摻聚乙烯醇纖維的抗裂改性水泥的性能與應用研究

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瀏覽：發布日期：2020年02月24日 09:06:06【大中小】

　　摘要：抗裂性差是水泥基材料存在的主要問題之一，嚴重影響水泥基材料物理力學性能和耐久性。本文對摻PVA纖維的抗裂改性水泥的性能與應用進行了研究。結果表明，與普通水泥砂漿相比，摻PVA纖維的抗裂砂漿的強度、變形性能、抗裂性和耐久性均具有明顯改善。PVA纖維增強抗裂砂漿技術在工程中得到了實際的應用。

　　關鍵詞：PVA纖維;水泥砂漿;強度;塑性開裂;耐久性;工程應用

　　0 前言

　　水泥是制備水泥砂漿、混凝土及各種水泥制品的重要原材料，是土木工程不可缺少的重要建筑材料之一。水泥雖然有良好的強度和可施工性，但是水泥砂漿、混凝土及其制品存抗裂性差的缺陷，易產生干縮裂紋和溫度裂紋。這些裂紋隨時間的推移是不斷變化與發展的，細微的裂紋不斷擴展，最終發展為較大的裂縫。基于上述原因產生砂漿的開裂、水泥制品的開裂和混凝土結構的開裂問題近年來日趨嚴重和增多，嚴重影響到砂漿、混凝土的耐久性，成為困擾著廣大工程技術人員的難題。大量的建筑、橋梁、隧道、高速公路等，在使用10～20年就出現嚴重的破壞。裂縫的存在，導致防水失效，使得混凝土的性能變差，基體劣化直至破壞。具有關資料統計，每年全世界因混凝土開裂而造成的損失高達數千億美元。我國的情況也是如此，許多新建工程都出現了嚴重的開裂現象，尤其是建筑物墻體和樓面的開裂問題，已被列為建筑十大質量通病之首。每年都給國家造成巨大的經濟損失，因此進行抗裂改性水泥的性能與應用研究對提高工程結構的使用性能和耐久性、節能減排、走可持續發展的道路具有重大的技術經濟效益和社會效益。

　　1 抗裂改性水泥的研制

　　1.1 PVA纖維的特性分析

　　聚乙烯醇(polyvinyl alcohol)，簡稱PVA，結構式為：

　　PVA纖維具有以下特性：

　　(1)不同有機纖維的物理力學性能見表1，高強高模聚乙烯醇(PVA)纖維的抗拉強度1300 ~1500MPa;彈性模量37.6GPa;斷裂伸長率6~8%。斷裂伸長率15%。高強高模聚乙烯醇纖維的機械性能遠高于丙綸纖維的機械性能近10倍。高強高模聚乙烯醇(PVA)纖維對混凝土/砂漿的強度有明顯增強作用。高強高模聚乙烯醇(PVA)纖維的變形性能、抗裂性能、和耐久性均高于其它有機纖維。

　　表1 不同有機纖維的物理力學性能

纖維名稱	密度（g/cm³）	直徑（mm）	抗拉強度（MPa）	楊氏模量（GPa）	極限延伸率（%）
高強高模PVA纖維	1.3	20±2	1428	37.6	6~8
中強中模PVA纖維	1.3	20±2	900	20.7	9~12
改性維綸纖維	1.3	12~13	800~900	14~16	11~12
杜拉纖維	0.91	15±2	276	3.79	15
改性丙綸	0.9	100~800	500~700	9	7~9

　　(2) 高強高模聚乙烯醇(PVA)纖維有良好的親水性，纖維的橫截面呈異形狀。非常有利于與水泥基材的黏結。纖維與水泥基材界面黏結主要借助與范德華力，因分子鏈上有一個(-C-OH)基團(羥基)可與水泥水化產物的(-OH)基團形成氫鍵結合，從而進一步增進二者的黏合。

　　1.2 PVA纖維抗裂改性水泥的制備

　　抗裂改性水泥組成主要為通用硅酸鹽水泥中加入一定量的高強高模纖維和纖維分散劑組成。(其中，高強高模纖維為PVA纖維，纖維長度為0.2~6.0㎜)，抗裂改性水泥制備步驟如下[1]：

