李巖凌，肖群芳，王婷，徐海鋒，茍洪珊

（1.北京建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，北京　100041；2.北京市預(yù)拌砂漿工程技術(shù)研究中心，北京　100041；3.北京有色金屬研究總院，北京　100044；4.北京金隅砂漿有限公司，北京　100029）

PVA自修復(fù)砂漿用于混凝土修補(bǔ)技術(shù)研究

李巖凌1，2，肖群芳1，2，王婷3，徐海鋒4，茍洪珊1

（1.北京建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，北京100041；2.北京市預(yù)拌砂漿工程技術(shù)研究中心，北京100041；3.北京有色金屬研究總院，北京100044；4.北京金隅砂漿有限公司，北京100029）

高彈性模量的PVA纖維使得PVA自修復(fù)砂漿裂縫寬度可控成為可能。通過測試PVA纖維摻量為1.5%的自修復(fù)砂漿載荷位移與裂縫寬度分布可以得出，隨著載荷位移的增大，小裂縫所占比例降低，大裂縫所占比例增加，但極限拉力條件下，仍可將大于60 μm的裂縫控制在20%范圍內(nèi)。干濕循環(huán)養(yǎng)護(hù)條件下，寬度小于45 μm的裂縫能夠基本愈合，而寬度大于60 μm的裂縫自愈合情況不理想。PVA纖維自修復(fù)砂漿裂縫寬度分布與裂縫自愈合情況密切相關(guān)，如果能夠有效控制PVA自修復(fù)砂漿在極限拉力條件下的裂縫分布情況，尤其是寬度大于60 μm裂縫百分比，則PVA自修復(fù)砂漿用于混凝土裂縫修補(bǔ)是完全可行的。

PVA纖維；自修復(fù)砂漿；裂縫寬度分布

混凝土建筑物和構(gòu)件在使用期間產(chǎn)生破損的現(xiàn)象屢見不鮮，裂縫是現(xiàn)代混凝土所面臨的最嚴(yán)重問題之一。裂縫的出現(xiàn)不僅影響了材料的力學(xué)性能，而且為腐蝕性介質(zhì)的侵入提供了通道，從而加速了材料的破壞，導(dǎo)致其耐久性降低。

科研工作者對PVA纖維自修復(fù)材料進(jìn)行了大量研究，PVA纖維自修復(fù)材料在結(jié)構(gòu)工程中得到了一定應(yīng)用。本文旨在研究PVA纖維自修復(fù)材料作為修補(bǔ)砂漿在裂縫修補(bǔ)方面的性能。對混凝土裂縫的修補(bǔ)是一個(gè)持續(xù)不斷的課題，混凝土裂縫修補(bǔ)后面臨最大的問題是修補(bǔ)材料再次開裂。對于PVA自修復(fù)砂漿而言，裂縫是其本身的一種特性，而PVA自修復(fù)砂漿裂縫的自愈合程度與裂縫的寬度是密切相關(guān)的，如果能夠有效地控制PVA自修復(fù)砂漿裂縫的寬度分布，對于PVA自修復(fù)砂漿用于混凝土裂縫修補(bǔ)是完全可行的。

1　試驗(yàn)

1.1原材料

水泥：前景金隅P·O42.5水泥，基本性能見表1；Ⅰ級粉煤灰：燒失量3.2%，細(xì)度（0.045 mm方孔篩篩余）為8.0%，天津楊柳青電廠產(chǎn)；砂：粒徑在75～150 μm的精細(xì)河砂；PVA纖維：K-ⅡREC-15型，日本KURARAY公司生產(chǎn)；PP纖維：長度10 mm，北京中紡集團(tuán)公司生產(chǎn)，基本性能見表2；外加劑包括Sika3301C聚羧酸鹽液體減水劑，金湖斯科特公司生產(chǎn)的P803消泡劑，陶氏MKX15000纖維素醚。

表1　水泥的基本性能指標(biāo)

表2　PVA纖維與PP纖維的性能參數(shù)

干粉砂漿中最常用的是PP纖維。由表2可知，相同長度的PVA纖維與PP纖維相比，直徑相差不大，PVA纖維的延伸率及密度略大于PP纖維。2種纖維主要區(qū)別在于彈性模量與抗拉強(qiáng)度，PVA纖維的彈性模量約為PP纖維的12倍，抗拉強(qiáng)度約為PP纖維的5倍。

