PVA纖維增韌工程水泥基復合材料在屋面防水工程中的應用研究

周建偉，余保英，孔亞寧，亢澤千，李毅

（中建西部建設建材科學研究院，四川 成都 610094）

0 引言

普通混凝土材料以其卓越的耐久性、力學性能成為建筑領域應用最廣泛的結構工程材料之一，但是該類材料存在脆性大、韌性差的缺陷[1]。針對此類問題，研究者進行了大量的試驗研究。20世紀90年代，美國密歇根大學Li V C等[2]利用斷裂力學和微觀力學相關原理對材料的微觀結構進行了設計調整，開發出了短纖維亂向增韌水泥基復合材料，并將其命名為工程水泥基材料（Engineered Cementitious Composite，ECC），該類材料在硬化后具有準應變硬化特征。隨后這種材料引起了世界范圍內的關注，并在日本、歐洲獲得了飛速的發展。隨著此類材料的研究深入，徐世烺和李賀東[3]的研究表明，只有當材料拉應變能力穩定達到3.0%以上時，其應變硬化性能才具備穩定性，并對這一材料進行了重新定義，即短纖維摻量不超過復合材料總體積的2.5%，硬化后具有顯著的應變硬化特征，在拉伸載荷作用下多縫開裂明顯，極限拉應變穩定達到3.0%以上，并將符合這一標準的材料命名為超高韌性水泥基復合材料（Ultra High Toughness Cementitious Composite，UHTCC）。隨著研究理論的完善，研究人員對此類材料的基本力學性能和耐久性展開了大量研究[4-7]，發現該類纖維增韌水泥基復合材料具有優異的抗滲性能，例Lepech和Li[8]實驗證明，纖維增韌水泥基復合材料微裂紋寬度約60μm時，可與未破裂的混凝土或砂漿具有相似的抗滲性，而且材料內裂紋的自愈特性可顯著降低已開裂的纖維增韌水泥基復合材料的滲透系數。Ma等[9]報道了一種3d抗壓強度為24 MPa，裂縫寬度在50μm以下的纖維增韌水泥基復合材料，該材料的相對滲透率在10個自愈合周期后為0，試樣的其它力學性能也獲得了一定的恢復。Wang等[10]報道了在臨界壓應力條件下纖維增韌水泥基復合材料的滲透性，發現纖維增韌水泥基復合材料固有的狹窄裂縫使其滲透性降低，而且促進了材料的自愈合，表明該類材料是一種在壓力下更加耐用的建筑材料。Liu等[11]研究表明，纖維增韌水泥基復合材料可應用于水工結構，其除了較小的裂縫寬度外，微裂縫的自我修復會進一步降低了破裂纖維增韌水泥基復合材料的滲透性，從而增強了水工結構的耐用性和安全性。綜上，纖維增韌水泥基復合材料是一種具有優異抗滲性能的水泥基材料。

鑒于工程水泥基復合材料在裂縫控制、抗滲等方面的優異性能，工程水泥基復合材料被研究應用于防水工程領域。YU等[12]研究表明，同普通防水砂漿相比，工程水泥基復合材料應用于防水工程具備顯著優勢。日本Mitaka大壩因使用年限過長，導致壩體側面混凝上結構嚴重破壞，出現裂縫、滲水等現象，對破壞處噴射PVA-ECC后成功修復了裂縫，并解決了滲水等問題[13]。李為升[14]將工程水泥基復合材料應用于屋面防水，可以起到屋面防水找平效果。上述工程應用表明了工程水泥基復合材料在防水工程中應用的可行性。

