抗渗抗裂干混砂浆的研究进展

王忠文 刘凤英 王彦君（中国建筑材料科学研究总院，北京 100024）

贾艳华 张义波 夏娟娟（蓟县环境保护监测站，天津 蓟县301900）

在建筑工程中，砂浆是一种用量巨大、用途广泛的建筑材料。普通砂浆的抗拉强度低、极限延伸率小、脆性显著，拌合物在日照、风吹等情况下，没有足够的时间形成抗拉强度以抵抗由于快速蒸发产生的毛细孔收缩应力，容易产生塑性收缩开裂、空鼓、脱落等问题，导致水、水蒸汽，特别是一些地下有害气体通过建筑渗漏到大气中，对人类健康造成巨大威胁，同时对建筑物造成严重危害，这已经成为建筑工程中的质量通病，也是建筑工程中一个十分重要而迫切需要加以解决的问题。

近年来，随着现代技术的不断发展和人们生活水平的提高，人们对居住环境提出了更高的要求，普通砂浆的性能已不能满足现阶段及未来的需求，对砂浆这一大宗建筑材料提出了更高的要求，它正朝着高强度、高韧性、高阻裂、高防渗、高耐久的方向发展。因此，从提高抗渗性能和抗裂性能两个角度，提高设计质量，延长结构使用寿命，是摆在我们面前的一个很重要的现实课题和任务。采用抗渗抗裂砂浆干混浆是最重要的措施，而掺入外加剂又是提高砂浆抗渗抗裂性能力的最基础手段。在普通砂浆中掺入抗拉强度高、极限延伸率大、抗碱性能好的纤维及自密效果好的无机刚性防水材料作为增强体，方能达到日趋提高的抗渗抗裂的要求，改善普通砂浆的缺陷，从而也能显著提高混凝土的耐久性，既节约了成本，又提高了环保效益。因此，研究纤维和防水剂抗渗抗裂砂浆，克服防水工程渗漏、提高防水工程的质量、提高结构的耐久性，将有效地贯彻环境保护和可持续发展战略，具有重要的实际意义。

水泥砂浆作为传统的建筑材料已有200 多年历史，而今随着经济的快速发展，特别是高性能材料的要求，又对这一传统材料提出了新的要求。如材料良好的抗拉强度、抗弯强度、耐冲击、耐腐蚀、耐高温、抗渗抗裂等。纤维和防水材料用于砂浆制成复合材料，是提高抗渗抗开裂性能，获得高性能水泥砂浆的有效途径。

1 纤维水泥砂浆的研究进展

利用纤维提高混凝土的抗开裂性的研究可以追溯到封建时代的初期，我国劳动人民很早就在干打垒的土墙中掺入稻草以改善其阻裂与抗拉性能。大约在100 年之前，石棉已应用于水泥制品；70 年代中期，玻璃纤维在混凝土中的应用实现了工业化；80 年代中期，碳纤维在混凝土中的应用也实现了工业化；80 年代后期，其它合成纤维增强混凝土相继实现工业化[1]。

纤维在砂浆中的应用，可使砂浆早期收缩所产生的裂纹明显减少，显著提高砂浆抗渗性能和抗裂性能，同时还有一定增韧作用[2]。纤维材料的技术性能指标因材料品种的不同呈现出不同的差异，但对于在砂浆中掺入的各类纤维材料，却相差不大[3]。目前纤维水泥砂浆的种类繁多，有合成纤维水泥砂浆、玄武岩纤维水泥砂浆、钢纤维水泥砂浆及碳纤维水泥砂浆等等。

1.1 合成纤维水泥砂浆

合成纤维水泥砂浆是应用最为普遍，最为成功的一种水泥砂浆，其在砂浆中的应用始于20世纪80 年代，掺加直径小于0.1mm、体积率一般不大于0.1%的细合纤维可显著减少混凝土的收缩裂缝，有利于增进混凝土工程的耐久性。90年代中期又在混凝土工程中推广粗合成纤维的使用，此种纤维直径大于0.3mm，体积率一般大于0.3%，可用于提供钢纤维或者是钢网。我国混凝土工程中使用合成纤维虽然滞后于某些发达国家，但发展迅速。合成纤维在国内外混凝土工程中得到广泛应用时，在国际市场也不断出现各种品牌的用于混凝土的合成纤维。这些纤维原料不同、外形各异、材性不一，按材料成份目前常用的合成纤维主要有聚乙烯醇、聚丙烯、聚乙烯、尼龙、聚酯等品种[3]。

