adding modified polyvinyl alcohol fiber material to the concrete,Vick modified polyvinyl alcohol fiber concrete was obtained.Compared to traditional concrete,the mechanical and durability properties of this new type of concrete have been improved to varying degrees.The new concrete technology achievements have been successfully applied in the high arch dam pouring of Jinping-I Hydropower Station and the surrounding rock stability control of Jinping-II Hydropower Stations deep buried long tunnels,and have achieved significant economic and social benefits.It has important ecological protection significance and broad application prospects.Key words:fiber material;new type of concrete;polyvinyl alcohol fiber;Jinping收稿日期：2022-11-25作者简介：胡维芬（1984-），男，河北张家口人，高级工程师，主要从事水利规划、水工结构设计及水力学模型试验研究工作。*胡维芬 改性聚乙烯醇纤维混凝土特性及在重大水电工程中的应用323形成的微裂纹在发展过程中受到阻拦，难以进一步发展6。纤维的加入犹如在混凝土中掺入数量巨大的微细筋，这些纤维抑制了混凝土开裂的进程，提高了混凝土的断裂韧性，从而达到改善混凝土性能的目的7。纤维在混凝土中的作用：提高混凝土的抗裂性能；提高混凝土抗渗性能；提高混凝土的耐磨性能和抗冲击性能；提高混凝土的抗冻性能；提高混凝土的韧性8。1 改性聚乙烯醇纤维混凝土特性1.1 改性聚乙烯醇纤维改性聚乙烯醇纤维是一种高强高模纤维，也是亲水性纤维，具有耐酸碱、耐腐蚀、无毒无害，材质断裂强度高，弹模与混凝土弹模基本一致，分散性佳，与水泥基亲和力强等特点9。改性聚乙烯醇纤维增强混凝土是以改性聚乙烯醇纤维作为增强材料的水泥基复合材料，其在混凝土中分散均匀，粗糙的纤维表面与水泥基体的握裹力很强，同混凝土骨料，外加剂，参合料的水泥混合后不发生任何化学反应。其物理、化学性能稳定，故与混凝土材料有良好的亲和力，通过纯物理作用增强增并有效改善混凝土的性能10，改性聚乙烯醇粗纤维主要性能指标见表 1。较之于普通混凝土具有更高的抗拉、抗压强度，并具有良好的抗冲击，抗疲劳性能，抗渗防水性能，抗冻性能、抗冲磨性能和抑制早期塑性收缩裂缝的能力，从而提高混凝土的耐久性11。表 1 改性聚乙烯醇粗纤维主要性能指标表断裂强度/MPa 450初始模量/MPa 5 000断裂伸长率/%15 30直 径/mm0.5 0.85长度/mm30 50耐碱性能/%95阻裂效能等级一级1.2 提高混凝土的力学特性通过大量试验结果分析，得出掺加维克 改性聚乙烯醇纤维的混凝土抗压强度在 1 d、28 d和 90 d 较空白混凝土分别提高 23.9%、11.9%、10.0%，见图 1。掺加维克 改性聚乙烯醇纤维的混凝土劈拉强度在 28 d、90 d 较空白混凝土分别提高了 11.3%、6.7%，见图 2；轴拉强度在 28 d、90 d 较空白混凝土分别提高了 11.8%、2.0%，见图 3；冲磨强度在 28 d、90 d 较空白混凝土分别提高了 7.2%、15.2%，见图 4；磨蚀率在 28 d、90 d较空白混凝土分别降低了 0.0%、19.0%，见图 5；?图 1 不同龄期混凝土抗压强度图?图 2 不同龄期混凝土劈拉强度图?图 3 不同龄期混凝土轴拉强度图?图 4 不同龄期混凝土冲磨强度图 324云南水力发电2023 年第 8 期1.3 提高混凝土的耐久特性1）提高混凝土抗裂性能。维克 改性聚乙烯醇纤维在混凝土内部形成均匀的乱向支撑体系，能有效阻碍骨料的离析，有效改善混凝土脆性，增强其韧性，提高混凝土的抗拉强度，有效的控制、抑制混凝土的早期收缩裂缝，提高抗裂能力12。极限拉伸和弹性模量是表征水工大体积混凝土抗裂性能的重要指标，极限拉伸大小直接显示了混凝土抗裂能力，从提高混凝土抗裂性能考虑，希望混凝土的极限拉伸大，弹性模量要小13。