抗?jié)B抗裂干混砂漿的研究進(jìn)展

王忠文 劉鳳英 王彥君（中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院，北京 100024）

賈艷華 張義波 夏娟娟（薊縣環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，天津 薊縣301900）

在建筑工程中，砂漿是一種用量巨大、用途廣泛的建筑材料。普通砂漿的抗拉強(qiáng)度低、極限延伸率小、脆性顯著，拌合物在日照、風(fēng)吹等情況下，沒(méi)有足夠的時(shí)間形成抗拉強(qiáng)度以抵抗由于快速蒸發(fā)產(chǎn)生的毛細(xì)孔收縮應(yīng)力，容易產(chǎn)生塑性收縮開(kāi)裂、空鼓、脫落等問(wèn)題，導(dǎo)致水、水蒸汽，特別是一些地下有害氣體通過(guò)建筑滲漏到大氣中，對(duì)人類(lèi)健康造成巨大威脅，同時(shí)對(duì)建筑物造成嚴(yán)重危害，這已經(jīng)成為建筑工程中的質(zhì)量通病，也是建筑工程中一個(gè)十分重要而迫切需要加以解決的問(wèn)題。

近年來(lái)，隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對(duì)居住環(huán)境提出了更高的要求，普通砂漿的性能已不能滿足現(xiàn)階段及未來(lái)的需求，對(duì)砂漿這一大宗建筑材料提出了更高的要求，它正朝著高強(qiáng)度、高韌性、高阻裂、高防滲、高耐久的方向發(fā)展。因此，從提高抗?jié)B性能和抗裂性能兩個(gè)角度，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命，是擺在我們面前的一個(gè)很重要的現(xiàn)實(shí)課題和任務(wù)。采用抗?jié)B抗裂砂漿干混漿是最重要的措施，而摻入外加劑又是提高砂漿抗?jié)B抗裂性能力的最基礎(chǔ)手段。在普通砂漿中摻入抗拉強(qiáng)度高、極限延伸率大、抗堿性能好的纖維及自密效果好的無(wú)機(jī)剛性防水材料作為增強(qiáng)體，方能達(dá)到日趨提高的抗?jié)B抗裂的要求，改善普通砂漿的缺陷，從而也能顯著提高混凝土的耐久性，既節(jié)約了成本，又提高了環(huán)保效益。因此，研究纖維和防水劑抗?jié)B抗裂砂漿，克服防水工程滲漏、提高防水工程的質(zhì)量、提高結(jié)構(gòu)的耐久性，將有效地貫徹環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，具有重要的實(shí)際意義。

水泥砂漿作為傳統(tǒng)的建筑材料已有200 多年歷史，而今隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，特別是高性能材料的要求，又對(duì)這一傳統(tǒng)材料提出了新的要求。如材料良好的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、耐沖擊、耐腐蝕、耐高溫、抗?jié)B抗裂等。纖維和防水材料用于砂漿制成復(fù)合材料，是提高抗?jié)B抗開(kāi)裂性能，獲得高性能水泥砂漿的有效途徑。

1 纖維水泥砂漿的研究進(jìn)展

利用纖維提高混凝土的抗開(kāi)裂性的研究可以追溯到封建時(shí)代的初期，我國(guó)勞動(dòng)人民很早就在干打壘的土墻中摻入稻草以改善其阻裂與抗拉性能。大約在100 年之前，石棉已應(yīng)用于水泥制品；70 年代中期，玻璃纖維在混凝土中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化；80 年代中期，碳纖維在混凝土中的應(yīng)用也實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化；80 年代后期，其它合成纖維增強(qiáng)混凝土相繼實(shí)現(xiàn)工業(yè)化[1]。

纖維在砂漿中的應(yīng)用，可使砂漿早期收縮所產(chǎn)生的裂紋明顯減少，顯著提高砂漿抗?jié)B性能和抗裂性能，同時(shí)還有一定增韌作用[2]。纖維材料的技術(shù)性能指標(biāo)因材料品種的不同呈現(xiàn)出不同的差異，但對(duì)于在砂漿中摻入的各類(lèi)纖維材料，卻相差不大[3]。目前纖維水泥砂漿的種類(lèi)繁多，有合成纖維水泥砂漿、玄武巖纖維水泥砂漿、鋼纖維水泥砂漿及碳纖維水泥砂漿等等。

