掺聚乙烯醇纤维的抗裂改性水泥的性能与应用研究

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浏览：发布日期：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问题之一，严重影响水泥基材料物理力学性能和耐久性。本文对掺PVA纤维的抗裂改性水泥的性能与应用进行了研究。结果表明，与普通水泥砂浆相比，掺PVA纤维的抗裂砂浆的强度、变形性能、抗裂性和耐久性均具有明显改善。PVA纤维增强抗裂砂浆技术在工程中得到了实际的应用。

　　关键词：PVA纤维;水泥砂浆;强度;塑性开裂;耐久性;工程应用

　　0 前言

　　水泥是制备水泥砂浆、混凝土及各种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。水泥虽然有良好的强度和可施工性，但是水泥砂浆、混凝土及其制品存抗裂性差的缺陷，易产生干缩裂纹和温度裂纹。这些裂纹随时间的推移是不断变化与发展的，细微的裂纹不断扩展，最终发展为较大的裂缝。基于上述原因产生砂浆的开裂、水泥制品的开裂和混凝土结构的开裂问题近年来日趋严重和增多，严重影响到砂浆、混凝土的耐久性，成为困扰着广大工程技术人员的难题。大量的建筑、桥梁、隧道、高速公路等，在使用10～20年就出现严重的破坏。裂缝的存在，导致防水失效，使得混凝土的性能变差，基体劣化直至破坏。具有关资料统计，每年全世界因混凝土开裂而造成的损失高达数千亿美元。我国的情况也是如此，许多新建工程都出现了严重的开裂现象，尤其是建筑物墙体和楼面的开裂问题，已被列为建筑十大质量通病之首。每年都给国家造成巨大的经济损失，因此进行抗裂改性水泥的性能与应用研究对提高工程结构的使用性能和耐久性、节能减排、走可持续发展的道路具有重大的技术经济效益和社会效益。

　　1 抗裂改性水泥的研制

　　1.1 PVA纤维的特性分析

　　聚乙烯醇(polyvinyl alcohol)，简称PVA，结构式为：

　　PVA纤维具有以下特性：

　　(1)不同有机纤维的物理力学性能见表1，高强高模聚乙烯醇(PVA)纤维的抗拉强度1300 ~1500MPa;弹性模量37.6GPa;断裂伸长率6~8%。断裂伸长率15%。高强高模聚乙烯醇纤维的机械性能远高于丙纶纤维的机械性能近10倍。高强高模聚乙烯醇(PVA)纤维对混凝土/砂浆的强度有明显增强作用。高强高模聚乙烯醇(PVA)纤维的变形性能、抗裂性能、和耐久性均高于其它有机纤维。

　　表1 不同有机纤维的物理力学性能

纤维名称	密度（g/cm³）	直径（mm）	抗拉强度（MPa）	杨氏模量（GPa）	极限延伸率（%）
高强高模PVA纤维	1.3	20±2	1428	37.6	6~8
中强中模PVA纤维	1.3	20±2	900	20.7	9~12
改性维纶纤维	1.3	12~13	800~900	14~16	11~12
杜拉纤维	0.91	15±2	276	3.79	15
改性丙纶	0.9	100~800	500~700	9	7~9

　　(2) 高强高模聚乙烯醇(PVA)纤维有良好的亲水性，纤维的横截面呈异形状。非常有利于与水泥基材的黏结。纤维与水泥基材界面黏结主要借助与范德华力，因分子链上有一个(-C-OH)基团(羟基)可与水泥水化产物的(-OH)基团形成氢键结合，从而进一步增进二者的黏合。

　　1.2 PVA纤维抗裂改性水泥的制备

　　抗裂改性水泥组成主要为通用硅酸盐水泥中加入一定量的高强高模纤维和纤维分散剂组成。(其中，高强高模纤维为PVA纤维，纤维长度为0.2~6.0㎜)，抗裂改性水泥制备步骤如下[1]：

　　(1)按配比称量各原料;

　　(2)将高强高模纤维投入带有高速飞刀的混和机中，并加入纤维分散剂搅拌均匀;

　　(3)将水泥或胶凝材料投入带有高速飞刀的混和机搅拌均匀;

　　(4)当高强高模纤维在水泥或胶凝材料中达到均匀分散程度后，进行自动计量包装即可。

　　2 掺PVA纤维的抗裂改性水泥的应用

　　2.1 抗裂改性水泥的用途

　　抗裂改性水泥可用于：

　　(1)修建高标准机场跑道、高等级公路、停机坪、大跨度桥梁、曲形屋顶屋面、高层建筑的转换大梁、柱、楼板，江河堤坝、港口码头、矿井隧道、涵洞、储水池、游泳池等大体积混凝土浇筑。