聚乙烯醇纤维也称维纶纤维，是以高聚合度的优质聚乙烯醇为原料，采用特定的技术加工而成的一种合成纤维，具有高强度、高弹模、低伸度、耐磨、抗酸碱、耐候性、与水泥石膏等基材有良好的亲和力和结合性等特点，而且无毒、无污染、不损伤人体肌肤、对人体无害，是新一代高科技的绿色建材之一[4]。因此，将其应用于水泥砂浆也是目前的一大研究热点。胡康宁等[5]对掺PVA 纤维的抗裂改性水泥的性能与应用进行了研究，结果表明：掺PVA 纤维的抗裂砂浆的强度、变形性能、抗裂性和耐久性较普通水泥砂浆均具有明显改善，并在技术工程中得到了实际应用。高祥彪等[6]从混凝土抗折强度、抗压强度以及极限延伸率的角度出发研究了PVA 纤维对混凝土抗裂性能的影响，结果表明：纤维长度为6mm，并且在0.08%～0.1%的体积掺量范围内效果最佳，7d 抗折强度提高14.28%，静弹性模量提高6.63%，抗拉强度提高1.62%，极限延伸率提高20.4%；28d 抗折强度提高21.67%，静弹性模量降低了4.52%，抗拉强度提高12.5%，极限延伸率提高25.8%。计涛等[7]对PVA 纤维抗冲磨混凝土的力学性能、变形性能及抗冲磨性能等进行了研究，发现在抗冲磨混凝土中掺入PVA 纤维，可以提高混凝土的劈拉强度、极限拉伸值和抗冲磨强度，并有效抑制混凝土早期塑性收缩裂缝的生长和发展。

聚丙烯纤维是丙烯聚合得到的等规聚丙烯为原料，经纺丝得的合成纤维，具有强度高、耐磨、化学稳定性强、抗酸碱能力强、不吸水、延伸率大、韧性好、弹性模量较大、不易进行染色等特点[8]。之前有不少的学者将其应用于水泥砂浆。方永浩等[9]研究了玄武岩纤维和聚丙烯纤维单独和混杂对水泥砂浆工作性、力学性能和抗裂性的影响，结果表明：在掺率为0.075%~0.2%（体积分数）范围内，单独掺加玄武岩纤维和聚丙烯纤维均可以不同程度的提高水泥砂浆的抗折强度和早期抗压强度，而对28d 抗压强度均有不利影响；在体积率掺量相同的情况下，掺加玄武岩纤维比掺加聚丙烯纤维的砂浆具有更好的力学性能；玄武岩纤维与聚丙烯纤维以适当比例混合掺杂时，可以得到较掺加单一种纤维更好的效果；混杂纤维可以有效改善水泥砂浆的韧性，提高水泥砂浆的抗裂性能。

1.2 玄武岩纤维水泥砂浆

玄武岩纤维（Continuous Basalt Fiber 简称CBF 或BF），是玄武岩石料经1450℃~1500℃高温熔融后拉制而成的连续纤维。其化学成分中含SiO244%~52%、Al2O312%~18%、铁氧化合物9%~14%，性能类似于玻璃纤维，介于高强度S 玻璃纤维和无碱E 玻璃纤维之间，是一种新型的绿色环保健康玻璃质纤维材料，具有密度大、抗拉强度好、弹性模量高、绝缘性能好、隔热隔音性能好、热传导系数低、耐腐蚀、耐高低温、耐冲击、抗弯、抗渗、抗冻性能好等特点[10-15]。玄武岩纤维是一种新型无机纤维材料，是继碳纤维、芳纶、超高相对分子质量聚乙烯纤维之后的第四大技术纤维，是21 世纪符合生态环境要求的绿色新材料，于水泥良好的相容性和耐酸碱能力，满足绿色、环保的要求，且我国拥有完全自主知识产权，制造技术先进、成本低，进一步奠定了其在国内水泥基材料行业的应用基础。虽然将玄武岩纤维应用于增强水泥基复合材料方面起步较晚，但对其的研究已成为目前的热点。