　　(1)按配比稱量各原料;

　　(2)將高強高模纖維投入帶有高速飛刀的混和機中，并加入纖維分散劑攪拌均勻;

　　(3)將水泥或膠凝材料投入帶有高速飛刀的混和機攪拌均勻;

　　(4)當高強高模纖維在水泥或膠凝材料中達到均勻分散程度后，進行自動計量包裝即可。

　　2 摻PVA纖維的抗裂改性水泥的應用

　　2.1 抗裂改性水泥的用途

　　抗裂改性水泥可用于：

　　(1)修建高標準機場跑道、高等級公路、停機坪、大跨度橋梁、曲形屋頂屋面、高層建筑的轉換大梁、柱、樓板，江河堤壩、港口碼頭、礦井隧道、涵洞、儲水池、游泳池等大體積混凝土澆筑。

　　(2)可用于生產各種水泥制品，如各種屋頂、彩瓦、裝飾墻板、輕質隔墻板、地板、地磚、室內吊頂、大口徑下水管道、水管及水管接頭、城市雕塑、大棚支架、防火板、通風道、井圈井蓋。

　　(3)生產商品干混砂漿，如抹面抗裂砂漿等[2]。

　　本文主要研究了抗裂改性水泥砂漿性能。

　　2.2 抗裂改性水泥砂漿性能與應用

　　2.2.1 抗裂改性水泥砂漿性能

　　(1)砂漿原材料與配合比

　　水泥：一種為P·O 32.5普通水泥，另一種是摻PVA纖維的P·F32.5抗裂水泥，水泥為同一水泥生產企業生產;

　　砂：中砂(過2.36mm篩);

　　拌合水：自來水。

　　本文對比試驗采用兩種水泥配制M10水泥砂漿，其配合比參數為水泥∶砂∶水=1∶3.5∶0.55。

　　(2)抗裂改性水泥砂漿力學性能

　　按照砂漿配合比成型水泥砂漿試件，養護到規定齡期，其力學性能試驗按照JGJ 70-90《建筑砂漿基本性能試驗方法》中規定的方法進行，試驗結果列于表2中。

　　表2 水泥砂漿強度試驗結果(MPa)

膠凝材料類別	3d		7d			28d
	抗折強度	抗壓強度	抗折強度	抗壓強度	抗折強度		抗壓強度
P·O 32.5	1.83	6.06	2.89	8.06	3.47		11.7
P·F32.5	1.98	6.66	2.96	8.34	3.50		12.6
強度提高率/%	8.2	9.9	3.5	8.4	3.7		8.1

　　由表2中的試驗結果可以看出：PVA纖維可以明顯增強水泥砂漿的抗壓強度和抗折強度，28d抗壓強度提高率為8.1;28d抗折強度提高率為3.7%，這與PVA纖維彈性模量較高有關。

　　(4) 干燥收縮

　　按照砂漿配合比成型水泥砂漿試件，養護到規定齡期，水泥砂漿干燥收縮試驗按照《建筑砂漿基本性能試驗方法》(JGJ 70-90)中規定的方法進行。

　　由32.5P·O配制的M10水泥砂漿，干燥收縮率28d為0.100%，56d為0.117%;用摻聚乙烯醇纖維的32.5P·F配制的M10水泥砂漿干燥收縮率28d為0.051%，56d為0.073%，比對比組分別減少了49%和37.6%，水泥砂漿的干燥收縮發展趨勢見圖1。

　　圖1 砂漿干燥收縮發展趨勢

　　從圖1可以看出，抗裂水泥砂漿的各齡期的干燥收縮率均低于普通水泥砂漿，表現出較好的抗干燥收縮性能。

　　(5)抗塑性開裂性能

　　砂漿抗裂性試驗按照JC/T 951-2005《水泥砂漿抗裂性能試驗方法》中規定的試驗方法進行，試驗結果列于表3中。

　　表3 水泥砂漿抗裂性試驗結果

裂縫寬（mm）	權重值	P·O	P·F	抗開裂性能比（%）
裂縫寬（mm）	權重值	裂縫長度（mm）	裂縫長度（mm）	抗開裂性能比（%）
3>d≥2	2	35	-	93.6
2>d≥1	1	25	-
1>d≥0.5	0.5	10	12.8
開裂指數（mm）		100	6.4