　　(2)可用于生产各种水泥制品，如各种屋顶、彩瓦、装饰墙板、轻质隔墙板、地板、地砖、室内吊顶、大口径下水管道、水管及水管接头、城市雕塑、大棚支架、防火板、通风道、井圈井盖。

　　(3)生产商品干混砂浆，如抹面抗裂砂浆等[2]。

　　本文主要研究了抗裂改性水泥砂浆性能。

　　2.2 抗裂改性水泥砂浆性能与应用

　　2.2.1 抗裂改性水泥砂浆性能

　　(1)砂浆原材料与配合比

　　水泥：一种为P·O 32.5普通水泥，另一种是掺PVA纤维的P·F32.5抗裂水泥，水泥为同一水泥生产企业生产;

　　砂：中砂(过2.36mm筛);

　　拌合水：自来水。

　　本文对比试验采用两种水泥配制M10水泥砂浆，其配合比参数为水泥∶砂∶水=1∶3.5∶0.55。

　　(2)抗裂改性水泥砂浆力学性能

　　按照砂浆配合比成型水泥砂浆试件，养护到规定龄期，其力学性能试验按照JGJ 70-90《建筑砂浆基本性能试验方法》中规定的方法进行，试验结果列于表2中。

　　表2 水泥砂浆强度试验结果(MPa)

胶凝材料类别	3d		7d			28d
	抗折强度	抗压强度	抗折强度	抗压强度	抗折强度		抗压强度
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
强度提高率/%	8.2	9.9	3.5	8.4	3.7		8.1

　　由表2中的试验结果可以看出：PVA纤维可以明显增强水泥砂浆的抗压强度和抗折强度，28d抗压强度提高率为8.1;28d抗折强度提高率为3.7%，这与PVA纤维弹性模量较高有关。

　　(4) 干燥收缩

　　按照砂浆配合比成型水泥砂浆试件，养护到规定龄期，水泥砂浆干燥收缩试验按照《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ 70-90)中规定的方法进行。

　　由32.5P·O配制的M10水泥砂浆，干燥收缩率28d为0.100%，56d为0.117%;用掺聚乙烯醇纤维的32.5P·F配制的M10水泥砂浆干燥收缩率28d为0.051%，56d为0.073%，比对比组分别减少了49%和37.6%，水泥砂浆的干燥收缩发展趋势见图1。

　　图1 砂浆干燥收缩发展趋势

　　从图1可以看出，抗裂水泥砂浆的各龄期的干燥收缩率均低于普通水泥砂浆，表现出较好的抗干燥收缩性能。

　　(5)抗塑性开裂性能

　　砂浆抗裂性试验按照JC/T 951-2005《水泥砂浆抗裂性能试验方法》中规定的试验方法进行，试验结果列于表3中。

　　表3 水泥砂浆抗裂性试验结果

裂缝宽（mm）	权重值	P·O	P·F	抗开裂性能比（%）
裂缝宽（mm）	权重值	裂缝长度（mm）	裂缝长度（mm）	抗开裂性能比（%）
3>d≥2	2	35	-	93.6
2>d≥1	1	25	-
1>d≥0.5	0.5	10	12.8
开裂指数（mm）		100	6.4

　　由P·O32.5配制的M10水泥砂浆，裂缝最大宽度为2.5mm，;用掺聚乙烯醇纤维的P·F32.5配制的M10水泥砂浆裂缝最大宽度为0.75mm，抗裂性提高了93.6%。

　　PVA纤维掺入混凝土中，增加了混凝土的稠度，抑制了胶凝材料中较重颗粒的下沉运动。PVA纤维可以在塑性混凝土中形成网状结构，当集料颗粒下沉时，纤维形成的网状结构可以对其起到牵扯的作用。PVA纤维是一种具有柔性的合成纤维，PVA纤维的掺入不仅提高了PVA纤维混凝土中基体的黏性与稠度，阻碍集料的下沉，而且由于它良好的亲水性，与胶凝材料的黏结力强，当集料的下沉引起浆体的流动时，贯穿其中的无数PVA纤维与浆体的互相牵扯，抑制了浆体的流动性，限制了置于其中的集料的运动[3]。

　　(6) 抗冻性能

　　按照砂浆配合比成型水泥砂浆试件，养护到规定龄期，水泥砂浆抗冻性试验按照《建筑砂将基本性能试验方法》(JGJ 70-90)中规定的方法进行。采用慢冻法对砂浆试块进行冻融循环试验，水泥砂浆抗冻性试验结果列于表4中。

　　表4 水泥砂浆抗冻性试验结果(100次冻融循环)

