PVA纤维超高韧性水泥基复合材料的室内研究及现场试验

赵新华，孙志恒，刘艳霞，田军涛，查益华，何 宇

（1.国网新源水电有限公司新安江水力发电厂，浙江 建德 311600；2.中国水利水电科学研究院 结构材料研究所，北京 100038）

1 研究背景

新安江水力发电厂坐落在浙江省西部山区建德市境内，拦河大坝为混凝土宽缝重力坝，最大坝高105.00 m，坝顶高程115.00 m，大坝全长466.50 m，共分为26个坝段，其中0#—6#、17#—25#坝段为挡水坝段，7#—16#坝段为河床溢流坝段。为了提高厂房顶溢流面的抗冲磨强度，2006—2011年采用高韧性环氧砂浆更换了已老化的环氧砂浆［1］。由于新安江水电站处于南方温暖地区，日光照射强烈，夏季厂房顶溢流面最高温度达到50℃以上，特别是厂房顶长年积水，高韧性环氧砂浆长期在湿热的水中浸泡。2016年对厂房顶溢流面检测发现，厂房顶高韧性环氧砂浆存在本体抗拉强度降低的老化现象，同时局部区域存在脱空剥落、龟裂以及顺水流向裂缝等缺陷。其原因是由于环氧砂浆本质上属于高分子聚合物材料，对温度比较敏感，长期在湿热环境下对环氧砂浆本体强度及耐久性影响更大。针对新安江电站厂房顶溢流面环氧砂浆防护层的现状，考虑工程现场复杂的外界环境条件（高温、高湿、振动、高速水流冲蚀），本文对PVA纤维超高韧性水泥基复合材料进行室内性能试验和现场工艺性试验，为新安江电站厂房顶溢流面缺陷处理方案的制定和现场大规模施工提供参考依据。

2 PVA纤维超高韧性水泥基复合材料

2.1 材料简介超高韧性水泥基复合材料（UHTCC）早期被称为Engineered Cementitious Composite（ECC），是一种高延性、高韧性纤维增强水泥基复合材料［2-3］。它以断裂力学和微观力学的概念为指导，通过对纤维、基体以及纤维基体界面进行有意识地调整发展而来。它使用短纤维增强，且纤维掺量不超过复合材料总体积的2.5%，硬化后的复合材料具有显著的应变硬化特征，在拉伸荷载作用下可产生多条细密裂缝，极限拉应变可稳定地达到3%以上［4-5］。ECC常用的纤维有聚乙烯纤维（PE）和聚乙烯醇纤维（PVA）等，从纤维增强效果和经济性看，PVC纤维超高韧性水泥基复合材料（以下简称 PVA-ECC）更具推广价值［6-7］。

已有的研究表明，PVA-ECC具有良好的耐久性，其抗渗性、抗冻性和抗碳化等性能都远远优于传统的水泥基材料。本文在日本产PVA纤维制备PVA-ECC的基础上［8-10］，采用国产PVA纤维配制PVA-ECC，以期为新安江厂房顶溢流面抗冲磨部位的修补及防护提供参考。

2.2 原材料选择本文试验采用东阳水泥有限公司生产的42.5普通硅酸盐水泥（以下简称“东阳普硅”）和华新水泥有限公司生产的P.M42.5水泥（以下简称“华新中热”），水泥检测结果分别符合GB175-2007《通用硅酸盐水泥》和GB200-2003《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥》的技术要求。粉煤灰采用云南曲靖I级粉煤灰，石英砂选用目数为120～200目，即粒径为75～120μm。试验中还使用了减水剂、增稠剂和膨胀剂等不同外加剂。纤维为国产PVA专用聚乙烯醇纤维，其性能参数见表1。

表1 PVA纤维的性能参数

2.3 材料性能测试

2.3.1 力学性能测试 本文试验所有ECC试验配合比采用绝对体积法配制，试验均采用JJ-5型行星式砂浆搅拌机拌和。试件成型后2 d脱模，置于标准养护室（20±2℃，相对湿度95%）水中养护至28 d试验龄期，或水中养护14 d后放入60℃后养护至28 d试验龄期。为了提高材料的后期强度，防止PVA-ECC早期开裂，在前期大量试验研究结果的基础上，本次试验选用P.O42.5和P.M42.5水泥，水胶比为0.40、灰砂比为2.7左右、粉煤灰掺量为55%，部分配合比掺加了膨胀剂，各配合比水泥基复合材料力学性能试验结果见表2。