1.1 合成纖維水泥砂漿

合成纖維水泥砂漿是應(yīng)用最為普遍，最為成功的一種水泥砂漿，其在砂漿中的應(yīng)用始于20世紀(jì)80 年代，摻加直徑小于0.1mm、體積率一般不大于0.1%的細(xì)合纖維可顯著減少混凝土的收縮裂縫，有利于增進(jìn)混凝土工程的耐久性。90年代中期又在混凝土工程中推廣粗合成纖維的使用，此種纖維直徑大于0.3mm，體積率一般大于0.3%，可用于提供鋼纖維或者是鋼網(wǎng)。我國(guó)混凝土工程中使用合成纖維雖然滯后于某些發(fā)達(dá)國(guó)家，但發(fā)展迅速。合成纖維在國(guó)內(nèi)外混凝土工程中得到廣泛應(yīng)用時(shí)，在國(guó)際市場(chǎng)也不斷出現(xiàn)各種品牌的用于混凝土的合成纖維。這些纖維原料不同、外形各異、材性不一，按材料成份目前常用的合成纖維主要有聚乙烯醇、聚丙烯、聚乙烯、尼龍、聚酯等品種[3]。

聚乙烯醇纖維也稱(chēng)維綸纖維，是以高聚合度的優(yōu)質(zhì)聚乙烯醇為原料，采用特定的技術(shù)加工而成的一種合成纖維，具有高強(qiáng)度、高彈模、低伸度、耐磨、抗酸堿、耐候性、與水泥石膏等基材有良好的親和力和結(jié)合性等特點(diǎn)，而且無(wú)毒、無(wú)污染、不損傷人體肌膚、對(duì)人體無(wú)害，是新一代高科技的綠色建材之一[4]。因此，將其應(yīng)用于水泥砂漿也是目前的一大研究熱點(diǎn)。胡康寧等[5]對(duì)摻PVA 纖維的抗裂改性水泥的性能與應(yīng)用進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：摻PVA 纖維的抗裂砂漿的強(qiáng)度、變形性能、抗裂性和耐久性較普通水泥砂漿均具有明顯改善，并在技術(shù)工程中得到了實(shí)際應(yīng)用。高祥彪等[6]從混凝土抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度以及極限延伸率的角度出發(fā)研究了PVA 纖維對(duì)混凝土抗裂性能的影響，結(jié)果表明：纖維長(zhǎng)度為6mm，并且在0.08%～0.1%的體積摻量范圍內(nèi)效果最佳，7d 抗折強(qiáng)度提高14.28%，靜彈性模量提高6.63%，抗拉強(qiáng)度提高1.62%，極限延伸率提高20.4%；28d 抗折強(qiáng)度提高21.67%，靜彈性模量降低了4.52%，抗拉強(qiáng)度提高12.5%，極限延伸率提高25.8%。計(jì)濤等[7]對(duì)PVA 纖維抗沖磨混凝土的力學(xué)性能、變形性能及抗沖磨性能等進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在抗沖磨混凝土中摻入PVA 纖維，可以提高混凝土的劈拉強(qiáng)度、極限拉伸值和抗沖磨強(qiáng)度，并有效抑制混凝土早期塑性收縮裂縫的生長(zhǎng)和發(fā)展。

聚丙烯纖維是丙烯聚合得到的等規(guī)聚丙烯為原料，經(jīng)紡絲得的合成纖維，具有強(qiáng)度高、耐磨、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、抗酸堿能力強(qiáng)、不吸水、延伸率大、韌性好、彈性模量較大、不易進(jìn)行染色等特點(diǎn)[8]。之前有不少的學(xué)者將其應(yīng)用于水泥砂漿。方永浩等[9]研究了玄武巖纖維和聚丙烯纖維單獨(dú)和混雜對(duì)水泥砂漿工作性、力學(xué)性能和抗裂性的影響，結(jié)果表明：在摻率為0.075%~0.2%（體積分?jǐn)?shù)）范圍內(nèi)，單獨(dú)摻加玄武巖纖維和聚丙烯纖維均可以不同程度的提高水泥砂漿的抗折強(qiáng)度和早期抗壓強(qiáng)度，而對(duì)28d 抗壓強(qiáng)度均有不利影響；在體積率摻量相同的情況下，摻加玄武巖纖維比摻加聚丙烯纖維的砂漿具有更好的力學(xué)性能；玄武巖纖維與聚丙烯纖維以適當(dāng)比例混合摻雜時(shí)，可以得到較摻加單一種纖維更好的效果；混雜纖維可以有效改善水泥砂漿的韌性，提高水泥砂漿的抗裂性能。