组别	常温		冻融		性能降低率（％）
组别	抗折强度（MPa）	抗压强度（MPa）	抗折强度（MPa）	抗压强度（MPa）	抗折	抗压
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水泥砂浆，经100次冻融循环后重量损失率为3.5%、抗折强度降低44.5%，抗压强度降低66.0%;用掺聚乙烯醇纤维的32.5P·F配制的M10抗裂水泥砂浆，经100次冻融循环后重量损失率为2.6%、抗压强度降低16.2%，满足F100。掺PVA纤维的水泥砂浆抗冻性的改善主要与纤维的减缩抗裂作用减小了水泥材料的缺陷和PVA纤维与基体的良好黏接性能，提高了水泥基材料的抗拉强度，进而提高了抵抗水结冰产生的结晶压力的能力。

　　(7)水泥砂浆耐腐蚀性能

　　水泥砂浆耐腐蚀性能采用不同腐蚀环境浸泡法，分别在5%的硫酸盐溶液、3.5%氯盐溶液和PH值为4~5的硫酸溶液中浸泡30d，测试砂浆的强度变化率。

　　由P·O32.5配制的M10水泥砂浆，在PH为4~5的硫酸溶液中浸泡30d，抗压强度降低34.7%，在5%的硫酸盐溶液浸泡30d，抗压强度降低6.7%，在3.5%氯盐溶液浸泡30d，抗压强度降低5.3%;用掺聚乙烯醇纤维的32.5P·F配制的M10抗裂水泥砂浆，在4~5的硫酸溶液中浸泡30d，抗压强度降低32.5%，在5%的硫酸盐溶液浸泡30d，抗压强度降低6.1%，在3.5%氯盐溶液浸泡30d，抗压强度降低3.1%，其耐腐蚀性能均好于由P·O32.5配制的M10水泥砂浆。

　　2.2.2 抗裂改性砂浆的工程应用

　　(1)工程概况

　　温州市的“同人花园”项目位于温州市城市中心区上江路1#地块，用地面积12.248公顷，总建筑面积233612m2(其中地上191262 m2，地下42350 m2，配备800个停车位)，容积率为1.56，绿化率达50.2﹪，住宅层数16~18层，该区域环境优美，周边为温州市高档住宅区，规划交通便捷。

　　(2)工程应用

　　施工质量的好坏将直接影响到加气混凝土建材的整体形象，在工程实际应用中，有的施工单位在施工过程中暴露出施工工艺与之不相适应，以对待传统材料的方式来对待加气混凝土砌块，致使房屋使用期间出现装饰面掉皮﹑墙体开裂﹑空鼓等质量通病(主要是由于加气混凝土“墨水瓶”式气孔结构的特点)，从而使人们在建筑工程中使用加气混凝土砌块时心有余悸，影响其应用效果;通过对浙江省及温州周边地区的调查对比论证后，为有效解决墙体的保温隔热﹑隔声问题，采用了加气混凝土砌块，但加气混凝土砌块需要解决一个通病，就是墙体的开裂﹑空鼓﹑起壳﹑剥落问题，相关单位并对墙体工程的砌筑﹑抹灰采用了加气混凝土砌块专用配套砂浆—抗裂抹面砂浆等新材料，有效地解决了墙面开裂﹑空鼓﹑起壳等问题[4]，图2为抗裂抹面砂浆的施工效果照片。

　　通过试点示范工程项目，加气混凝土砌块建筑采用专用配套抗裂砂浆等措施，提高墙体抗裂性能，解决墙面空鼓、开裂问题。据此可以总结出防止砌块墙体开裂的措施，编制出相应的建筑技术和施工操作规程﹑工程质量验收规定，为加气混凝土砌块和专用的配套砂浆的推广应用提供可靠的技术规范。通过试点示范工程项目，取得新墙材使用的技术参数和评定结果，用真实数字和实物形态来让大家体验到使用新墙材所具有的社会效益、经济效益和环境效益。

　　图2 PVA纤维抗裂抹面砂浆抹面效果

　　图3 闸室墙PVA纤维混凝土试验段

　　3 掺PVA纤维的水泥混凝土的性能与应用

　　3.1 工程概况

　　结合皂河三线船闸的工程建设，进行了PVA纤维水泥混凝土的性能与应用研究。皂河三线船闸级别为Ⅱ级，闸室为钢筋混凝土整体坞式结构，闸室总长260m，闸室净宽23.0m。闸室共分14节，中间12节每节长20m，端部两节各长10m，伸缩缝设两道止水。闸室底板顶高程为13.33m(镇静段除外)，底板底高程为10.73m。闸室墙底厚2.50m，上底0.6m，在墙趾处设1.0m×1.8m倒角。闸室墙混凝土强度等级为C25，要求混凝土设计寿命不低于50年，以提高混凝土施工性能和结构的长期耐久性能，延长混凝土结构的使用寿命。