1.2試樣制備

將水泥、粉煤灰、砂、消泡劑、纖維素醚按照表3配比稱量后混合均勻，將減水劑和水加入攪拌鍋中混合均勻，然后將粉料加入水中，低速攪拌2 min，快速攪拌3 min以獲得均勻流動的砂漿。低速攪拌，同時(shí)手工緩慢加入纖維以確保纖維能夠均勻分布而不出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，纖維應(yīng)在60 s內(nèi)加完?？焖贁嚢? min，靜置30 s并觀察纖維分布狀態(tài)，快速攪拌3 min，停止攪拌，此時(shí)纖維應(yīng)分散均勻，不結(jié)團(tuán)，砂漿無泌漿、泌水等現(xiàn)象。

試件用150 mm×70 mm×50 mm的試模成型，搗振密實(shí)后表面用塑料膜封蓋，置于試驗(yàn)室環(huán)境中養(yǎng)護(hù)24 h脫模，然后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至28 d。

表3　PVA自修復(fù)砂漿質(zhì)量配合比　%

1.3試驗(yàn)方法

拉伸試驗(yàn)采用深圳三思縱橫的拉伸試驗(yàn)機(jī)，加載采用位移控制模式，速度為0.0025 mm/s，采集到的曲線為位移-載荷曲線。為防止試樣斷裂位置位于試樣兩端，在試驗(yàn)前，試樣兩端粘結(jié)長70 mm、寬50 mm、厚1 mm的鋁片［1］，試樣粘結(jié)48 h后方可進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。單軸拉伸試驗(yàn)設(shè)備見圖1。

圖1　單軸拉伸試驗(yàn)設(shè)備

1.4干濕循環(huán)制度

室溫環(huán)境［溫度（20±5）℃、濕度（55±10）%］養(yǎng)護(hù)24 h，室溫下浸水養(yǎng)護(hù)24 h為1個(gè)干濕循環(huán)，如循環(huán)中斷，保持室溫環(huán)境養(yǎng)護(hù)。

2　結(jié)果與分析

2.1摻PVA纖維與PP纖維試樣的拉伸試驗(yàn)對比

PVA纖維及PP纖維摻量分別占固體材料總質(zhì)量的1.5%時(shí)試樣的單軸拉伸試驗(yàn)曲線見圖2。

圖2　摻PVA纖維與PP纖維試樣的單軸拉伸試驗(yàn)曲線

由圖2可以看出，不同纖維對基體的拉伸試驗(yàn)載荷-位移曲線影響很大。摻入PP纖維的基體在拉力達(dá)到最大拉力后，基體斷裂，PP纖維橋聯(lián)對拉力起到了一定的緩沖作用，拉力緩慢下降。與PP纖維相比，PVA纖維的特點(diǎn)更好地表現(xiàn)出來，在第1條裂紋出現(xiàn)后，該處的增強(qiáng)纖維隨即發(fā)揮作用，由于裂紋間纖維的橋接最大應(yīng)力遠(yuǎn)高于開裂基材的開裂強(qiáng)度，裂紋進(jìn)入穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段，受拉區(qū)出現(xiàn)垂直于加載方向的多條裂紋，此階段又稱為蠕化階段，隨著最薄弱裂縫的擴(kuò)大，拉力開始下降，最終導(dǎo)致基體斷裂［2］。故下面試驗(yàn)中均選擇摻加1.5%的PVA纖維。

2.2不同位移條件下裂縫寬度分布

由PVA自修復(fù)砂漿試樣拉伸試驗(yàn)得出，PVA自修復(fù)砂漿蠕化階段通常發(fā)生在加載位移1.0～4.0 mm內(nèi)。位移小于1.0 mm時(shí)，試樣的拉伸處于拉伸試驗(yàn)的第1個(gè)階段，此時(shí)裂縫還未產(chǎn)生；而位移大于4.0 mm時(shí)，試驗(yàn)的拉伸發(fā)展為第3個(gè)階段，最脆弱的裂縫逐漸增大，基體不會產(chǎn)生新的微小裂縫。因此，研究位移在1.0～4.0 mm內(nèi)對裂縫的影響才有意義。因預(yù)加位移小于1.5 mm時(shí)，基體產(chǎn)生裂縫數(shù)量較少，所以只對預(yù)加位移在1.75～4.0 mm的基體裂縫寬度分布進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3　不同位移條件下基體裂縫寬度分布

由圖3可以看出，預(yù)加位移為2.0 mm時(shí)，48%的裂縫寬度小于20 μm、82%的裂縫寬度小于40 μm；預(yù)加位移為3.0 mm時(shí)，28%的裂縫寬度小于20 μm、59%的裂縫寬度小于40 μm、 7%的裂縫寬度大于60 μm；預(yù)加位移為4.0 mm時(shí)，21%的裂縫寬度小于20 μm、42%的裂縫寬度小于40 μm、20%的裂縫寬度大于60 μm。

