聚乙烯醇纤维在抗冲磨混凝土中的应用研究

聚乙烯醇纤维在抗冲磨混凝土中的应用研究

陆欣张娜

中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司浙江杭州311122

摘要：混凝土掺入硅粉后，抗冲磨强度虽然会明显提高，但硅粉的加入，会引起混凝土的塑性干裂，加剧混凝土的开裂。聚乙烯醇纤维是一种高强、高弹性模量的合成纤维，能够有效抑制混凝土的早期塑性裂缝。在抗冲磨混凝土中掺聚乙烯醇纤维，能够有效减少混凝土干缩引起的早期裂缝，从而提高抗冲磨混凝土的质量，有利于抗冲磨混凝土的运行。

关键词：抗冲磨混凝土；纤维混凝土；聚乙烯醇纤维；早期裂缝控制

1前言

随着水利水电工程中高水头、大流量泄水建筑物日益增多，泄洪洞、消力池等泄水建筑物表面遭受高速水流冲击磨损破坏越来越普遍，特别是含沙量较高时，高速含沙水流对水工混凝土建筑物过流面的冲刷磨损、空蚀作用会导致表层混凝土大面积剥蚀，严重的则会引发灾难性事故。据统计，在已建的大中型水电工程中有近70%存在冲磨空蚀破坏现象。因此，对抗冲磨材料的抗裂性、抗冲磨能力和快速易施工性等均提出了更高的要求。硅粉混凝土与普通混凝土相比，抗冲磨强度明显提高。但硅粉的加入，会引起混凝土的塑性干缩，加剧混凝土的开裂。为了尽量减少硅粉混凝土的开裂，一般会在混凝土中掺入纤维。传统的纤维混凝土一般指掺钢纤维混凝土，但是钢纤维难以抑制混凝土的早期开裂，抗冲磨混凝土若早期发生开裂，后期修补难度较大，对高速水流条件下的运行不利。同时，钢纤维存在锈蚀问题，钢纤维外露在表面时，在高速水流条件下反而容易引起过流面局部流态恶化导致气蚀破坏等问题。因此，需要研究能够替代钢纤维抑制抗冲磨混凝土开裂的措施。

2聚乙烯醇纤维的特性

聚乙烯醇纤维是一种高强、高弹性模量的合成纤维，同钢纤维相比具有细度高、数量多的特点，混凝土的常用掺量0.9kg/m3时，充分分散可获得2000万～3000万根纤维单丝。聚乙烯醇纤维能在混凝土内部构成一种均匀的乱向支撑体系，从而产生一种有效的二级加强效果。当水泥基体产生塑性收缩时，由于纤维这些微细配筋的作用能够有效的阻止拉应力，可以抑制混凝土开裂的过程，有效地减少混凝土干缩时所引起的微小裂缝，提高混凝土的韧性。聚乙烯醇纤维还具有抗拉强度与钢纤维相当、初始模量与混凝土相近、在混凝土中分散均匀、与水泥基体的握裹力强的特点。相对于钢纤维，其化学稳定性高，可避免钢纤维因锈蚀而对混凝土耐久性造成的影响。聚乙烯醇纤维主要技术指标见表1。

表1聚乙烯醇纤维技术指标

断裂强度（MPa）≥1500

初始模量（GPa）≥25

断裂伸长率（%）6-8

长度（mm）12

3聚乙烯醇纤维对混凝土强度影响

掺入聚乙烯醇纤维后，会对混凝土强度会造成一定的影响。因此，需要研究不同掺量情况下混凝土的强度情况，从而论证掺入聚乙烯醇纤维的可行性。

根据试验成果显示（表2），同样的C18040混凝土基准配比情况下，掺入纤维后的混凝土强度普遍低于不掺纤维的混凝土。混凝土的早期强度明显降低，但随着龄期的增加，掺纤维的混凝土强度向不掺纤维的混凝土强度靠拢，龄期达到28天时，纤维的掺入对混凝土强度的降低影响不大，尤其是掺量达到1.2kg/m3后。同时考虑到水工混凝土有别于结构混凝土，特别是抗冲磨混凝土，混凝土的浇筑到使用之间相隔的龄期较长，可以充分利用混凝土的后期强度，同时考虑到抗冲耐磨混凝土本身有足够高的强度。因此，掺纤维对抗冲耐磨混凝土强度的影响是可以接受的，在抗冲耐磨混凝土中掺入聚乙烯醇纤维是可行的。

醇纤维混凝土的抗裂性能研究

根据聚乙烯醇纤维不同掺量的混凝土极限拉伸值、压拉比、弹性模量等成果（见表3），随着纤维掺量的增加，混凝土的弹性模量显著降低，尤其是早期的弹模。混凝土的极限拉伸值总体呈增长的趋势，压拉比总体呈降低的趋势。

从表4可知，掺纤维的混凝土抗裂明显指数高于不掺纤维的混凝土，说明掺纤维作为混凝土的抗裂措施是合理有效的。

随着纤维掺量的增加，混凝土的早期抗裂指数越高；但28天的抗裂指数随着纤维掺量的增加而降低，不过其抗裂性能仍优于不掺纤维的混凝土。分析其原因，纤维掺量超过1.2kg/m3后，混凝土28天的极限拉伸值呈下降趋势，弹模呈增长趋势。成果显示，纤维掺量的增加对早期防裂有利，但对于后期的防裂作用会减弱，因此，并不是纤维掺得越多越好。纤维掺量超过1.2kg/m3后，早期的抗裂指数增长不明显，后期的抗裂指数明显降低。

综合考虑不同纤维掺量条件下的早期抗裂性能、后期抗裂性能、掺量效果的变化趋势以及对混凝土强度的影响等因素，同时从经济性方面考虑，纤维掺量在1.2kg/m3为宜。

5实施效果

通过对上述成果的研究，在锦屏二级水电站拦河闸坝的抗冲磨混凝土中掺1.2kg/m3的聚乙烯醇纤维。混凝土浇筑后进行了质量检查，掺聚乙烯醇纤维的抗冲磨混凝土表面基本没有裂缝，说明掺纤维的效果明显，有效地抑制了抗冲磨混凝土的早期开裂，为后期运行创造了良好的条件。抗冲磨混凝土2010年汛前浇筑完成，2010年、2011年、2012年汛期过流，并在汛后均进行了检查，结果显示，掺聚乙烯醇纤维的抗冲磨混凝土运行良好。

6结语

在抗冲磨混凝土中掺入聚乙烯醇纤维，可以有效地防止混凝土早期开裂，有利于抗冲磨混凝土的运行。聚乙烯醇纤维作为替代钢纤维的措施，可以解决钢纤维的锈蚀、难以抑制早期开裂等问题，但不可避免地带来对混凝土强度产生一定的影响，因此，需要对掺入聚乙烯醇纤维后的混凝土强度等进行研究，根据工程需要选择合适的掺量。同时，还需要在材料研发等方面做进一步的工作，研究能够结合聚乙烯醇纤维和钢纤维两者优点的新型材料，为抗冲耐磨混凝土的施工和运行创造有利条件。