表2 各配合比水泥基复合材料的力学性能试验结果

标准养护条件下水泥基复合材料的拉伸试验结果表明，在水胶比0.40、纤维体积掺量2%条件下，东阳普硅、华新中热配制的PVA-ECC的极限拉伸应变分别为2.61%和2.29%，表明两种水泥均可制备出性能良好的PVA-ECC。在掺加1.0%或2.0%膨胀剂后，标准养护试件的极限拉伸应变分别为1.93%和1.05%，表明随着膨胀剂的加入PVA-ECC的延性有所下降，极限拉伸应变的下降幅度分别为26%和60%。28 d龄期强度试验结果表明，28 d和90 d抗压强度分别为：27.9～29.1 MPa和42.4～44.9 MPa，且因为材料粉煤灰掺量较高，后期仍有较大的增长趋势；掺加膨胀剂后PVA-ECC的拉伸强度基本上相当，胶砂抗压强度和抗折强度略有增加。

对比标准养护、14 d标养+14 d 60℃养护两种条件下试件的拉伸试验结果可知，经高温养护后试件的极限拉伸应变均有不同程度下降，膨胀剂掺量为0%、1.0%和2.0%的东阳普硅PVA-ECC的极限拉伸应变分别为1.95%、1.30%和0.34%，掺1.0%和2.0%膨胀剂时较不掺膨胀剂分别降低了33%和83%。表明养护温度升高，膨胀剂掺量对PVA-ECC的极限拉伸应变影响增大。强度试验结果表明，高温养护条件下同一配合比试件的拉伸强度、抗压强度和抗折强度均有大幅度提高，但与不掺膨胀剂的试件相比，掺膨胀剂试件的拉伸强度均有所降低，膨胀剂掺量越高，拉伸强度下降幅度越大。由以上结果可知，掺加膨胀剂和高温养护条件下，PVA-ECC的极限拉伸应变有所降低，拉伸强度略有下降，因此实际施工中不建议采用膨胀剂。

2.3.2 干缩变形性能测试 试验参照SL352-2006《水工混凝土试验规程》中8.9水泥砂浆干缩（湿胀）进行，测试PVA-ECC在无外荷载，温、湿度基本稳定的空气中产生的轴向长度变形。试件为40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体，试件成型后送入养护室养护至48 h，拆模后立即送干缩室进行测长，以此作为基准长度测定值，即图1中横坐标龄期为（t-2）d。采用千分表测量其长度变化率。

干缩试验结果见图1。由试验结果可知， PVA-ECC的干缩率在7 d龄期时为（971～994）×10-6，28 d时为（1486～ 1523）×10-6，90 d龄期时为（1633～ 1689）×10-6，180 d龄期时为（1751～ 1821）×10-6。掺1.0%膨胀剂的PVA-ECC其各龄期的干缩率较不掺膨胀剂试件略低，而掺2.0%膨胀剂的PVA-ECC其7 d前各龄期的干缩率较不掺膨胀剂试件略低，随着龄期延长，其干缩率超过不掺膨胀剂试件。由此同样结果表明，PVA-ECC不宜采用膨胀剂。

图1 PVA-ECC干缩试验结果

2.3.3 耐久性能测试

（1）抗冻性能试验。对采用P.O水泥、水胶比为0.40、掺2.0%PVA纤维的ECC进行抗冻试验，试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm棱柱体。试验按SL 352-2006《水工混凝土试验规程》中快冻法进行，试验龄期为28 d。试验结果见表3。由试验结果可知，经1000次冻融循环后，试件相对动弹性模量在80%以上，质量损失率很小，在±1%内上下波动，表明PVA-ECC有良好抗冻性能。

表3 抗冻性能试验结果

（2）抗渗性能试验。对采用P.O水泥、水胶比为0.40、掺2.0%PVA纤维的ECC按SL352-2006《水工混凝土试验规程》中规定的逐级加压法进行抗渗性能试验，试验龄期28 d，最大水压力2.1 MPa，试件均未渗漏，试验结果见表4。由试验结果可见，PVA-ECC具有优良的抗渗性能，抗渗等级达W20以上。

2.3.4 抗冲磨性能测试 试验采用70个不同粒径的钢球作为磨损介质，在搅拌桨以1200 r/min速度旋转的水流中对试件表面进行冲磨，通过测定试件表面受水下高速流动介质的相对抗力，来比较和评价材料的相对抗冲磨能力。试模为圆柱形，内径300 mm，高100 mm。

表4 抗渗性试验结果

PVA-ECC试件抗冲磨试验结果见表5。由试验结果可知，其120 d龄期时的抗冲磨强度为7.0 h/（kg/m2）。冲刷后PVA-ECC试件表面磨损不均匀，试件边缘磨损较多而中部较少。随着养护时间的延长，材料的强度和抗冲磨强度会增加。

