纖維水泥砂漿的應(yīng)用發(fā)展分析

王云飛 姜久紅

摘要：隨著水泥砂漿在工程中應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，對其性能的要求也越來越多。韌性和抗拉能力的要求尤為突出，纖維的摻入大大改善了其缺點(diǎn)。結(jié)合一些功能型纖維水泥砂漿的實(shí)際應(yīng)用案例，發(fā)現(xiàn)其應(yīng)用前景廣闊但仍存在一些需克服的問題。

Abstract： With the expansion of the application scope of cement mortar in engineering， there are more and more requirements on its performance. Especially for toughness and tensile strength， the incorporation of fiber has greatly improved it's shortcomings. Combined with some practical application cases of functional fiber cement mortar， it is found that it's application prospect is broad but there are still some problems to be overcome.

關(guān)鍵詞：水泥砂漿;干燥收縮;流動(dòng)性

Key words： cement mortar;sintering shrinkage;flowability

中圖分類號(hào)：TU578.13? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）31-0228-02

0? 引言

眾所周知，當(dāng)今社會(huì)的許多資源面臨枯竭，可持續(xù)發(fā)展被早早的提上日程。進(jìn)入21世紀(jì)后的我們物質(zhì)文化水平提高，已經(jīng)不再滿足傳統(tǒng)建筑的精簡、實(shí)用等功能，更加在美觀、耐久等方面有諸多要求。水泥基材料分為結(jié)構(gòu)材料和非結(jié)構(gòu)材料，屬于后者的纖維水泥砂漿在墻體材料和塊材、板材方面的使用正在發(fā)生翻天覆地的變化。

1? 纖維水泥砂漿

早期的水泥砂漿就是水泥加砂和水，和混凝土一樣都屬于脆性破壞材料，受古人往土坯墻里面加稻草的啟發(fā)，纖維也慢慢的出現(xiàn)在水泥砂漿里，而且用的越來越多。1986年楊瑞珊首次提出玻璃纖維可以增強(qiáng)水泥砂漿的抗彎和抗拉強(qiáng)度[1]，隨后纖維砂漿的研究越來越多。

砂漿多用于找平、找坡、材料粘結(jié)等方面，但是隨著功能性的要求，抗?jié)B、耐高溫、抗凍、抗沖擊等功能型的纖維水泥砂漿相繼出現(xiàn)。現(xiàn)如今有摻入水泥砂漿研究的纖維有：鋼纖維、玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維、碳纖維、玻璃纖維等。

2? 作用機(jī)理

水泥砂漿屬于多孔材料，摻入的纖維錯(cuò)落、雜亂的分布起著網(wǎng)狀承托作用。單位體積內(nèi)的纖維在砂漿硬化時(shí)就產(chǎn)生了拉應(yīng)力，勢必會(huì)阻止微觀裂紋的產(chǎn)生。纖維的摻入填充了砂漿內(nèi)部的部分孔洞（通道），減少了水分的流失，所以在微觀和宏觀方面纖維都能增強(qiáng)水泥砂漿的抗裂性能。砂漿內(nèi)部孔隙率和孔特征是影響抗?jié)B性能的關(guān)鍵因素，孔隙率的改變對氯離子的擴(kuò)散也起著至關(guān)重要的作用，當(dāng)通道被堵塞以后就增強(qiáng)了抗氯離子侵蝕和抗?jié)B性能。由于纖維良好的延展性，使得水泥砂漿具備了部分抗沖擊和變形能力，這在抗沖擊荷載和地震作用方面又能獲得增益。

3? 纖維水泥砂漿的研究

國內(nèi)外對于纖維水泥砂漿的研究可謂百家爭鳴。褚明生通過對比發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維比有機(jī)纖維更適用于砂漿。玄武巖纖維可以增強(qiáng)水泥砂漿的韌性和試件的撓度，但是不能改善其抗彎性能[2]。樸良桃提出在混凝土鋼筋梁周圍使用摻入鋼纖維的水泥砂漿加固，則梁的截面承載力和剛度都會(huì)增強(qiáng)[3]。邵俊豐發(fā)現(xiàn)PVA改變了砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對水泥砂漿的氯離子擴(kuò)散系數(shù)有顯著影響，并且該系數(shù)與電阻率成負(fù)相關(guān)[4]。同年黃旭發(fā)現(xiàn)在水泥砂漿中加入稻草纖維不太會(huì)影響其流動(dòng)性，但是會(huì)降低其密度從而影響抗壓強(qiáng)度[5]。