1.2 玄武巖纖維水泥砂漿

玄武巖纖維（Continuous Basalt Fiber 簡(jiǎn)稱(chēng)CBF 或BF），是玄武巖石料經(jīng)1450℃~1500℃高溫熔融后拉制而成的連續(xù)纖維。其化學(xué)成分中含SiO244%~52%、Al2O312%~18%、鐵氧化合物9%~14%，性能類(lèi)似于玻璃纖維，介于高強(qiáng)度S 玻璃纖維和無(wú)堿E 玻璃纖維之間，是一種新型的綠色環(huán)保健康玻璃質(zhì)纖維材料，具有密度大、抗拉強(qiáng)度好、彈性模量高、絕緣性能好、隔熱隔音性能好、熱傳導(dǎo)系數(shù)低、耐腐蝕、耐高低溫、耐沖擊、抗彎、抗?jié)B、抗凍性能好等特點(diǎn)[10-15]。玄武巖纖維是一種新型無(wú)機(jī)纖維材料，是繼碳纖維、芳綸、超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯纖維之后的第四大技術(shù)纖維，是21 世紀(jì)符合生態(tài)環(huán)境要求的綠色新材料，于水泥良好的相容性和耐酸堿能力，滿足綠色、環(huán)保的要求，且我國(guó)擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，制造技術(shù)先進(jìn)、成本低，進(jìn)一步奠定了其在國(guó)內(nèi)水泥基材料行業(yè)的應(yīng)用基礎(chǔ)。雖然將玄武巖纖維應(yīng)用于增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料方面起步較晚，但對(duì)其的研究已成為目前的熱點(diǎn)。

國(guó) 外 方 面，Jone Sung Sim[16]、Zielinski[17]、Dias D P, Thaumaturgo C[18]等分別研究了玄武巖纖維增強(qiáng)水泥砂漿、混凝土的力學(xué)性能，結(jié)果表明：與普通纖維增強(qiáng)水泥砂漿、混凝土相比，玄武巖纖維增強(qiáng)水泥砂漿混凝土具有更加優(yōu)越抗拉強(qiáng)度、延伸率、抗壓抗折強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度和沖擊韌性等物理性能。

國(guó)內(nèi)玄武巖纖維受到較多關(guān)注是在2005 年全國(guó)第二屆FRP 會(huì)議開(kāi)始以后。近年來(lái)，由于我國(guó)已經(jīng)具有批量生產(chǎn)玄武巖纖維的能力，國(guó)內(nèi)的不少學(xué)者對(duì)玄武巖纖維混凝土的各方面性能做了大量的實(shí)驗(yàn)研究，關(guān)于玄武巖纖維混凝土的研究成果較多。胡顯奇等[19]、廉杰等[20]、沈劉軍等[21]，李韌等[22]、吳剛等[23]、吳釗賢等[24]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度、沖擊韌性和延性等物理性能比普通混凝土均有較大幅度的提高，其增強(qiáng)效果與纖維的體積摻量、長(zhǎng)徑比的范圍有很大關(guān)系，且混凝土塌落度基本沒(méi)變化，較好地解決了纖維與水泥石的粘接問(wèn)題，降低了混凝土的孔隙率。籍建云、羅鑫等[25-26]分別將玄武巖纖維應(yīng)用于增強(qiáng)高速公路瀝青混凝土及地質(zhì)聚合物混凝土在機(jī)場(chǎng)道面快速修補(bǔ)中，均取得了較好的效果。