　　3.2 掺PVA纤维的水泥混凝土的性能

　　采用工程现场原材料，山东上联水泥有限公司生产的P·O32.5，邳州电厂产的Ⅰ级粉煤灰，骆马湖中砂，细度模数为2.9，粗集料采用石灰岩碎石，5～40mm连续级配。外加剂采用JM-PCA和UNF-3，有机纤维采用高强高模聚乙烯醇纤维(PVAF)和润强丝牌聚丙烯纤维(PPF)。

　　根据结构混凝土要求进行初步设计，混凝土配合比参数：水胶比为0.45;砂率为36%;粉煤灰掺量为10%;纤维体积掺量为0.1%。混凝土配合比如表3。

　　表3 混凝土配合比

配比编号	原材料（kg/m³）
配比编号	C	FA	S	G	W	纤维	外加剂
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代表空白组，U-PVA为采用萘系减水剂UNF-3和PVA纤维，P-PVA为采用聚羧酸类超塑化剂JM-PCA和PVA纤维，P-PPF为采用聚羧酸类超塑化剂JM-PCA和PP纤维。

　　按表3配合比制备了四组混凝土，测试其工作性和物理力学性能，试验结果列于表4中。

　　表4 混凝土工作性和物理力学性能

性能编号	坍落度（mm）		抗压强度（MPa）		28d抗折强度（MPa）	抗压弹性模量（GPa）
性能编号	0h	0.5h	7d	28	28d抗折强度（MPa）	抗压弹性模量（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

　　试验结果表明，所制备的混凝土具有良好的工作性和力学性能，满足工程设计要求。考虑到实际情况和经济性等问题，采用U-PVA(1.2)作为船闸闸室墙试验段混凝土配合比。PVAF纤维的掺入(掺量0.9~1.2kg/m3)，能改善混凝土耐撞磨性和抗冲击性能。掺JM- PCA混凝土抗冲击性能和耐撞磨性能均好于掺UNF-3的混凝土。采用三掺技术(掺Ⅰ级优质粉煤灰、PVAF 纤维和聚羧酸类超塑化剂)配制的混凝土可获得良好的工作性、力学性能，同时较好地改善了闸室墙混凝土抗冲击和耐撞磨性能[5]。

　　配制的闸室墙高性能混凝土的抗渗等级达到P10，电通量不超过1000C，Clˉ渗透系数不超过8.0×10-12m2/s，28d碳化深度不超过25mm，钢筋锈蚀率较低;耐久性良好。适量粉煤灰的掺入能改善混凝土的孔结构，提高混凝土抗渗性能，抗Clˉ渗透性能。混凝土的碳化性能和钢筋锈蚀性能与粉煤灰的掺量有关。

　　3.3 掺PVA纤维混凝土的应用

　　为了克服船闸导角和闸室墙龄期不同的新老混凝土收缩不一致而引起的约束性裂缝，改善闸室墙结构混凝土的性能和浇筑质量，提高混凝土的抗裂性、耐撞磨性和耐久性。采用掺PVA纤维混凝土和局部增加横向抗裂钢筋的技术措施。

　　采用掺PVA纤维的C25高性能混凝土。经研究，采用高弹高模的聚乙烯醇纤维(PVAF)，对混凝土具有增强、增韧、限缩和阻裂作用;可减少原生裂缝的引发和干缩裂缝的扩展、改善混凝土的抗裂性、抗撞磨能力和耐久性。

　　采用“三掺技术”制备的闸室墙混凝土具有良好的工作性、力学性能、抗裂和耐撞磨性能，试验段没有出现危害性裂缝。图3为闸室墙浇筑的纤维混凝土的试验段，可以看出总体质量良好。

　　4 结论

　　(1)试验结果表明，采用掺聚乙烯醇纤维的抗裂水泥配制的抗裂砂浆，与同强度等级普通水泥配制的普通砂浆相比，其强度、变形性能、抗裂性和耐久性均具有明显改善。

　　(2)抗裂水泥砂浆的工程应用效果较好，有效解决了加气混凝土砌块墙体的开裂﹑空鼓﹑起壳﹑剥落等质量通病，具有良好的经济效益和社会效益。

　　(3)采用掺PVA纤维制备的闸室墙抗裂混凝土具有良好的工作性、力学性能和耐撞磨性能和耐久性。

　　作者简介：胡康宁(1956.6-)男，工程师，

　　来源：混凝土技术交流

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