聚乙烯醇纤维增强水泥基套筒灌浆料的性能研究

朱清华 ，郝敏 ，郝志强 ，王爱军 ，谢松

（1.中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088；2.北京思达建茂科技发展有限公司，北京 102206）

0 引言

水泥基复合材料固有的高脆性是导致其抗拉强度低、抗裂能力差、韧性低的主要原因。通过引进高抗拉强度、高弹性模量的纤维对其进行增强增韧，是提高水泥基复合材料极限延伸率和裂缝控制能力的有效方法[1]。水泥基套筒灌浆料以高强为特点，28 d抗压强度高达85 MPa以上，甚至有些会达到110 MPa以上，脆性极大。因此，研究纤维增强套筒灌浆料非常必要。

聚乙烯醇纤维简称PVA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，其主要特点是高强、高弹模、低拉伸度、耐磨、抗酸碱度好、耐候性好，与水泥等基材具有良好的亲和力和结合性[2]。

本文针对不同聚乙烯醇纤维掺量下灌浆料的流动度、抗压强度、抗折强度、压折比以及锚固不锈钢钢筋等性能进行研究，所得结果可为不锈钢钢筋灌浆短套筒的应用提供参考。

1 试验

1.1 材料

水泥：江南小野田水泥厂生产的P·Ⅱ52.5水泥，标准稠度用水量27.8%，安定性（沸煮法）合格，主要性能指标见表1；石英砂：最大粒径0.6 mm，细度模数1.9；PVA纤维：长度12 mm，记作PVA-12，主要性能指标见表2；减水剂：上海三瑞生产的聚羧酸减水剂600P-F，减水率25%；快硬组分：通过硫酸铝、硫铝酸钙、铝酸钙于1000～1300℃温度下混合而成的自制复合快硬剂；现浇16短套筒：北京思达建茂提供，如图1所示。

表1 水泥的主要性能

表2 PVA纤维的主要性能

图1 16短套筒示意与实物

1.2 试验配比

固定灌浆材料配合比为：水泥1000 g、快硬组分330 g、水340 g、减水剂2.5 g，研究PVA纤维掺量（按占水泥质量计）对灌浆料流动度和力学性能指标的影响。

1.3 试验方法

（1）扩展度：参照JG/T 408—2013《钢筋连接用套筒灌浆料》进行测试。

（2）力学性能：灌浆料抗压、抗折强度参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行测试。

（3）锚固性能：将PVA纤维掺量为0.3%的灌浆料拌合物灌入钢制短套筒和钢筋之间的间隙内，待浆料硬化达到设计强度后进行单向拉伸试验，根据实测拉力值评定灌浆料的锚固性能。钢筋短套筒灌浆连接如图2所示。

图2 钢筋短套筒灌浆连接

2 试验结果与分析

2.1 PVA纤维掺量对灌浆料扩展度的影响

PVA纤维掺量对灌浆料扩展度的影响见图3，不同PVA纤维掺量下灌浆料的流动状态见图4。

图3 不同PVA纤维掺量下灌浆料的扩展度

图4 不同PVA纤维掺量下灌浆料的流动状态

从图3和图4可以看出，掺加PVA纤维后灌浆料的扩展度均小于未掺加纤维的，且随着PVA纤维掺量的增加，扩展度呈下降趋势，即纤维对灌浆料流动起到了阻碍作用。这是由于PVA纤维表面具有较多的羟基亲水官能团，水分容易在PVA纤维表面富集，从而使在颗粒间起润滑作用的自由水量减少，导致拌和物产生初始流动度困难；同时，随着PVA纤维掺量的增加，PVA纤维的缠绕结团现象更加明显，导致拌和物流动阻力增大[3]。

2.2 PVA纤维掺量对灌浆料力学性能的影响

PVA纤维掺量对灌浆料抗压强度、抗折强度和压折比的影响分别见图5～图7。

图5 PVA纤维掺量对灌浆料抗压强度的影响

图6 PVA纤维掺量对灌浆料抗折强度的影响

图7 PVA纤维掺量对灌浆料压折比的影响

从图5可以看出，PVA纤维掺量对灌浆料的抗压强度影响不大，呈现先略微提高后降低的趋势。从图6可以看出，随着PVA纤维掺量的增加，灌浆料的抗折强度逐渐提高。从图7可以看出，随着PVA纤维掺量的增加，灌浆料的压折比逐渐减小。这是因为，PVA纤维在灌浆料中的分布呈三维乱向，起到了拉结筋的作用，而PVA纤维的弹性模量和灌浆料相当，所以纤维的加入能提高材料的抗折强度，降低材料的压折比，增加其韧性。但纤维掺量也不是越多越好，过多的PVA纤维在浆体中难以分散均匀，容易结团造成局部缺陷，降低其抗压强度。因此，PVA纤维最佳掺量取0.3%，进行套筒灌浆锚固性能试验。

2.3 PVA纤维增强水泥基套筒灌浆料的锚固性能

本文采用一种缩短的全灌浆套筒（见图2），钢筋采用2205型不锈钢钢筋。套筒的锚固长度依据以往灌浆接头锚固长度的试验经验，以及基于套筒结构的优化，将最小锚固长度设计为74 mm，约4.5倍钢筋直径，分别配制PVA纤维掺量为0.3%的灌浆料和配比相同、未掺PVA纤维的普通套筒灌浆料进行灌浆，待灌浆料抗压强度达到80 MPa以上时进行套筒的拉伸试验，其中PVA纤维增强套筒灌浆料单向拉伸强度达到733 MPa，而普通灌浆料只有580 MPa，提高幅度达26.4%。不难看出，在灌浆料抗压强度只有80 MPa，锚固长度只有4.5倍钢筋直径情况下，接头的拉伸强度即可达到700 MPa以上，且拉伸破坏的试件没有明显的碎块或崩落。

显然，PVA纤维的掺加大大提高了灌浆料对不锈钢钢筋的锚固作用。这是因为，PVA纤维的掺加，形成了复杂交错的支撑网络，起到了明显的抑制裂缝的作用，提高了灌浆接头的拉伸粘结性能。

3 结论

（1）PVA纤维的掺入降低了水泥基套筒灌浆料的扩展度，且随着PVA纤维掺量的增加，扩展度呈下降趋势。因此，为了保持灌浆料的施工性能，纤维掺入应适量。

（2）PVA纤维的掺入改善了水泥基套筒灌浆料的力学性能，提高了其抗折强度，降低了压折比，提高了材料的韧性。

（3）综合考虑灌浆料的工作性能和力学性能，PVA纤维的适宜掺量为0.3%。PVA纤维掺量为0.3%的灌浆料对不锈钢钢筋的单向拉伸强度较不掺PVA纤维的普通套筒灌浆料提高26.4%。