国 外 方 面，Jone Sung Sim[16]、Zielinski[17]、Dias D P, Thaumaturgo C[18]等分别研究了玄武岩纤维增强水泥砂浆、混凝土的力学性能，结果表明：与普通纤维增强水泥砂浆、混凝土相比，玄武岩纤维增强水泥砂浆混凝土具有更加优越抗拉强度、延伸率、抗压抗折强度、抗冲击强度和冲击韧性等物理性能。

国内玄武岩纤维受到较多关注是在2005 年全国第二届FRP 会议开始以后。近年来，由于我国已经具有批量生产玄武岩纤维的能力，国内的不少学者对玄武岩纤维混凝土的各方面性能做了大量的实验研究，关于玄武岩纤维混凝土的研究成果较多。胡显奇等[19]、廉杰等[20]、沈刘军等[21]，李韧等[22]、吴刚等[23]、吴钊贤等[24]经研究发现玄武岩纤维增强混凝土的抗压强度、抗拉强度、抗冲击强度、冲击韧性和延性等物理性能比普通混凝土均有较大幅度的提高，其增强效果与纤维的体积掺量、长径比的范围有很大关系，且混凝土塌落度基本没变化，较好地解决了纤维与水泥石的粘接问题，降低了混凝土的孔隙率。籍建云、罗鑫等[25-26]分别将玄武岩纤维应用于增强高速公路沥青混凝土及地质聚合物混凝土在机场道面快速修补中，均取得了较好的效果。

1.3 钢纤维水泥砂浆

钢纤维增强是提高水泥砂浆韧性的一项有效措施，目前多数研究工作都采用单一尺寸钢纤维增强材料，但由于水泥基材料具有多层次特征，因此宜掺入不同尺寸的钢纤维与基体各结构层次匹配，以达到从整体上优化其力学性能的目的。有研究者[27,28]用中等和较大直径的钢纤维代替部分微细钢纤维对混凝土进行杂混增强，发现不仅可提高混凝土的综合力学性能，而且拌合物的工作性也因钢纤维总体积分数较低而一定程度上得到改善。吴科如等[29]采用微细钢纤维和中等直径钢纤维混杂增强水泥砂浆，得到在同一钢纤维体积分数下，混杂钢纤维对水泥砂浆力学性能的改善作用好于单一直径钢纤维。

1.4 碳纤维水泥砂浆

短切碳纤维高强、质轻、耐腐蚀、良好的导电性能，不仅能显著提高材料结构的抗弯强度、抗拉强度和韧性，而且能赋予其某些半导体的特殊性能，如热电性能等，但碳纤维价格昂贵影响了它的工程应用。因此，不少研究者[30]考虑以工程中常用的廉价纤维替代部分碳纤维，使之保持具有机敏材料的电特性，且强度基本保持不变，并大大降低成本，具有一定经济效益，有利于碳纤维水泥砂浆作为机敏材料的推广应用。因此复合纤维也是抗裂砂浆的一大发展趋势。

2 防水材料水泥砂浆的研究进展

目前，我国防水材料已由沥青纸胎油毡等有机材料一统天下的格局，发展成为今天的两大主要类别的防水材料[31]：柔性防水材料和刚性防水材料。

2.1 柔性防水材料水泥砂浆

柔性防水材料主要利用高分子物质，通过聚合、改性等手段，在混凝土表面形成一层憎水的弹性保护层，封闭混凝土表面，防止水的通过，但其有效试用期较短，耐久性年限仅为20 年，而且成本高、修复比较困难。

柔性防水材料包括沥青基防水卷材、合成高分子防水卷材类等。沥青基防水卷材[32]包括改性沥青基防水卷材和自粘防水卷材。改性沥青基防水卷材具有较高的弹性、延伸率、耐疲劳性和低温柔性、热稳定性和抗强光辐射性等特性，主要用于屋面及地下室及卫生间防水防潮，适于单层铺设或复合使用；自粘防水卷材特点，是一种经济、实用、环保型材料。高分子防水卷材[33]包括PVC和EPDM 防水卷材。PVC 防水卷材具有较高的拉伸和撕裂强度，延伸率较大，耐腐蚀性强，且有原料丰富，容易粘结，适用于屋面防水，也可用于堤坝、水库等防水工程；EPDM 防水卷材弹性和拉伸性能极佳，其耐候性、耐热性和低温柔性比塑料优越得多，但目前在国内属高档防水材料，其工程造价较高。