表5 PVA-ECC试件抗冲磨试验结果（水下钢球法）

2.3.5 黏接强度测试 为保证PVA-ECC与修补基底混凝土之间的良好黏结，在修补基底混凝土上涂刷界面剂。试验采用了3种界面剂，其中两种环氧类界面剂（分别是老环氧界面剂和改性环氧界面剂）和一种聚合物界面剂（聚合物乳液+水泥）。基底混凝土采用的常态混凝土，龄期超过1年，试验前对基底混凝土进行了凿毛处理，然后涂刷界面剂，界面剂表面浇筑PVA-ECC。测量结果见表6。

表6 PVA-ECC粘结强度试验结果

从表6所示的试验结果来看，采用改性环氧界面剂和聚合物界面剂的拉拔黏结平均强度都达到了2.0 MPa以上，断裂部位是界面处混凝土、拉拔头黏结面或基材混凝土；老环氧界面剂的黏结强度偏低，平均值仅为0.78 MPa。因此，建议PVA-ECC采用聚合物界面剂或者改性环氧界面剂。

2.4 试验结果分析

（1）通过上述试验结果表明，采用普硅水泥制备的PVA-ECC 28 d龄期极限拉伸应变可达到2.61%、拉伸强度为3.75 MPa、抗折强度为12.3 MPa，28 d和90 d抗压强度分别为29.1和44.9 MPa，且后期仍有较大的增长趋势；PVA-ECC与基础混凝土之间使用改性环氧界面剂和聚合物水泥界面剂时，与老混凝土之间的黏接强度均可达到2.0 MPa以上。其高韧性可以适应新安江电站厂房顶因发电振动的环境，其强度可以满足泄洪建筑物高速水流冲刷的要求。（2）热水浸泡条件下PVA-ECC试件的拉伸强度、抗压强度和抗折强度均有较大提高，较其他高分子抗冲磨材料比较，PVA-ECC更能适应新安江电站厂房顶溢流面长期在湿热的水中浸泡的环境。

3 现场工艺试验

2018年在新安江水电站厂房顶进行了现场试验，PVA-ECC试验区域156 m2。现场施工工艺为：（1）基体混凝土表面准备。清除待修补表面的残留物、油脂、污迹、油性物等，清除疏松的混凝土层直到露出混凝土坚硬的基质部分，以保证修补材料与混凝土表面的黏结强度。对于光滑的表面需进行凿毛处理。凿毛深度因混凝土质量而异，控制在1～3 mm内。采用手持角磨机、喷砂、混凝土表面铣刨机等打毛方式。当基面未清理干净时易造成空鼓或脱落，影响界面黏结强度。（2）材料拌和。拌和时，先将称量好的砂子、水泥、粉煤灰和外加剂等加入搅拌机搅拌2 min，再加入水搅拌5min，然后向旋转的搅拌机中加入PVA纤维，搅拌6 min，直到纤维均匀分散。试验证明，这种搅拌方式可使纤维在砂浆中均匀分散。（3）浇筑。在清理完毕的混凝土表面涂刷界面剂，分别涂刷水泥基底涂和环氧基底涂界面剂，界面剂表面触干后即可施工PVA-ECC。将搅拌均匀的纤维超高韧性水泥基复合浆体摊铺试验区域，用镘刀摊平，或用平板振捣器摊平，拍打、抹光。在浆体初凝前进行二次抹面，以便获得致密、光洁平整的表面。抹面时，材料表面禁止洒水。由于该材料表干时间约8-9 h，为了提供二次抹面的条件，现场采用了跳仓间隔浇筑的施工方案。（4）养护。待修补材料终凝后，进行洒水养护。

通过现场工艺性试验，改进了搅拌方式，确定了搅拌时间，可以保证纤维在砂浆中均匀分散；用平板振捣器摊平、抹光，并且在浆体初凝前进行二次抹光，可以获得致密、光洁平整的表面；采用跳仓间隔浇筑的施工，即为二次抹面提供了条件，又避免了因早期材料收缩出现裂缝的风险。经过近一年的运行考验，目前现场浇筑的PVA-ECC表面情况良好，无开裂、脱空等现象。

4 结论

（1）PVA-ECC本体强度和黏接强度较高，可以满足泄洪建筑物高速水流冲刷的要求；（2）PVA-ECC的均匀性对其性能影响很大，搅拌时应按规程操作，保证纤维在砂浆基体中均匀分散；（3）PVA-ECC中水灰比较高，其表干固化时间较长，在浆体初凝前需要进行二次抹面，以便获得致密、光洁平整的表面；（4）PVA-ECC具有良好的耐久性，其抗渗性、抗冻性、抗碳化、抗裂等性能都远远优于传统的水泥基材料，能适应新安江电站厂房顶溢流面长期在湿热水中浸泡的环境；（5）由于该材料首次在水利水电工程泄洪建筑物表面防护中应用，其效果有待于长期观察。