本文將PVA纖維增韌工程水泥基復合材料（PVA-ECC）作為屋面的防水層，進行了PVA-ECC的基本物理力學性能測試，并在既有屋面上進行了鋪設，對鋪設效果、鋪設厚度、粘結強度性能進行了研究，以期豐富工程水泥基復合材料在屋面防水中的應用理論。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：P·O42.5R，四川峨勝水泥集團，其主要技術性能見表1；Ⅰ級粉煤灰、微珠：比表面積分別為3530、4030 cm2/g，四川宜賓福溪粉煤灰有限公司；石英砂：200目，SiO2含量大于99.0%，四川榮盛礦產品有限公司；PVA纖維：安徽皖維新材料有限公司，其基本性能見表2；乳膠粉：5044，可再分散性乳膠粉（含量99%），德國瓦克公司；減水劑：ZY13，減水率為30%，中建新材料有限公司；水：自來水。

表1 硅酸鹽水泥的主要技術性能

表2 PVA纖維的主要技術性能

1.2 配比設計

PVA-ECC的基準配比見表3，PVA纖維的摻量均為配合料體積的2.0%。

表3 PVA-ECC的基準質量配比

1.3 試樣制備與測試

PVA-ECC使用雙臥軸強制拌機攪拌，采取后置纖維法拌合，第1步進行干粉料的混合，第2步加減水劑和水，漿體拌勻后，將PVA纖維加入攪拌機內，纖維分散均勻后卸料，成型試件及鋪設防水層。

試樣的抗壓、抗折強度按照JC/T 2461—2018《高延性纖維增強水泥基復合材料力學性能試驗方法》進行測試。試樣在自然狀態（27℃）下養護24 h后脫模，脫模后將試件置于標準養護室中養護3、7、28 d。參照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》測試材料的抗水滲性能。參照GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》測試抗氯離子滲透性能。參照JGJ110—2008《建筑工程飾面磚粘結強度檢驗標準》在已鋪設好的屋面進行粘結性能試驗，測試其粘結強度，觀察其斷開形式。

2 結果與討論

2.1 PVA-ECC的工作性能（見圖1）

圖1 PVA-ECC的工作性能

由圖1可以看出，PVA-ECC的工作性能非常優異，其坍落度和擴展度分別為296、965 mm。將PVA-ECC在處理后的舊屋面進行鋪設，可以在工作面上迅速流動[見圖1（c）]，在水泥基復合材料表面進行收光即可，具備優異的施工性能。

2.2 PVA-ECC的力學性能（見圖2）

圖2 PVA-ECC的抗壓和抗折強度

由圖2可以看出，PVA-ECC的抗壓、抗折強度隨著養護齡期的延長不斷提高。養護至28 d后，試樣的抗折強度達到15.3 MPa，抗壓強度達到48.8 MPa，具備優異的韌性。

對PVA-ECC的軸向拉伸性能進行了測試，其應力-應變曲線如圖3所示。

圖3 PVA-ECC的應力-應變曲線

由圖3可以看出，PVA-ECC表現出顯著的應變硬化特征，具有優異的變形能力。在7d齡期時，試樣的軸向拉伸強度達到2.5 MPa，對應的極限拉伸應變為7.8%；28 d齡期時，試樣的軸向拉伸強度可以達到3.8 MPa，對應的極限拉應變為4.7%。表明隨著養護齡期的延長，材料的軸向拉伸強度提高，但是試樣的極限拉伸應變降低，這是由于膠凝材料的水化程度加深，材料的脆性增強。

2.3 PVA-ECC的抗滲性能

2.3.1 抗水滲透性能

對試樣不同齡期的抗水滲透性能進行測試，7 d養護齡期，PVA-ECC滲透壓力為2.0 MPa時對應滲透高度為16 mm；28 d養護齡期，滲透壓力為3.0 MPa時對應滲透壓力為13 mm。這表明隨著養護齡期的延長，材料的抗水滲透性能增強，進一步表明PVA-ECC具備優異的抗水滲性能，可以作為防水抗滲材料使用。

2.3.2 抗氯離子滲透性能

對試樣不同齡期的抗氯離子滲性能進行測試，7 d齡期時，PVA-ECC的電通量為219 C，滲透性等級評價為低；28 d齡期時，電通量為78 C，滲透性等級評價為極低。這表明PVA-ECC的抗氯離子滲透性能優異，具備較低的抗氯離子滲透性能。

