纤维水泥砂浆的应用发展分析

王云飞 姜久红

摘要：随着水泥砂浆在工程中应用范围的扩大，对其性能的要求也越来越多。韧性和抗拉能力的要求尤为突出，纤维的掺入大大改善了其缺点。結合一些功能型纤维水泥砂浆的实际应用案例，发现其应用前景广阔但仍存在一些需克服的问题。

Abstract： With the expansion of the application scope of cement mortar in engineering， there are more and more requirements on its performance. Especially for toughness and tensile strength， the incorporation of fiber has greatly improved it's shortcomings. Combined with some practical application cases of functional fiber cement mortar， it is found that it's application prospect is broad but there are still some problems to be overcome.

关键词：水泥砂浆;干燥收缩;流动性

Key words： cement mortar;sintering shrinkage;flowability

中图分类号：TU578.13                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）31-0228-02

0  引言

众所周知，当今社会的许多资源面临枯竭，可持续发展被早早的提上日程。进入21世纪后的我们物质文化水平提高，已经不再满足传统建筑的精简、实用等功能，更加在美观、耐久等方面有诸多要求。水泥基材料分为结构材料和非结构材料，属于后者的纤维水泥砂浆在墙体材料和块材、板材方面的使用正在发生翻天覆地的变化。

1  纤维水泥砂浆

早期的水泥砂浆就是水泥加砂和水，和混凝土一样都属于脆性破坏材料，受古人往土坯墙里面加稻草的启发，纤维也慢慢的出现在水泥砂浆里，而且用的越来越多。1986年杨瑞珊首次提出玻璃纤维可以增强水泥砂浆的抗弯和抗拉强度[1]，随后纤维砂浆的研究越来越多。

砂浆多用于找平、找坡、材料粘结等方面，但是随着功能性的要求，抗渗、耐高温、抗冻、抗冲击等功能型的纤维水泥砂浆相继出现。现如今有掺入水泥砂浆研究的纤维有：钢纤维、玄武岩纤维、聚乙烯醇纤维、碳纤维、玻璃纤维等。

2  作用机理

水泥砂浆属于多孔材料，掺入的纤维错落、杂乱的分布起着网状承托作用。单位体积内的纤维在砂浆硬化时就产生了拉应力，势必会阻止微观裂纹的产生。纤维的掺入填充了砂浆内部的部分孔洞（通道），减少了水分的流失，所以在微观和宏观方面纤维都能增强水泥砂浆的抗裂性能。砂浆内部孔隙率和孔特征是影响抗渗性能的关键因素，孔隙率的改变对氯离子的扩散也起着至关重要的作用，当通道被堵塞以后就增强了抗氯离子侵蚀和抗渗性能。由于纤维良好的延展性，使得水泥砂浆具备了部分抗冲击和变形能力，这在抗冲击荷载和地震作用方面又能获得增益。

3  纤维水泥砂浆的研究

国内外对于纤维水泥砂浆的研究可谓百家争鸣。褚明生通过对比发现玄武岩纤维比有机纤维更适用于砂浆。玄武岩纤维可以增强水泥砂浆的韧性和试件的挠度，但是不能改善其抗弯性能[2]。朴良桃提出在混凝土钢筋梁周围使用掺入钢纤维的水泥砂浆加固，则梁的截面承载力和刚度都会增强[3]。邵俊丰发现PVA改变了砂浆内部结构，对水泥砂浆的氯离子扩散系数有显著影响，并且该系数与电阻率成负相关[4]。同年黄旭发现在水泥砂浆中加入稻草纤维不太会影响其流动性，但是会降低其密度从而影响抗压强度[5]。

Warun Wongprachum采用聚丙烯纤维、钢纤维和微聚丙烯纤维做互相对照试验，结果表明有机纤维加入砂浆中可以提高其耐磨性， 但是钢纤维在这方面效果不明显[6]。ShengHui Song分别在砂浆中加入乳胶和纤维，来探究砂浆的物理性能。发现乳胶和纤维二者都可以增强低掺量砂浆的抗压和抗折强度，降低孔隙而且能够延缓水泥砂浆水化过程，减少水化热带来的干燥收缩[7]。WeiHong Xuan对聚丙烯纤维砂浆的干缩变形进行数值模拟，与实际实验结果相比较二者误差不大。聚丙烯纤维的掺入可以抑制开裂，并且能提高水泥基材料的断裂韧性[8]。