　　由P·O32.5配制的M10水泥砂漿，裂縫最大寬度為2.5mm，;用摻聚乙烯醇纖維的P·F32.5配制的M10水泥砂漿裂縫最大寬度為0.75mm，抗裂性提高了93.6%。

　　PVA纖維摻入混凝土中，增加了混凝土的稠度，抑制了膠凝材料中較重顆粒的下沉運動。PVA纖維可以在塑性混凝土中形成網狀結構，當集料顆粒下沉時，纖維形成的網狀結構可以對其起到牽扯的作用。PVA纖維是一種具有柔性的合成纖維，PVA纖維的摻入不僅提高了PVA纖維混凝土中基體的黏性與稠度，阻礙集料的下沉，而且由于它良好的親水性，與膠凝材料的黏結力強，當集料的下沉引起漿體的流動時，貫穿其中的無數PVA纖維與漿體的互相牽扯，抑制了漿體的流動性，限制了置于其中的集料的運動[3]。

　　(6) 抗凍性能

　　按照砂漿配合比成型水泥砂漿試件，養護到規定齡期，水泥砂漿抗凍性試驗按照《建筑砂將基本性能試驗方法》(JGJ 70-90)中規定的方法進行。采用慢凍法對砂漿試塊進行凍融循環試驗，水泥砂漿抗凍性試驗結果列于表4中。

　　表4 水泥砂漿抗凍性試驗結果(100次凍融循環)

組別	常溫		凍融		性能降低率（％）
組別	抗折強度（MPa）	抗壓強度（MPa）	抗折強度（MPa）	抗壓強度（MPa）	抗折	抗壓
P·O	4.34	15.0	2.41	5.1	44.5	66.0
P·F	4.49	15.4	3.46	12.9	22.9	16.2

　　由P·O32.5配制的M10水泥砂漿，經100次凍融循環后重量損失率為3.5%、抗折強度降低44.5%，抗壓強度降低66.0%;用摻聚乙烯醇纖維的32.5P·F配制的M10抗裂水泥砂漿，經100次凍融循環后重量損失率為2.6%、抗壓強度降低16.2%，滿足F100。摻PVA纖維的水泥砂漿抗凍性的改善主要與纖維的減縮抗裂作用減小了水泥材料的缺陷和PVA纖維與基體的良好黏接性能，提高了水泥基材料的抗拉強度，進而提高了抵抗水結冰產生的結晶壓力的能力。

　　(7)水泥砂漿耐腐蝕性能

　　水泥砂漿耐腐蝕性能采用不同腐蝕環境浸泡法，分別在5%的硫酸鹽溶液、3.5%氯鹽溶液和PH值為4~5的硫酸溶液中浸泡30d，測試砂漿的強度變化率。

　　由P·O32.5配制的M10水泥砂漿，在PH為4~5的硫酸溶液中浸泡30d，抗壓強度降低34.7%，在5%的硫酸鹽溶液浸泡30d，抗壓強度降低6.7%，在3.5%氯鹽溶液浸泡30d，抗壓強度降低5.3%;用摻聚乙烯醇纖維的32.5P·F配制的M10抗裂水泥砂漿，在4~5的硫酸溶液中浸泡30d，抗壓強度降低32.5%，在5%的硫酸鹽溶液浸泡30d，抗壓強度降低6.1%，在3.5%氯鹽溶液浸泡30d，抗壓強度降低3.1%，其耐腐蝕性能均好于由P·O32.5配制的M10水泥砂漿。

　　2.2.2 抗裂改性砂漿的工程應用

　　(1)工程概況

　　溫州市的“同人花園”項目位于溫州市城市中心區上江路1#地塊，用地面積12.248公頃，總建筑面積233612m2(其中地上191262 m2，地下42350 m2，配備800個停車位)，容積率為1.56，綠化率達50.2﹪，住宅層數16~18層，該區域環境優美，周邊為溫州市高檔住宅區，規劃交通便捷。

