不同纖維在硫鋁酸鹽水泥基快速修補材料中的應用

陳鳳

隨著人類社會和技術的不斷發展，人類的活動和社會生產的需要帶動了大量的房屋建筑和交通建設，而水泥混凝土具有來源廣泛，生產工藝簡單，價格低，耐久性好等優點，被廣泛應用于人類的基礎建設。但水泥混凝土建筑材料因施工監管不合格，長期的過載使用和惡劣環境的侵蝕作用，使大量的水泥混凝土建筑受到不同程度的破壞，嚴重危害人生安全。因此，當今社會的建筑格局經過這么多年的快速發展已經從以前的大規模的大興土木到如今維護修補為主的基調。因此這也吸引了國內外學者和工程實踐者對于混凝土的破損機理、修補材料、修補方法等問題展開了大量的研究。其中在大量的工程實例中發現，在破損的基體上進行修補，重點是修補材料與基體材料之間的相互結合，兩者的結合則涉及到材料之間的相容性，比如彈性模量，柔韌性和力學強度等。因此對于水泥基材料的修補，一般在沒有特殊要求的情況下利用同樣是水泥基材料進行修補的效果會比其他材料的修補效果更加的穩定和協調。

一、硫鋁酸鹽水泥的研發現狀

水泥基快速修補材料主要是以水泥作為基礎的膠凝材料，復合各種外加劑而制備成的無機修補材料。由于其與舊混凝土性質相近，結構相似，相容性好，體積穩定和耐久性好等優點，被作為主要的修補材料應用于修補工程中。按照水泥的品種不同，可以分為快硬硅酸鹽水泥修補材料、硫鋁酸鹽水泥基快速修補材料、高鋁水泥基修補材料、硫酸鎂水泥基修補材料、硅灰水泥混凝土、偏高嶺水泥混凝土。

硫鋁酸鹽水泥是以石灰石，鋁礬土和石膏為主要的原材料，經過在1300℃～1350℃下煅燒得到硫鋁酸鹽水泥熟料，其主要成分是無水硫鋁酸鈣和硅酸二鈣，再摻入適量的混合材（如石膏和石灰石等）共同粉磨而成的水硬性膠凝材料。與普通硅酸鹽水泥相比，由于無水硫鋁酸鈣的燒結溫度低于硅酸三鈣礦物，生產硫鋁酸鹽水泥其理論的能耗低于一般的普通硅酸鹽水泥，在環境友好型方面符合國家提出的節能減排的戰略要求。在水泥水化方面，由于硫鋁酸鹽水泥熟料中大量的無水硫鋁酸鈣可以和拌合水快速發生水化反應形成大量的鈣礬石，因此硫鋁酸鹽水泥具有早期水化速度快，凝結時間短，早期強度高等特點。硫鋁酸鹽水泥熟料中CaO的含量較低，其體系中的堿度低于一般的普通硅酸鹽水泥體系，因此在選擇改性劑對硫鋁酸鹽水泥進行改性的時候需要考慮硫鋁酸鹽水泥特殊的水化環境。

從硫鋁酸鹽水泥近幾年的科學研究和工程應用中可以發現，硫鋁酸鹽水泥是一種值得推廣和發展的水泥品種，特別是在需要早強、高強、抗凍、耐腐蝕、抗滲等特殊要求的特種工程中應用越來越廣泛。國內外的諸多學者和技術人員對于硫鋁酸鹽水泥的理化研究和工程應用展開了大量的研究。常鈞等重點研究了含鋇硫鋁酸鹽水泥混凝土試塊的微觀結構，發現混凝土試塊的破壞是從集料內部斷開，證明含鋇硫鋁酸鹽水泥混凝土具有很強的界面粘結強度。楊克銳等重點探討了硫鋁酸鹽水泥凝結時間的調節問題，實驗結果表明，通過合理控制硼砂與硫酸鋁的比例，可保證硫鋁酸鹽水泥適度緩凝，并具有較好的后期強度。付興華提出了改善硫鋁酸鹽水泥倒縮問題的方法，摻加燒石膏可以降低硫鋁酸鹽水泥的28d強度的倒縮。