Warun Wongprachum采用聚丙烯纖維、鋼纖維和微聚丙烯纖維做互相對照試驗(yàn)，結(jié)果表明有機(jī)纖維加入砂漿中可以提高其耐磨性， 但是鋼纖維在這方面效果不明顯[6]。ShengHui Song分別在砂漿中加入乳膠和纖維，來探究砂漿的物理性能。發(fā)現(xiàn)乳膠和纖維二者都可以增強(qiáng)低摻量砂漿的抗壓和抗折強(qiáng)度，降低孔隙而且能夠延緩水泥砂漿水化過程，減少水化熱帶來的干燥收縮[7]。WeiHong Xuan對聚丙烯纖維砂漿的干縮變形進(jìn)行數(shù)值模擬，與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較二者誤差不大。聚丙烯纖維的摻入可以抑制開裂，并且能提高水泥基材料的斷裂韌性[8]。

4? 纖維水泥砂漿的工程應(yīng)用

早期的聚合物砂漿用來修補(bǔ)路面，1923年首次在英國應(yīng)用。隨著時(shí)間的推廣和學(xué)者的研究熱潮，各種應(yīng)用研究相繼出現(xiàn)。法國和日本還專門做出了關(guān)于纖維水泥砂漿的路面施工規(guī)范。地下室總是陰冷潮濕的。當(dāng)有荷載沖擊出現(xiàn)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)裂縫繼而發(fā)生漏水，簡單的涂抹防水材料并不能抵抗水壓力，不能從根本上解決問題。1997年沈陽某公司沖壓車間在嘗試了普通的防水材料失敗之后，采用鋼纖維膨脹水泥砂漿和防水材料交替涂抹，終于克服了裂縫滲水問題。纖維增加了砂漿與基層的粘結(jié)程度，該方法從滲水和粘結(jié)、施工工藝三方面解決了問題。

2004年廣州大學(xué)兩教學(xué)樓外墻貼磚層使用的PP纖維砂漿算是全新的嘗試[9]，它不僅減少了后期修繕和維護(hù)方面的費(fèi)用，而且在審美美觀方面也有提升。該建筑后來還得到了省優(yōu)良樣品獎(jiǎng)。這種纖維砂漿價(jià)格低廉、功能性好，做粘結(jié)材料時(shí)抗?jié)B性能又好，瓷磚粘貼結(jié)實(shí)又不會(huì)產(chǎn)生空隙，該纖維水泥砂漿在工程實(shí)踐中很快就得到推廣。

2006年，摻入鋼纖維的磷酸鎂水泥砂漿在快速修補(bǔ)方面已經(jīng)廣泛使用[10]，它增加了材料的早期強(qiáng)度，施工周期短、硬化快、流動(dòng)性好;大量運(yùn)用于跑道、碼頭、高速公路等。大大降低了因故障停止使用而帶來的各種損失，且施工過程中沒有沖擊振動(dòng)和碎渣，由于其安全和效率（30分鐘后走人，60分鐘后行車）等原因很受歡迎，在現(xiàn)代工程中應(yīng)用前景也很清晰。

農(nóng)田灌溉在缺水地區(qū)向來都是頭等大事，傳統(tǒng)的水渠耐久性很差，極易產(chǎn)生滲水、老化、凍裂等現(xiàn)象。為解決灌溉問題，2009年馬文波在某灌區(qū)研發(fā)了聚合物水泥砂漿作為新的水渠材料[11]，在抗?jié)B和防凍方面性能極佳。綜合考慮性能、修繕、施工、應(yīng)用等方面，該纖維水泥砂漿是很好的溝渠砌筑材料。

