不同纤维在硫铝酸盐水泥基快速修补材料中的应用

陈凤

随着人类社会和技术的不断发展，人类的活动和社会生产的需要带动了大量的房屋建筑和交通建设，而水泥混凝土具有来源广泛，生产工艺简单，价格低，耐久性好等优点，被广泛应用于人类的基础建设。但水泥混凝土建筑材料因施工监管不合格，长期的过载使用和恶劣环境的侵蚀作用，使大量的水泥混凝土建筑受到不同程度的破坏，严重危害人生安全。因此，当今社会的建筑格局经过这么多年的快速发展已经从以前的大规模的大兴土木到如今维护修补为主的基调。因此这也吸引了国内外学者和工程实践者对于混凝土的破损机理、修补材料、修补方法等问题展开了大量的研究。其中在大量的工程实例中发现，在破损的基体上进行修补，重点是修补材料与基体材料之间的相互结合，两者的结合则涉及到材料之间的相容性，比如弹性模量，柔韧性和力学强度等。因此对于水泥基材料的修补，一般在没有特殊要求的情况下利用同样是水泥基材料进行修补的效果会比其他材料的修补效果更加的稳定和协调。

一、硫铝酸盐水泥的研发现状

水泥基快速修补材料主要是以水泥作为基础的胶凝材料，复合各种外加剂而制备成的无机修补材料。由于其与旧混凝土性质相近，结构相似，相容性好，体积稳定和耐久性好等优点，被作为主要的修补材料应用于修补工程中。按照水泥的品种不同，可以分为快硬硅酸盐水泥修补材料、硫铝酸盐水泥基快速修补材料、高铝水泥基修补材料、硫酸镁水泥基修补材料、硅灰水泥混凝土、偏高岭水泥混凝土。

硫铝酸盐水泥是以石灰石，铝矾土和石膏为主要的原材料，经过在1300℃～1350℃下煅烧得到硫铝酸盐水泥熟料，其主要成分是无水硫铝酸钙和硅酸二钙，再掺入适量的混合材（如石膏和石灰石等）共同粉磨而成的水硬性胶凝材料。与普通硅酸盐水泥相比，由于无水硫铝酸钙的烧结温度低于硅酸三钙矿物，生产硫铝酸盐水泥其理论的能耗低于一般的普通硅酸盐水泥，在环境友好型方面符合国家提出的节能减排的战略要求。在水泥水化方面，由于硫铝酸盐水泥熟料中大量的无水硫铝酸钙可以和拌合水快速发生水化反应形成大量的钙矾石，因此硫铝酸盐水泥具有早期水化速度快，凝结时间短，早期强度高等特点。硫铝酸盐水泥熟料中CaO的含量较低，其体系中的碱度低于一般的普通硅酸盐水泥体系，因此在选择改性剂对硫铝酸盐水泥进行改性的时候需要考虑硫铝酸盐水泥特殊的水化环境。

从硫铝酸盐水泥近几年的科学研究和工程应用中可以发现，硫铝酸盐水泥是一种值得推广和发展的水泥品种，特别是在需要早强、高强、抗冻、耐腐蚀、抗渗等特殊要求的特种工程中应用越来越广泛。国内外的诸多学者和技术人员对于硫铝酸盐水泥的理化研究和工程应用展开了大量的研究。常钧等重点研究了含钡硫铝酸盐水泥混凝土试块的微观结构，发现混凝土试块的破坏是从集料内部断开，证明含钡硫铝酸盐水泥混凝土具有很强的界面粘结强度。杨克锐等重点探讨了硫铝酸盐水泥凝结时间的调节问题，实验结果表明，通过合理控制硼砂与硫酸铝的比例，可保证硫铝酸盐水泥适度缓凝，并具有较好的后期强度。付兴华提出了改善硫铝酸盐水泥倒缩问题的方法，掺加烧石膏可以降低硫铝酸盐水泥的28d强度的倒缩。