2.4 PVA-ECC的抗裂性能

對PVA-ECC的早期抗裂性能進行測試，結果如圖4所示。

圖4 PVA-ECC早期抗裂性能測試效果

由圖4可以看出：（1）PVA-ECC在經過24 h風吹之后，表面未發生開裂，試樣整體沒有裂紋產生，試樣的早期抗裂性能性能優異。（2）PVA-ECC與模具邊緣的收縮距離非常小，這也表明PVA-ECC的早期收縮較小。

2.5 屋面防水層鋪設

采用PVA-ECC在舊屋面鋪設防水層，鋪設效果如圖5所示。

圖5 PVA-ECC在舊屋面鋪設防水層效果

由圖5可以看出，PVA-ECC的工作性能優良，在施工機械的輔助下可以有效實現材料的攤平以及表面收光[見圖5（a）]，表明PVA-ECC作為防水層材料具有一定的施工便捷性能。在PVA-ECC硬化后進行蓄水試驗[見圖5（b）]，發現無漏水、滲水現象的發生，這表明PVA-ECC作為防水層具有可行性。持續養護后，PVA-ECC防水層未發生開裂，使用效果良好。

2.6 粘結性能

2.6.1 鋪設層厚度

對已鋪設的工程水泥基復合材料防水層進行厚度測試，防水層的單層鋪設厚度為4.5 mm；雙層鋪設（第1層硬化后鋪設第2層）方式使得防水層的厚度較為均勻，基本消除了單層鋪設存在的厚度不均現象，雙層鋪設后的防水層厚度約為6.4 mm。

2.6.2 粘結性能測試

采用強力環氧樹脂AB膠將實驗用的標準片粘結在ECC層的表面，固化2 d后測試其粘結性能。本次粘結強度測試采用可移動式拉拔設備，便于在現有的試驗條件下進行數據的采集，圖6為粘結強度測試設備及過程示意。

圖6 粘結強度測試設備以及過程示意

對單層防水層的粘結強度進行測試，結果如表4所示。

表4 單層澆筑作業面的斷開情況

由表4可知，單層鋪設防水層，其粘結強度為0.5～0.8MPa，共有3種斷開形式。其中，防水層內部斷開需要0.5MPa的應力，防水層與舊屋面界面斷開需要0.7 MPa的應力，舊屋面基體斷開需要0.8MPa的應力。在這3種斷開形式中，舊屋面基體斷開在測試樣本中占比最高，達到了60%，表明PVA-ECC防水層與舊屋面粘結性能優異。

對雙層防水層的粘結強度進行測試，結果如表5所示。

表5 雙層澆筑作業面的斷開情況整理

由表5可知，雙層鋪設的防水層共有4種斷開形式，與單層防水層相比，增加了防水層之間的斷開形式。此種結構下，防水層的粘結強度為0.4～0.6MPa，其中第2層防水內部斷開需要0.6 MPa的應力；2層防水層之間斷開需要0.4 MPa的應力；第1層防水層內部斷開需要0.7MPa的應力；舊屋面基體斷開需要1.0 MPa的應力。4種斷開形式中，2層防水層界面之間的斷開占比較高，達到了40%，這表明2次鋪設增加了2層結構中的破壞形式，2層工程水泥基材料層之間變成了整體結構的薄弱面，更易受到破壞。但是仍然有20%的斷開處于第1層防水層，30%的斷開處于舊屋面基體之中，這也表明工程水泥基復合材料具備較為優異的粘結性能，2次鋪設防水層需要進一步優化。

3 結論

PVA-ECC具備優異的工作性能，可以在屋面快速施工。同時其具備優異力學性能與抗滲性能，28d齡期時，試樣的抗折、抗壓強度分別為15.3、48.8 MPa，其抗水滲透壓力可以達到3.0 MPa時滲透高度為13 mm，電通量為78 C。PVA-ECC可以作為屋面的防水層，在厚度為4.5～6.4 mm范圍內，與既有屋面的粘結強度≥0.8MPa。