二、纖維在硫鋁酸鹽水泥基修補材料中的界面作用

纖維作為一種增強復合材料被廣泛應用于水泥砂漿體系中，主要用于改善水泥基材料的脆性和彈性模量；纖維在水泥混凝土體系中形成相互膠結的網狀結構，可以抵消并傳遞受到的作用力，降低界面薄弱區域的應力集中，延緩裂縫的出現或者阻止進一步的擴展，顯著改善混凝土的早期塑形開裂，降低混凝土的收縮性。由于硫鋁酸鹽水泥的堿度低，對纖維的侵蝕比一般的普通硅酸鹽水泥小，因此硫鋁酸鹽水泥對有機纖維和玻璃纖維的化學相容性較好，故可以將纖維作為改性硫鋁酸鹽水泥基快速修補材料的一種添加組分。

纖維對于增強改性硫鋁酸鹽水泥砂漿的粘結強度的機理是：

1.應力分配和傳輸作用。纖維的加入首先會在砂漿內部與漿體材料之間形成一種亂向的網狀結構，當受到外力的時候，可以將應力傳導開來，增大砂漿的抗拉和抗折強度；

2.減少收縮作用。纖維可以減少砂漿的收縮，也會降低因砂漿收縮而導致的界面應力，由于界面處的裂縫和缺陷較為集中，當收到載荷的作用下會發生應力的集中，導致界面的裂紋會迅速地擴張開裂，而纖維的橋梁作用是可以使整個體系的應力場更加的連續和均勻，缺陷的尖端應力集中得到緩和，裂縫的開裂得到抑制。

3.填充作用。纖維可以填充到新舊混凝土界面之間的孔隙處，使得新舊混凝土之間的粘結更加緊密，增大兩者的相互粘結面積，提高機械咬合力和范德華力，從而增強兩者之間的界面粘結強度。

三、不同纖維在硫鋁酸鹽水泥基快速修補材料中的應用

通過在硫鋁酸鹽水泥快速修補材料中添加聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維和玻璃纖維，研究了纖維的種類對于硫鋁酸鹽水泥砂漿性能的影響。

試驗過程中發現對比三種纖維對于改性硫鋁酸鹽水泥粘結強度可知，聚乙烯醇纖維對于提高砂漿的粘結性能最好，聚丙烯纖維次之，玻璃纖維的效果最差，纖維大幅改善了修補材料的界面過渡區，增強了兩者之間的粘結強度。

玻璃纖維減少硫鋁酸鹽水泥砂漿的干縮效果最好，可以降低干縮值；聚乙112%，烯醇纖維次之，可以降低89%；聚丙烯纖維最差，但也能降低45%的收縮。這三種纖維都能降低砂漿的收縮，提高砂漿的體積穩定性。這是因為玻璃纖維的彈性模量更大，當玻璃纖維加入到砂漿中后可以在漿體的內部形成一個亂序的網狀結構，可以抵抗砂漿因干燥導致的收縮應力，且當受到其他收縮應力的時候也會均勻地擴散開去，降低對砂漿的作用力，提高砂漿的體積穩定性，而彈性模量較大的玻璃纖維可以在受到相同的收縮應力的情況下，產生較少的體積變形，對于體積的收縮抑制更加的明顯。

四、結語

對比實驗中的三種纖維，由于纖維的化學組成、機械性能不同，不同的纖維與水泥基材料之間的相容性也不相同。聚乙烯醇纖維的彈性模量介于聚丙烯纖維和玻璃纖維之間，稍微大于水泥砂漿的彈性模量。且聚乙烯醇纖維的表面是非環形的和不規則的，其纖維表面的-C-OH基團可以與水泥漿體中的-OH基團形成牢固的氫鍵。因此它與水泥漿體中的結合要好于聚丙烯纖維。而玻璃纖維的彈性模量比砂漿體系的要大很多，在砂漿內部無法做到和聚乙烯醇纖維那樣很好的傳遞應力和消耗應力。