掺维克 改性聚乙烯醇纤维混凝土抗裂性能的影响试验成果见表 2。从表 2 试验成果可以看出，在混凝土中掺维克 改性聚乙烯醇纤维后，可以降低混凝土弹模提表 2 混凝土抗裂性能试验成果表试验编号弹模/104 MPa轴心抗拉强度极限拉伸 10-6纤维掺量/（kg/m3）7 d28 d90 d180 d7 d28 d90 d180 d7 d28 d90 d180 dJP-11.992.683.123.451.542.563.213.868192119132不掺JP-21.752.382.793.111.692.893.544.25881051311460.9JP-131.512.122.673.041.272.012.563.076579104113不掺JP-51.351.962.442.791.392.312.813.4276911121270.9注：表 1 数据源于锦屏一级水电站大坝用维克 改性聚乙烯醇纤维试验。?图 6 不同龄期混凝土冲击韧度图高混凝土的极限拉伸值。其中 7 d、28 d、90 d、180 d 龄期混凝土的弹性模量分别降低 11.3%、9.4%、9.6%、9.0%；而 7 d、28 d、90 d、180 d 龄期混凝土的极限拉伸值分别提高 12.8%、14.7%、8.9%、11.5%，可以认为，掺入维克 改性聚乙烯醇纤维，可以提高大体积混凝土的抗裂能力。2）提高混凝土的极限拉伸值。经试验，掺加维克 改性聚乙烯醇纤维的混凝土极限拉伸在 28 d、90 d、180 d 较空白混凝土分别提高了16.3%、13.3%、7.1%，见图 7，表明维克 改性聚乙烯醇纤维的加入能够使混凝土的极限拉伸值得到提高，3）提高混凝土的抗渗性能。掺加维克 改性聚乙烯醇纤维的混凝土渗透高度比较空白混凝土降低 71.0%，见图 8，表明维克 改性聚乙烯醇纤维可有效的减少混凝土的早期收缩裂缝14，有效地控制混凝土拌合料的泌水现象，降低水泥颗粒、?图 7 不同龄期混凝土极限拉伸值图?图 8 不同龄期混凝土渗透高度比沙粒等的离析现象。?图 5 不同龄期混凝土磨蚀率图 冲击韧度在 28 d、90 d 较空白混凝土分别提高了17.1%、15.0%，见图 6。胡维芬 改性聚乙烯醇纤维混凝土特性及在重大水电工程中的应用3254）提高混凝土的抗冻性能。在混凝土中加入维克 改性聚乙烯醇纤维能够在混凝土内部引入微量空气，因冻融循环导致混凝土膨胀收缩而破坏的游离水可以进入微细气泡内，从而降低早期冻融损害，同时维克 改性聚乙烯醇纤维能够缓解温度变化而引起的混凝土内部应力作用，阻止温度裂缝的扩展，混凝土抗渗能力的提高也有利于其抗冻能力的提高15。2 工程应用2.1 相关参数1）配合比。混凝土中掺入维克 改性聚乙烯醇纤维，选择配合比时，根据 CECS38-2004纤维混凝土结构设计规程中关于“当坍落度不满足要求时，可调整外加剂剂量”的要求，把维克 改性聚乙烯醇纤维按设计要求掺入混凝土中试配，优选满足设计要求及施工要求的最佳配合比。2）参量。大量工程实践及试验证明，维克 改性聚乙烯醇纤维混凝土的掺量为 0.9 kg/m-1.1 kg/m时，能达到纤维混凝土使用的最佳性能价格比。3）搅拌。可根据配合比直接将纤维按石子、砂子、纤维、水泥、外加剂、水的顺序投料，搅拌时间比普通混凝土适当延长 5 30 s。4）浇筑和养护。纤维混凝土浇筑应采用机械振捣，在保证其振捣密实的同时，应避免离析和分层纤维混凝土浇筑成型后，应立即使用塑料薄膜等覆盖和养护。5）施工管理。使用维克 改性聚乙烯醇纤维混凝土应严格按照国家有关建筑技术规程及规范进行施工管理。维克 改性聚乙烯醇纤维包装为水溶性小包装，按施工方混凝土搅拌机的容量与纤维每立方的参量定制包装，施工过程方便投放、安全环保。使用前应安置在较为阴凉、干燥的地方，避免日晒雨淋及与其它易腐蚀的化学产品混放，妥善存放。2.2 实例应用2.2.1 锦屏一级水电站锦屏一级水电站是雅砻江下游的龙头电站，总装机容量 3 600 MW。其枢纽建筑物为混凝土双曲高拱坝，由于大坝混凝土温度控制问题具有采用大尺寸通仓浇筑，拱坝结构复杂，陡坡坝段浇筑问题突出，混凝土材料抗裂性能一般，温度边界条件对温控防裂不利等特点，为提高大坝混凝土的抗裂性能，降低开裂风险，经参建各方讨论研究，择优选取维克 改性聚乙烯醇纤维在锦屏大坝应用。室内试验、现场试验及取芯检测成果数据显示，掺深圳维克 改性聚乙烯醇纤维硬化混凝土各项性能优良，7d 抗裂指数提高 3%，14 d 抗裂指数提高 14%，28 d 抗裂指数提高 45%，90 d 抗裂指数提高 35%。该混凝土施工配合比为：水泥：粉煤灰：砂：碎石：水：减水剂：聚乙烯醇纤维=360 40 759 1047 188 4.0 1.8。