1.3 鋼纖維水泥砂漿

鋼纖維增強(qiáng)是提高水泥砂漿韌性的一項(xiàng)有效措施，目前多數(shù)研究工作都采用單一尺寸鋼纖維增強(qiáng)材料，但由于水泥基材料具有多層次特征，因此宜摻入不同尺寸的鋼纖維與基體各結(jié)構(gòu)層次匹配，以達(dá)到從整體上優(yōu)化其力學(xué)性能的目的。有研究者[27,28]用中等和較大直徑的鋼纖維代替部分微細(xì)鋼纖維對(duì)混凝土進(jìn)行雜混增強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)不僅可提高混凝土的綜合力學(xué)性能，而且拌合物的工作性也因鋼纖維總體積分?jǐn)?shù)較低而一定程度上得到改善。吳科如等[29]采用微細(xì)鋼纖維和中等直徑鋼纖維混雜增強(qiáng)水泥砂漿，得到在同一鋼纖維體積分?jǐn)?shù)下，混雜鋼纖維對(duì)水泥砂漿力學(xué)性能的改善作用好于單一直徑鋼纖維。

1.4 碳纖維水泥砂漿

短切碳纖維高強(qiáng)、質(zhì)輕、耐腐蝕、良好的導(dǎo)電性能，不僅能顯著提高材料結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和韌性，而且能賦予其某些半導(dǎo)體的特殊性能，如熱電性能等，但碳纖維價(jià)格昂貴影響了它的工程應(yīng)用。因此，不少研究者[30]考慮以工程中常用的廉價(jià)纖維替代部分碳纖維，使之保持具有機(jī)敏材料的電特性，且強(qiáng)度基本保持不變，并大大降低成本，具有一定經(jīng)濟(jì)效益，有利于碳纖維水泥砂漿作為機(jī)敏材料的推廣應(yīng)用。因此復(fù)合纖維也是抗裂砂漿的一大發(fā)展趨勢(shì)。

2 防水材料水泥砂漿的研究進(jìn)展

目前，我國(guó)防水材料已由瀝青紙?zhí)ビ蜌值扔袡C(jī)材料一統(tǒng)天下的格局，發(fā)展成為今天的兩大主要類(lèi)別的防水材料[31]：柔性防水材料和剛性防水材料。

2.1 柔性防水材料水泥砂漿

柔性防水材料主要利用高分子物質(zhì)，通過(guò)聚合、改性等手段，在混凝土表面形成一層憎水的彈性保護(hù)層，封閉混凝土表面，防止水的通過(guò)，但其有效試用期較短，耐久性年限僅為20 年，而且成本高、修復(fù)比較困難。

柔性防水材料包括瀝青基防水卷材、合成高分子防水卷材類(lèi)等。瀝青基防水卷材[32]包括改性瀝青基防水卷材和自粘防水卷材。改性瀝青基防水卷材具有較高的彈性、延伸率、耐疲勞性和低溫柔性、熱穩(wěn)定性和抗強(qiáng)光輻射性等特性，主要用于屋面及地下室及衛(wèi)生間防水防潮，適于單層鋪設(shè)或復(fù)合使用；自粘防水卷材特點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、環(huán)保型材料。高分子防水卷材[33]包括PVC和EPDM 防水卷材。PVC 防水卷材具有較高的拉伸和撕裂強(qiáng)度，延伸率較大，耐腐蝕性強(qiáng)，且有原料豐富，容易粘結(jié)，適用于屋面防水，也可用于堤壩、水庫(kù)等防水工程；EPDM 防水卷材彈性和拉伸性能極佳，其耐候性、耐熱性和低溫柔性比塑料優(yōu)越得多，但目前在國(guó)內(nèi)屬高檔防水材料，其工程造價(jià)較高。

2.2 剛性防水材料水泥砂漿

剛性防水材料則是以水泥、砂石為原料，摻入防水劑、減水劑、膨脹劑等少量有機(jī)或無(wú)機(jī)外加劑，增加混凝土密實(shí)性、減少毛細(xì)孔數(shù)量，在混凝土表面或內(nèi)部形成致密結(jié)構(gòu)，以彌合混凝土結(jié)構(gòu)缺陷、增強(qiáng)混凝土防水性能的剛性防水砂漿[34]，其防水技術(shù)工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，且出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象后容易修復(fù)，但剛性防水層外加劑或防水材料的選擇、配比、攪拌、澆注和養(yǎng)護(hù)，每道工序都應(yīng)嚴(yán)格按照要求進(jìn)行施工，否則將失去防水效果。

剛性防水材料包括膨脹劑類(lèi)防水材料、無(wú)機(jī)鹽類(lèi)防水材料、金屬皂類(lèi)防水劑、有機(jī)硅類(lèi)防水劑、混合型防水劑。