4  纤维水泥砂浆的工程应用

早期的聚合物砂浆用来修补路面，1923年首次在英国应用。随着时间的推广和学者的研究热潮，各种应用研究相继出现。法国和日本还专门做出了关于纤维水泥砂浆的路面施工规范。地下室总是阴冷潮湿的。当有荷载冲击出现时就会出现裂缝继而发生漏水，简单的涂抹防水材料并不能抵抗水压力，不能从根本上解决问题。1997年沈阳某公司冲压车间在尝试了普通的防水材料失败之后，采用钢纤维膨胀水泥砂浆和防水材料交替涂抹，终于克服了裂缝渗水问题。纤维增加了砂浆与基层的粘结程度，该方法从渗水和粘结、施工工艺三方面解决了问题。

2004年广州大学两教学楼外墙贴砖层使用的PP纤维砂浆算是全新的尝试[9]，它不仅减少了后期修缮和维护方面的费用，而且在审美美观方面也有提升。该建筑后来还得到了省优良样品奖。这种纤维砂浆价格低廉、功能性好，做粘结材料时抗渗性能又好，瓷砖粘贴结实又不会产生空隙，该纤维水泥砂浆在工程实践中很快就得到推广。

2006年，掺入钢纤维的磷酸镁水泥砂浆在快速修补方面已经广泛使用[10]，它增加了材料的早期强度，施工周期短、硬化快、流动性好;大量运用于跑道、码头、高速公路等。大大降低了因故障停止使用而带来的各种损失，且施工过程中没有冲击振动和碎渣，由于其安全和效率（30分钟后走人，60分钟后行车）等原因很受欢迎，在现代工程中应用前景也很清晰。

农田灌溉在缺水地区向来都是头等大事，传统的水渠耐久性很差，极易产生渗水、老化、冻裂等现象。为解决灌溉问题，2009年马文波在某灌区研发了聚合物水泥砂浆作为新的水渠材料[11]，在抗渗和防冻方面性能极佳。综合考虑性能、修缮、施工、应用等方面，该纤维水泥砂浆是很好的沟渠砌筑材料。

2011年左右，改性pp纤维在国内外的防水工程应用中就很成熟。由于改性pp纤维对砂浆的收缩和固结的特殊作用[12]，致使其抗裂性能较强。漏水、渗水的实质就是微观裂缝的产生致使混凝土开裂。纤维的掺入使砂浆内部各物质连结成整体，发挥更有效的抗裂增韧作用。从施工的便利到修复节约成本，纤维砂浆都是极好的防水材料，也值得推广应用。

海洋是一个巨大的电解质溶液具有一定的腐蚀性：所以各种跨海大桥还有海底隧道等都深受其害，这其中氯盐就是典型的祸首。对于会产生积雪的北方路面、桥面，目前来看撒盐还是比较流行且单一的做法，化冰的同时就会产生氯离子溶液。从2015年开始PVA纤维水泥砂浆在桥梁修补加固方面应用极多并且效果良好，它能减少腐蚀也能增加结构的耐久性和使用年限。

船闸墙相比于灌溉渠，属于大体积混凝土工程，所以渗水、裂缝、变形等问题更加突出。造福了人类数百年的京杭运河苏北段就存在很多被船舶冲撞的故障船闸墙，2018年宋端想结合前人修补实例，利用pp纤维水泥砂浆的抗冲击能力和耐磨性修补裂缝[13]，将尖锐冲击应力分散。该砂浆内部的交错纤维约束裂缝产生和扩展，该案例为通航建筑类提供了宝贵的修补经验。