2011年左右，改性pp纖維在國內(nèi)外的防水工程應(yīng)用中就很成熟。由于改性pp纖維對砂漿的收縮和固結(jié)的特殊作用[12]，致使其抗裂性能較強(qiáng)。漏水、滲水的實(shí)質(zhì)就是微觀裂縫的產(chǎn)生致使混凝土開裂。纖維的摻入使砂漿內(nèi)部各物質(zhì)連結(jié)成整體，發(fā)揮更有效的抗裂增韌作用。從施工的便利到修復(fù)節(jié)約成本，纖維砂漿都是極好的防水材料，也值得推廣應(yīng)用。

海洋是一個(gè)巨大的電解質(zhì)溶液具有一定的腐蝕性：所以各種跨海大橋還有海底隧道等都深受其害，這其中氯鹽就是典型的禍?zhǔn)?。對于?huì)產(chǎn)生積雪的北方路面、橋面，目前來看撒鹽還是比較流行且單一的做法，化冰的同時(shí)就會(huì)產(chǎn)生氯離子溶液。從2015年開始PVA纖維水泥砂漿在橋梁修補(bǔ)加固方面應(yīng)用極多并且效果良好，它能減少腐蝕也能增加結(jié)構(gòu)的耐久性和使用年限。

船閘墻相比于灌溉渠，屬于大體積混凝土工程，所以滲水、裂縫、變形等問題更加突出。造福了人類數(shù)百年的京杭運(yùn)河蘇北段就存在很多被船舶沖撞的故障船閘墻，2018年宋端想結(jié)合前人修補(bǔ)實(shí)例，利用pp纖維水泥砂漿的抗沖擊能力和耐磨性修補(bǔ)裂縫[13]，將尖銳沖擊應(yīng)力分散。該砂漿內(nèi)部的交錯(cuò)纖維約束裂縫產(chǎn)生和擴(kuò)展，該案例為通航建筑類提供了寶貴的修補(bǔ)經(jīng)驗(yàn)。

由于纖維水泥砂漿在韌性、抗裂性、抗?jié)B能力等方面有極好的表現(xiàn)，所以在世界各地都取得了良好的使用效果。根據(jù)功能性分別應(yīng)用在防水工程、砌筑工程、外墻砌筑、碼頭工程、加固工程、水利工程等。水泥砂漿也會(huì)受到荷載作用。例如在外墻抹灰和結(jié)構(gòu)尺寸比較小的構(gòu)件有時(shí)候可能會(huì)遭受地震作用和沖擊荷載等。在蓄水池和地下車庫等需要做防水、堵漏的工程中，抗?jié)B型的纖維水泥砂漿正好可以發(fā)揮作用。在當(dāng)今環(huán)保節(jié)約型社會(huì)中，功能型的砂漿可以延長使用壽命從而節(jié)約成本，從經(jīng)濟(jì)角度來看前景還是很好的。

5? 結(jié)論及展望

纖維水泥砂漿自問世以來就廣受青睞，因其韌性強(qiáng)、耐久性、抗?jié)B性能好，還具有一定的抗沖擊能力，在混凝土腐蝕區(qū)其修補(bǔ)處理效果極好，對于尺寸比較小的預(yù)制構(gòu)件還可以起到保護(hù)層的作用，所以纖維水泥砂漿在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用。但是，纖維水泥砂漿在工程中的應(yīng)用還是存在一些不足之處。無論是在混凝土還是在砂漿中，流動(dòng)性始終是待解決的問題。為保障纖維水泥砂漿的性能穩(wěn)定，需要改進(jìn)施工工藝。纖維在工程中的投入雖然增加了成本，但是從使用壽命的角度來看還是值得的。在理論研究方面，纖維在水泥砂漿中的應(yīng)用已經(jīng)是非常成熟，在工程應(yīng)用當(dāng)中還需要大量的數(shù)據(jù)來證明可靠性。在穩(wěn)定性不斷完善的同時(shí)今后的突破重點(diǎn)可以放在微觀結(jié)構(gòu)上，針對荷載作用下產(chǎn)生的裂紋走向可以進(jìn)一步研究，以確定纖維的防抗拉應(yīng)力是否能夠抑制裂紋的惡化?？傮w來看，滿足可持續(xù)發(fā)展的纖維水泥砂漿必將是未來工程中的主流。

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