　　(2)工程應用

　　施工質量的好壞將直接影響到加氣混凝土建材的整體形象，在工程實際應用中，有的施工單位在施工過程中暴露出施工工藝與之不相適應，以對待傳統材料的方式來對待加氣混凝土砌塊，致使房屋使用期間出現裝飾面掉皮﹑墻體開裂﹑空鼓等質量通病(主要是由于加氣混凝土“墨水瓶”式氣孔結構的特點)，從而使人們在建筑工程中使用加氣混凝土砌塊時心有余悸，影響其應用效果;通過對浙江省及溫州周邊地區的調查對比論證后，為有效解決墻體的保溫隔熱﹑隔聲問題，采用了加氣混凝土砌塊，但加氣混凝土砌塊需要解決一個通病，就是墻體的開裂﹑空鼓﹑起殼﹑剝落問題，相關單位并對墻體工程的砌筑﹑抹灰采用了加氣混凝土砌塊專用配套砂漿—抗裂抹面砂漿等新材料，有效地解決了墻面開裂﹑空鼓﹑起殼等問題[4]，圖2為抗裂抹面砂漿的施工效果照片。

　　通過試點示范工程項目，加氣混凝土砌塊建筑采用專用配套抗裂砂漿等措施，提高墻體抗裂性能，解決墻面空鼓、開裂問題。據此可以總結出防止砌塊墻體開裂的措施，編制出相應的建筑技術和施工操作規程﹑工程質量驗收規定，為加氣混凝土砌塊和專用的配套砂漿的推廣應用提供可靠的技術規范。通過試點示范工程項目，取得新墻材使用的技術參數和評定結果，用真實數字和實物形態來讓大家體驗到使用新墻材所具有的社會效益、經濟效益和環境效益。

　　圖2 PVA纖維抗裂抹面砂漿抹面效果

　　圖3 閘室墻PVA纖維混凝土試驗段

　　3 摻PVA纖維的水泥混凝土的性能與應用

　　3.1 工程概況

　　結合皂河三線船閘的工程建設，進行了PVA纖維水泥混凝土的性能與應用研究。皂河三線船閘級別為Ⅱ級，閘室為鋼筋混凝土整體塢式結構，閘室總長260m，閘室凈寬23.0m。閘室共分14節，中間12節每節長20m，端部兩節各長10m，伸縮縫設兩道止水。閘室底板頂高程為13.33m(鎮靜段除外)，底板底高程為10.73m。閘室墻底厚2.50m，上底0.6m，在墻趾處設1.0m×1.8m倒角。閘室墻混凝土強度等級為C25，要求混凝土設計壽命不低于50年，以提高混凝土施工性能和結構的長期耐久性能，延長混凝土結構的使用壽命。

　　3.2 摻PVA纖維的水泥混凝土的性能

　　采用工程現場原材料，山東上聯水泥有限公司生產的P·O32.5，邳州電廠產的Ⅰ級粉煤灰，駱馬湖中砂，細度模數為2.9，粗集料采用石灰巖碎石，5～40mm連續級配。外加劑采用JM-PCA和UNF-3，有機纖維采用高強高模聚乙烯醇纖維(PVAF)和潤強絲牌聚丙烯纖維(PPF)。

　　根據結構混凝土要求進行初步設計，混凝土配合比參數：水膠比為0.45;砂率為36%;粉煤灰摻量為10%;纖維體積摻量為0.1%。混凝土配合比如表3。

　　表3 混凝土配合比

配比編號	原材料（kg/m³）
配比編號	C	FA	S	G	W	纖維	外加劑
U-0	340	50	657	1169	175	/	UNF-3 5.85
P-PPF（0.9）	340	50	657	1169	175	PPF0.9	JM-PCA 5.85
P-PVA（1.2）	340	39	657	1169	175	PVAF1.2	JM-PCA 5.85
U-PVA（1.2）	340	39	657	1169	175	PVAF1.2	UNF-3 6.63

