不同纖維在硫鋁酸鹽水泥基快速修補材料中的應(yīng)用

陳鳳

隨著人類社會和技術(shù)的不斷發(fā)展，人類的活動和社會生產(chǎn)的需要帶動了大量的房屋建筑和交通建設(shè)，而水泥混凝土具有來源廣泛，生產(chǎn)工藝簡單，價格低，耐久性好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于人類的基礎(chǔ)建設(shè)。但水泥混凝土建筑材料因施工監(jiān)管不合格，長期的過載使用和惡劣環(huán)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(yán)重危害人生安全。因此，當(dāng)今社會的建筑格局經(jīng)過這么多年的快速發(fā)展已經(jīng)從以前的大規(guī)模的大興土木到如今維護(hù)修補為主的基調(diào)。因此這也吸引了國內(nèi)外學(xué)者和工程實踐者對于混凝土的破損機(jī)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(fā)現(xiàn)，在破損的基體上進(jìn)行修補，重點是修補材料與基體材料之間的相互結(jié)合，兩者的結(jié)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(xué)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(jìn)行修補的效果會比其他材料的修補效果更加的穩(wěn)定和協(xié)調(diào)。

一、硫鋁酸鹽水泥的研發(fā)現(xiàn)狀

水泥基快速修補材料主要是以水泥作為基礎(chǔ)的膠凝材料，復(fù)合各種外加劑而制備成的無機(jī)修補材料。由于其與舊混凝土性質(zhì)相近，結(jié)構(gòu)相似，相容性好，體積穩(wěn)定和耐久性好等優(yōu)點，被作為主要的修補材料應(yīng)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(jīng)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(jié)溫度低于硅酸三鈣礦物，生產(chǎn)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(huán)境友好型方面符合國家提出的節(jié)能減排的戰(zhàn)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(fā)生水化反應(yīng)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(jié)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(jìn)行改性的時候需要考慮硫鋁酸鹽水泥特殊的水化環(huán)境。

從硫鋁酸鹽水泥近幾年的科學(xué)研究和工程應(yīng)用中可以發(fā)現(xiàn)，硫鋁酸鹽水泥是一種值得推廣和發(fā)展的水泥品種，特別是在需要早強、高強、抗凍、耐腐蝕、抗?jié)B等特殊要求的特種工程中應(yīng)用越來越廣泛。國內(nèi)外的諸多學(xué)者和技術(shù)人員對于硫鋁酸鹽水泥的理化研究和工程應(yīng)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(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)混凝土試塊的破壞是從集料內(nèi)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(jié)強度。楊克銳等重點探討了硫鋁酸鹽水泥凝結(jié)時間的調(diào)節(jié)問題，實驗結(jié)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(fù)合材料被廣泛應(yīng)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(jié)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以抵消并傳遞受到的作用力，降低界面薄弱區(qū)域的應(yīng)力集中，延緩裂縫的出現(xiàn)或者阻止進(jìn)一步的擴(kuò)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(jī)纖維和玻璃纖維的化學(xué)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(jié)強度的機(jī)理是：

1.應(yīng)力分配和傳輸作用。纖維的加入首先會在砂漿內(nèi)部與漿體材料之間形成一種亂向的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到外力的時候，可以將應(yīng)力傳導(dǎo)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(dǎo)致的界面應(yīng)力，由于界面處的裂縫和缺陷較為集中，當(dāng)收到載荷的作用下會發(fā)生應(yīng)力的集中，導(dǎo)致界面的裂紋會迅速地擴(kuò)張開裂，而纖維的橋梁作用是可以使整個體系的應(yīng)力場更加的連續(xù)和均勻，缺陷的尖端應(yīng)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(jié)更加緊密，增大兩者的相互粘結(jié)面積，提高機(jī)械咬合力和范德華力，從而增強兩者之間的界面粘結(jié)強度。

三、不同纖維在硫鋁酸鹽水泥基快速修補材料中的應(yīng)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(fā)現(xiàn)對比三種纖維對于改性硫鋁酸鹽水泥粘結(jié)強度可知，聚乙烯醇纖維對于提高砂漿的粘結(jié)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(qū)，增強了兩者之間的粘結(jié)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(wěn)定性。這是因為玻璃纖維的彈性模量更大，當(dāng)玻璃纖維加入到砂漿中后可以在漿體的內(nèi)部形成一個亂序的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以抵抗砂漿因干燥導(dǎo)致的收縮應(yīng)力，且當(dāng)受到其他收縮應(yīng)力的時候也會均勻地擴(kuò)散開去，降低對砂漿的作用力，提高砂漿的體積穩(wěn)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(yīng)力的情況下，產(chǎn)生較少的體積變形，對于體積的收縮抑制更加的明顯。

四、結(jié)語

對比實驗中的三種纖維，由于纖維的化學(xué)組成、機(jī)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(huán)形的和不規(guī)則的，其纖維表面的-C-OH基團(tuán)可以與水泥漿體中的-OH基團(tuán)形成牢固的氫鍵。因此它與水泥漿體中的結(jié)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(nèi)部無法做到和聚乙烯醇纖維那樣很好的傳遞應(yīng)力和消耗應(yīng)力。