二、纤维在硫铝酸盐水泥基修补材料中的界面作用

纤维作为一种增强复合材料被广泛应用于水泥砂浆体系中，主要用于改善水泥基材料的脆性和弹性模量；纤维在水泥混凝土体系中形成相互胶结的网状结构，可以抵消并传递受到的作用力，降低界面薄弱区域的应力集中，延缓裂缝的出现或者阻止进一步的扩展，显著改善混凝土的早期塑形开裂，降低混凝土的收缩性。由于硫铝酸盐水泥的碱度低，对纤维的侵蚀比一般的普通硅酸盐水泥小，因此硫铝酸盐水泥对有机纤维和玻璃纤维的化学相容性较好，故可以将纤维作为改性硫铝酸盐水泥基快速修补材料的一种添加组分。

纤维对于增强改性硫铝酸盐水泥砂浆的粘结强度的机理是：

1.应力分配和传输作用。纤维的加入首先会在砂浆内部与浆体材料之间形成一种乱向的网状结构，当受到外力的时候，可以将应力传导开来，增大砂浆的抗拉和抗折强度；

2.减少收缩作用。纤维可以减少砂浆的收缩，也会降低因砂浆收缩而导致的界面应力，由于界面处的裂缝和缺陷较为集中，当收到载荷的作用下会发生应力的集中，导致界面的裂纹会迅速地扩张开裂，而纤维的桥梁作用是可以使整个体系的应力场更加的连续和均匀，缺陷的尖端应力集中得到缓和，裂缝的开裂得到抑制。

3.填充作用。纤维可以填充到新旧混凝土界面之间的孔隙处，使得新旧混凝土之间的粘结更加紧密，增大两者的相互粘结面积，提高机械咬合力和范德华力，从而增强两者之间的界面粘结强度。

三、不同纤维在硫铝酸盐水泥基快速修补材料中的应用

通过在硫铝酸盐水泥快速修补材料中添加聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维和玻璃纤维，研究了纤维的种类对于硫铝酸盐水泥砂浆性能的影响。

试验过程中发现对比三种纤维对于改性硫铝酸盐水泥粘结强度可知，聚乙烯醇纤维对于提高砂浆的粘结性能最好，聚丙烯纤维次之，玻璃纤维的效果最差，纤维大幅改善了修补材料的界面过渡区，增强了两者之间的粘结强度。

玻璃纤维减少硫铝酸盐水泥砂浆的干缩效果最好，可以降低干缩值；聚乙112%，烯醇纤维次之，可以降低89%；聚丙烯纤维最差，但也能降低45%的收缩。这三种纤维都能降低砂浆的收缩，提高砂浆的体积稳定性。这是因为玻璃纤维的弹性模量更大，当玻璃纤维加入到砂浆中后可以在浆体的内部形成一个乱序的网状结构，可以抵抗砂浆因干燥导致的收缩应力，且当受到其他收缩应力的时候也会均匀地扩散开去，降低对砂浆的作用力，提高砂浆的体积稳定性，而弹性模量较大的玻璃纤维可以在受到相同的收缩应力的情况下，产生较少的体积变形，对于体积的收缩抑制更加的明显。

四、结语

对比实验中的三种纤维，由于纤维的化学组成、机械性能不同，不同的纤维与水泥基材料之间的相容性也不相同。聚乙烯醇纤维的弹性模量介于聚丙烯纤维和玻璃纤维之间，稍微大于水泥砂浆的弹性模量。且聚乙烯醇纤维的表面是非环形的和不规则的，其纤维表面的-C-OH基团可以与水泥浆体中的-OH基团形成牢固的氢键。因此它与水泥浆体中的结合要好于聚丙烯纤维。而玻璃纤维的弹性模量比砂浆体系的要大很多，在砂浆内部无法做到和聚乙烯醇纤维那样很好的传递应力和消耗应力。