在大坝非溢流坝段、大坝垫座、陡坡坝段混凝土掺维克 改性聚乙烯醇纤维，大坝混凝土掺入维克 改性聚乙烯醇纤维搅拌后混凝土分散均匀，和易性好，满足现场施工要求，施工期纤维混凝土应用分析表明，纤维混凝土的抗裂安全系数也有一定的提高。在设计材料参数条件下，河床坝段纤维混凝土 180 d 抗裂安全系数提高约 7.9%，陡坡坝段基础区纤维混凝土 180 d 抗裂安全系数提高约 8.5%。根据混凝土性能试验及现场的混凝土抽检试验结果表明，在混凝土中掺维克 改性聚乙烯醇纤维对混凝土的抗裂性能改性显著，满足了设计要求，达到预期的效果。2.2.2 锦屏二级水电站锦屏二级水电站位于锦屏一级水电站下游，拥有目前世界最大规模的水工地下洞室群，总装机容量 4 800 MW。工程采用长引水式发电，引水隧洞贯穿锦屏山，洞线平均长 16.67 km，开挖断面洞径 12.4 13 m，埋深一般 1 500 2 000 m、最大达 2 525 m。引水隧洞施工过程中遭遇高地应力、岩爆、高外水压力及突涌水等重大工程地质问题，经专家咨询、业主、设计、监理讨论研究，为达到引水隧洞施工快速便捷，洞室永久稳定的目的，结合近年国内外先进成果和材料，在锦屏二级水电站引水隧洞 1 号、2 号引水洞喷射混凝土中采用掺加纳米粗纤维替代钢纤维施工方案，经多次试验，最终在引水隧洞中选用维克改性聚乙烯醇纤维方案，工程实践结果表明在引水隧洞喷射混凝土使用中和易性好，有良好的泵送效果，其混凝326云南水力发电2023 年第 8 期土的性能抗压、抗折、抗拉强度、劈拉强度与围岩粘结强度，抗渗等级、弹性模量、弯曲韧度指数、喷射厚度、回弹量等技术指标均满足锦屏二级水电站引水隧洞喷射混凝土设计指标要求。维克改性聚乙烯纤维分散性好、能减轻喷射混凝土设备管道磨损、施工过程极少堵管，具有适应复杂地质条件，施工方便经济等突出特点。工程应用表明，采用维克改性聚乙烯纤维使岩爆地段的支护得到了保障，加快了施工进度、确保了工期、明显降低成本。取得了良好的技术经济效果，有助于工程质量、成本、进度和安全目标的实现。也为高地应力条件下洞室支护新材料的应用，实现高地应力条件下隧洞快速支护要求，减少洞周围岩变形率和破坏风险，降低施工期的安全风险提供了技术积累。3 结束语1）在锦屏一级水电站中引入维克 改性聚乙烯醇纤维混凝土，可有效改善混凝土各项性能，大坝混凝土抗裂指数显著提高，满足现场设计与施工需要；锦屏二级水电站引水隧洞采用维克改性聚乙烯纤维混凝土，抗压、抗折、抗拉强度、劈拉强度与围岩粘结强度，抗渗等级等指标均满足工程需求，同时加快施工进度、确保工期、降低建设成本，具有良好经济效益。2）混凝土是世界上使用最广泛的材料之一，也是应对全球气候变化的一个重要前沿阵地，建议在科学研发与实际应用中，不断创新和突破传统混凝土材料工艺技术研究，生产出力学、耐久性能更优，更经济、低碳的混凝土新材料。参考文献：1张晓丽，袁圆.改性纤维-混凝土界面黏结性能研究及现状分析J.人民珠江，2022，43（2）:118-124.2高古帅.水利工程施工中混凝土裂缝防治措施分析J.工程技术研究，2022，7（17）:145-147.3袁月丽.水利工程施工混凝土裂缝成因分析及控制措施J.黑龙江水利科技，2022，50（7）:113-117.4余侃柱，闫洋洋.埋石混凝土在水利水电工程实践中的应用J.水利规划与设计，2022,（5）:96-100.5 刘昭阳.水利水电工程混凝土施工的质量管理分析 J.海河水利，2021,（2）:52-54.6张经纬,王成,陈帅.浅谈水利工程中混凝土的裂缝控制技术J.治淮，2022,（5）:54-56.7周志建.水利施工中碾压混凝土施工技术研究J.河南水利与南水北调，2020，49（12）:53-54.8刘翠芳.混凝土抗滑结构在水利工程中的运用分析J.长江技术经济，2021,5（S2）:87-89.9王志勇.水利施工工程中混凝土裂缝措施控制技术探讨J.珠江水运，2021,（9）:86-87.10张强.水利水电工程施工中混凝土裂缝的防治J.山西水利科技，2021,（3）:38-40.11王鹏，华中，常哲，等.输水工程中衬砌材料混凝土力学与抗渗性影响试验研究J.海河水利，2021,（5）:96-100.12李永欢.纤维混凝土在水利水电工程的应用研究J.地下水，2022，44（1）:160-161.13 曹文逸.变截面水利大坝在峰值水位条件下的蓄水性能研究 J.地下水，2022，44（5）:259-260+298.14李永松，李建峰，刘颖，等.聚丙烯腈纤维混凝土在西部高寒地区水利工程中的应用研究J.水力发电，2018，44（11）:121-124.15鲜凡凡，韩斐，薛萍萍.聚丙烯纤维混凝土在水利枢纽工程泵站中的应用J.山西水利，2020,（10）:50-52.