膨脹劑類(lèi)防水材料

膨脹劑類(lèi)防水材料[35,36]在混凝土水化早期形成大量鈣礬石晶體，由于鈣礬石晶體具有體積膨脹的特點(diǎn)，會(huì)在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生一定量的膨脹，起到補(bǔ)償收縮的效果，避免裂縫的產(chǎn)生，同時(shí)提高混凝土的致密性，增強(qiáng)其防水性能。

無(wú)機(jī)鹽類(lèi)防水材料

無(wú)機(jī)鹽類(lèi)防水材料在建筑物表面或混凝土層的水化過(guò)程中發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，能生成穩(wěn)定不溶于水且有一定膨脹性能的膠體物質(zhì)或晶體物質(zhì)，充到水泥砂漿或混凝土在水化凝固過(guò)程中形成的細(xì)微孔縫，堵塞滲水孔縫通道，達(dá)到防水抗?jié)B效果[37-39]。無(wú)機(jī)鹽類(lèi)防水材料不僅價(jià)格低廉，而且無(wú)任何公害，是21 世紀(jì)環(huán)保型材料發(fā)展的重點(diǎn)之一。隨著人們對(duì)環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)，無(wú)機(jī)防水材料越來(lái)越受到人們的重視，由于我國(guó)無(wú)機(jī)防水材料起步較晚，目前國(guó)內(nèi)外將無(wú)機(jī)剛性防水材料用于水泥砂漿的還不多，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)還有待于提高，因此應(yīng)在不斷積累經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)無(wú)機(jī)鹽類(lèi)剛性防水材料抗?jié)B抗裂砂漿，具有較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)內(nèi)馬志剛[40]、王繼斌[41]、賴(lài)家彬[42]、王春陽(yáng)[43]分別將無(wú)機(jī)剛性防水材料應(yīng)用于地下防水混凝土工程，均發(fā)現(xiàn)混凝土拌合物的流動(dòng)性能、抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性均有所提高，充分滿足了當(dāng)?shù)氐叵路浪こ痰囊?，在很多方面比傳統(tǒng)防水有著更多的優(yōu)點(diǎn)。

金屬皂類(lèi)防水劑

金屬皂類(lèi)防水劑具有塑化作用，可降低水灰比，摻入水泥砂漿中，可使水泥質(zhì)點(diǎn)和漿料間形成憎水性吸附層并生成不溶性物質(zhì)，起填充砂漿中微小空隙和堵塞毛細(xì)通道，切斷和減少滲水孔道的作用，增加了砂漿的密實(shí)性，使砂漿具有防水特性，適宜于涂刷防水層、堵塞漏點(diǎn)等。

有機(jī)硅防 水劑

有機(jī)硅防水劑主要成分為甲基硅醇鈉和氟硅醇鈉，是一種分子量較小的水溶性聚合物，易被弱酸分解，形成不溶于水的、具有防水功能的甲基硅醚防水膜，防水膜包圍在混凝土的組成粒子之間具有憎水性能，還有以有機(jī)硅與無(wú)機(jī)活性硅經(jīng)聚合而制得的粉狀防水劑[44]。這種硅質(zhì)密實(shí)劑摻入水泥砂漿及混凝土后，使其具有微膨脹性、密實(shí)性和憎水性，從而達(dá)到防水抗?jié)B效果[45]。

3 展望

我國(guó)現(xiàn)階段已經(jīng)開(kāi)始了聚乙烯醇纖維，玄武巖纖維和無(wú)機(jī)剛性防水材料單獨(dú)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，也取得了不少的研究成果，但許多問(wèn)題還亟待解決，如抗?jié)B性能、抗裂性能、抗凍融性能、抗沖擊性能等不夠好，不能滿足很多建筑的需要。目前，將纖維和無(wú)機(jī)剛性材料同時(shí)應(yīng)用于砂漿中還沒(méi)有相關(guān)報(bào)道。為了進(jìn)一步將纖維和無(wú)機(jī)剛性防水材料得以推廣應(yīng)用，還需抓住二者能夠密實(shí)水泥砂漿結(jié)構(gòu)、抗?jié)B抗裂等特性，對(duì)其進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，將其共同作為抗?jié)B抗裂干混砂漿的添加料，在建筑領(lǐng)域有著廣闊的前景。

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