　　注：U-0代表空白組，U-PVA為采用萘系減水劑UNF-3和PVA纖維，P-PVA為采用聚羧酸類超塑化劑JM-PCA和PVA纖維，P-PPF為采用聚羧酸類超塑化劑JM-PCA和PP纖維。

　　按表3配合比制備了四組混凝土，測試其工作性和物理力學性能，試驗結果列于表4中。

　　表4 混凝土工作性和物理力學性能

性能編號	坍落度（mm）		抗壓強度（MPa）		28d抗折強度（MPa）	抗壓彈性模量（GPa）
性能編號	0h	0.5h	7d	28	28d抗折強度（MPa）	抗壓彈性模量（GPa）
U-0	150	130	28.7	37.0	4.20	36.3
P-PPF（0.9）	140	132	26.5	36.0	4.31	36.4
P-PVA（1.2）	135	120	26.4	36.0	4.30	37.6
U-PVA（1.2）	130	116	25.3	35.4	4.67	36.7

　　試驗結果表明，所制備的混凝土具有良好的工作性和力學性能，滿足工程設計要求。考慮到實際情況和經濟性等問題，采用U-PVA(1.2)作為船閘閘室墻試驗段混凝土配合比。PVAF纖維的摻入(摻量0.9~1.2kg/m3)，能改善混凝土耐撞磨性和抗沖擊性能。摻JM- PCA混凝土抗沖擊性能和耐撞磨性能均好于摻UNF-3的混凝土。采用三摻技術(摻Ⅰ級優質粉煤灰、PVAF 纖維和聚羧酸類超塑化劑)配制的混凝土可獲得良好的工作性、力學性能，同時較好地改善了閘室墻混凝土抗沖擊和耐撞磨性能[5]。

　　配制的閘室墻高性能混凝土的抗滲等級達到P10，電通量不超過1000C，Clˉ滲透系數不超過8.0×10-12m2/s，28d碳化深度不超過25mm，鋼筋銹蝕率較低;耐久性良好。適量粉煤灰的摻入能改善混凝土的孔結構，提高混凝土抗滲性能，抗Clˉ滲透性能。混凝土的碳化性能和鋼筋銹蝕性能與粉煤灰的摻量有關。

　　3.3 摻PVA纖維混凝土的應用

　　為了克服船閘導角和閘室墻齡期不同的新老混凝土收縮不一致而引起的約束性裂縫，改善閘室墻結構混凝土的性能和澆筑質量，提高混凝土的抗裂性、耐撞磨性和耐久性。采用摻PVA纖維混凝土和局部增加橫向抗裂鋼筋的技術措施。

　　采用摻PVA纖維的C25高性能混凝土。經研究，采用高彈高模的聚乙烯醇纖維(PVAF)，對混凝土具有增強、增韌、限縮和阻裂作用;可減少原生裂縫的引發和干縮裂縫的擴展、改善混凝土的抗裂性、抗撞磨能力和耐久性。

　　采用“三摻技術”制備的閘室墻混凝土具有良好的工作性、力學性能、抗裂和耐撞磨性能，試驗段沒有出現危害性裂縫。圖3為閘室墻澆筑的纖維混凝土的試驗段，可以看出總體質量良好。

　　4 結論

　　(1)試驗結果表明，采用摻聚乙烯醇纖維的抗裂水泥配制的抗裂砂漿，與同強度等級普通水泥配制的普通砂漿相比，其強度、變形性能、抗裂性和耐久性均具有明顯改善。

　　(2)抗裂水泥砂漿的工程應用效果較好，有效解決了加氣混凝土砌塊墻體的開裂﹑空鼓﹑起殼﹑剝落等質量通病，具有良好的經濟效益和社會效益。

　　(3)采用摻PVA纖維制備的閘室墻抗裂混凝土具有良好的工作性、力學性能和耐撞磨性能和耐久性。

　　作者簡介：胡康寧(1956.6-)男，工程師，

　　來源：混凝土技術交流

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