由于纤维水泥砂浆在韧性、抗裂性、抗渗能力等方面有极好的表现，所以在世界各地都取得了良好的使用效果。根据功能性分别应用在防水工程、砌筑工程、外墙砌筑、码头工程、加固工程、水利工程等。水泥砂浆也会受到荷载作用。例如在外墙抹灰和结构尺寸比較小的构件有时候可能会遭受地震作用和冲击荷载等。在蓄水池和地下车库等需要做防水、堵漏的工程中，抗渗型的纤维水泥砂浆正好可以发挥作用。在当今环保节约型社会中，功能型的砂浆可以延长使用寿命从而节约成本，从经济角度来看前景还是很好的。

5  结论及展望

纤维水泥砂浆自问世以来就广受青睐，因其韧性强、耐久性、抗渗性能好，还具有一定的抗冲击能力，在混凝土腐蚀区其修补处理效果极好，对于尺寸比较小的预制构件还可以起到保护层的作用，所以纤维水泥砂浆在很多领域都有应用。但是，纤维水泥砂浆在工程中的应用还是存在一些不足之处。无论是在混凝土还是在砂浆中，流动性始终是待解决的问题。为保障纤维水泥砂浆的性能稳定，需要改进施工工艺。纤维在工程中的投入虽然增加了成本，但是从使用寿命的角度来看还是值得的。在理论研究方面，纤维在水泥砂浆中的应用已经是非常成熟，在工程应用当中还需要大量的数据来证明可靠性。在稳定性不断完善的同时今后的突破重点可以放在微观结构上，针对荷载作用下产生的裂纹走向可以进一步研究，以确定纤维的防抗拉应力是否能够抑制裂纹的恶化。总体来看，满足可持续发展的纤维水泥砂浆必将是未来工程中的主流。

参考文献：

[1]杨瑞珊.抗碱玻璃纤维增强低碱度水泥砂浆的抗拉和抗弯强度[J].建筑材料科学研究院，1986，1：21-29.

[2]褚明生，陈祎. 玄武岩纤维水泥砂浆的力学性能研究[J].现代交通技术，2008，5（5）：18-20.

[3]朴良桃，彭超，李为.钢纤维水泥砂浆加固钢筋混凝土足尺梁抗弯性能[J].河海大学学报，2010，38（1）：98-103.

[4]邵俊丰，张世义，范颖芳.PVA 纤维水泥砂浆氯离子扩散性研究[J].广西大学学报，2016，41（4）：1170-1177.

[5]黄旭，刘修行，艾昌，等.稻草秸秆纤维水泥砂浆基本性能研究[J].砖瓦，2016，2：8-9.

[6]Warun Wongprachum， Manote Sappakittipakorn， Pijit Jiemvarangkul[J]. Resistance to Underwater Abrasion of Fiber Reinforced Cement Mortar， 2017， 4263：379-383.

[7]Sheng Hui Song， Fu Tian Liu， Yong Bo Huang. Effect of Polymer Latex and Fiber on Properties of Sulpho Aluminate Cement Mortar[J]. Advanced Materials Research，2012， 1616：402-406.

[8]Wei Hong Xuan， Pan Xiu Wang， Yu Zhi Chen. Finite Element Analysis of Dry Shrinkage of Fiber Cement Mortar[J]. Applied Mechanics and Materials.2014， 3276：312-315.

[9]陈绍陪.聚丙烯纤维在水泥砂浆批荡中的应用[J].广东建材，2007，01：12-13.

[10]汪宏涛，钱觉时，曹巨辉，等.钢纤维增强磷酸镁水泥砂浆的性能与应用[J].建筑技术，2006，37（6）：462-464.

[11]马文波，韩继山，海建军，等.SPC 聚合物水泥砂浆在农田水利工程防渗加固中的应用[J].宁夏农林科技，2009，6：164-165.

[12]蒋自胜.砂浆/混凝土合成纤维在土木工程中的应用[J].技术与市场，2011，18（6）：15-16.

[13]宋端想.聚丙烯纤维砂浆在船闸闸室墙裂缝修补中的应用[J].现代交通技术，2018，15（5）：86-89.

[14]张振华.聚合物水泥砂浆在市政工程中的应用[J].交通世界，2010，11：199-200.