2.2 刚性防水材料水泥砂浆

刚性防水材料则是以水泥、砂石为原料，掺入防水剂、减水剂、膨胀剂等少量有机或无机外加剂，增加混凝土密实性、减少毛细孔数量，在混凝土表面或内部形成致密结构，以弥合混凝土结构缺陷、增强混凝土防水性能的刚性防水砂浆[34]，其防水技术工艺简单、成本低廉，且出现渗漏现象后容易修复，但刚性防水层外加剂或防水材料的选择、配比、搅拌、浇注和养护，每道工序都应严格按照要求进行施工，否则将失去防水效果。

刚性防水材料包括膨胀剂类防水材料、无机盐类防水材料、金属皂类防水剂、有机硅类防水剂、混合型防水剂。

膨胀剂类防水材料

膨胀剂类防水材料[35,36]在混凝土水化早期形成大量钙矾石晶体，由于钙矾石晶体具有体积膨胀的特点，会在混凝土内部产生一定量的膨胀，起到补偿收缩的效果，避免裂缝的产生，同时提高混凝土的致密性，增强其防水性能。

无机盐类防水材料

无机盐类防水材料在建筑物表面或混凝土层的水化过程中发生一系列的化学反应，能生成稳定不溶于水且有一定膨胀性能的胶体物质或晶体物质，充到水泥砂浆或混凝土在水化凝固过程中形成的细微孔缝，堵塞渗水孔缝通道，达到防水抗渗效果[37-39]。无机盐类防水材料不仅价格低廉，而且无任何公害，是21 世纪环保型材料发展的重点之一。随着人们对环保意识增强，无机防水材料越来越受到人们的重视，由于我国无机防水材料起步较晚，目前国内外将无机刚性防水材料用于水泥砂浆的还不多，实践经验还有待于提高，因此应在不断积累经验的基础上，开发无机盐类刚性防水材料抗渗抗裂砂浆，具有较好的社会经济效益。国内马志刚[40]、王继斌[41]、赖家彬[42]、王春阳[43]分别将无机刚性防水材料应用于地下防水混凝土工程，均发现混凝土拌合物的流动性能、抗压强度、抗渗性均有所提高，充分满足了当地地下防水工程的要求，在很多方面比传统防水有着更多的优点。

金属皂类防水剂

金属皂类防水剂具有塑化作用，可降低水灰比，掺入水泥砂浆中，可使水泥质点和浆料间形成憎水性吸附层并生成不溶性物质，起填充砂浆中微小空隙和堵塞毛细通道，切断和减少渗水孔道的作用，增加了砂浆的密实性，使砂浆具有防水特性，适宜于涂刷防水层、堵塞漏点等。

有机硅防 水剂

有机硅防水剂主要成分为甲基硅醇钠和氟硅醇钠，是一种分子量较小的水溶性聚合物，易被弱酸分解，形成不溶于水的、具有防水功能的甲基硅醚防水膜，防水膜包围在混凝土的组成粒子之间具有憎水性能，还有以有机硅与无机活性硅经聚合而制得的粉状防水剂[44]。这种硅质密实剂掺入水泥砂浆及混凝土后，使其具有微膨胀性、密实性和憎水性，从而达到防水抗渗效果[45]。

3 展望

我国现阶段已经开始了聚乙烯醇纤维，玄武岩纤维和无机刚性防水材料单独在建筑领域的应用，也取得了不少的研究成果，但许多问题还亟待解决，如抗渗性能、抗裂性能、抗冻融性能、抗冲击性能等不够好，不能满足很多建筑的需要。目前，将纤维和无机刚性材料同时应用于砂浆中还没有相关报道。为了进一步将纤维和无机刚性防水材料得以推广应用，还需抓住二者能够密实水泥砂浆结构、抗渗抗裂等特性，对其进行深入系统的研究，将其共同作为抗渗抗裂干混砂浆的添加料，在建筑领域有着广阔的前景。

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