從不同裂縫寬度區(qū)間內(nèi)不同預(yù)加位移試件裂縫數(shù)量百分比也可以看出，隨著預(yù)加位移的增大，小裂縫所占百分比降低大裂縫所占百分比增加；預(yù)加位移3.5 mm和4.0 mm時(shí)，裂縫寬度分布相差不大；預(yù)加位移達(dá)到極限，裂縫寬度分布趨于穩(wěn)定。在預(yù)加位移小于4.0 mm范圍內(nèi)，80%的裂縫寬度小于60 μm。

2.3裂縫自愈合情況

采用2.2節(jié)不同加載拉伸試驗(yàn)后的試樣，采用帶標(biāo)尺的偏光顯微鏡對寬度分別為25 μm、45 μm、60 μm的裂縫以及裂縫在1個(gè)、3個(gè)、10個(gè)干濕循環(huán)養(yǎng)護(hù)條件下的自愈合過程進(jìn)行連續(xù)觀察，每個(gè)循環(huán)后采用5X偏光顯微鏡進(jìn)行拍攝，以便下次循環(huán)后找到裂縫統(tǒng)一位置，確保對裂縫進(jìn)行連續(xù)原位觀察。結(jié)果見圖4～圖6。

圖4　25 μm裂縫的自愈合情況

圖5　45 μm裂縫的自愈合情況

圖6　60 μm裂縫的自愈合情況

由圖4～圖6可以看出，所有寬度的裂縫在第1個(gè)干濕循環(huán)試驗(yàn)后，裂縫中已經(jīng)長出明顯的自愈合產(chǎn)物。對于寬度為25 μm的裂縫而言，在第1個(gè)干濕循環(huán)后，裂縫中就可觀察到顆粒狀和纖維狀自愈合產(chǎn)物，纖維狀的自愈合產(chǎn)物最初從裂縫表面兩側(cè)開始生長，直至最終搭接在一起。隨著養(yǎng)護(hù)循環(huán)的進(jìn)行，自愈合過程不斷發(fā)展，纖維狀的自愈合產(chǎn)物變得愈加密集，10個(gè)干濕循環(huán)結(jié)束后，裂縫幾乎完全愈合。對于寬度為45 μm的裂縫而言，隨著干濕循環(huán)進(jìn)行，顆粒狀和纖維狀自愈合產(chǎn)物逐步增多，可見裂縫寬度逐漸變小，在10個(gè)干濕循環(huán)后，可看到局部裂縫被顆粒狀生成物相連，但多數(shù)裂縫未完全愈合，但可以預(yù)見，隨著干濕循環(huán)的進(jìn)一步進(jìn)行，裂縫完全愈合是可能的。對于寬度為60 μm的裂縫而言，顆粒狀的產(chǎn)物可以被觀測到，然而它們不能架接整個(gè)裂縫，直至10個(gè)干濕循環(huán)后，裂縫仍清晰可見。

2.4愈合試件拉伸試驗(yàn)情況

對10個(gè)干濕循環(huán)后的試件進(jìn)行再次單軸拉伸試驗(yàn)，加載位移3.0mm的試件，愈合前單軸拉伸試驗(yàn)最大拉力為3.77 kN，愈合后單軸拉伸試驗(yàn)最大拉力為2.72 kN，拉力恢復(fù)至72%；加載位移3.5 mm的試件，愈合前單軸拉伸試驗(yàn)最大拉力為3.64 kN，愈合后單軸拉伸試驗(yàn)最大拉力為2.33 kN，拉力恢復(fù)至64%；加載位移4.0 mm的試件，愈合前單軸拉伸試驗(yàn)最大拉力為4.08 kN，愈合后單軸拉伸試驗(yàn)最大拉力為2.19 kN，拉力恢復(fù)至54%。

對于加載位移4.0 mm的試件，寬度小于40 μm的裂縫占42%，寬度大于60 μm的占20%，根據(jù)2.3節(jié)的研究結(jié)果，在10個(gè)干濕循環(huán)后，42%的裂縫基本愈合，20%的裂縫未愈合，此時(shí)單軸拉伸試驗(yàn)試件之所以能承受大于2.0 kN的拉力，充分表明，經(jīng)過干濕循環(huán)養(yǎng)護(hù)后，寬度小的裂縫愈合程度好，而寬度稍大的裂縫，雖然未能完全愈合，但有局部部位得以愈合。3個(gè)試件進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)時(shí)，雖然未重新出現(xiàn)明顯的蠕化階段，但從曲線中仍能看出PVA纖維在拉伸試驗(yàn)中發(fā)揮了作用。

根據(jù)本文研究成果，使用PVA纖維摻量為1.5%的自修復(fù)砂漿對寬度5～7 cm、深度約3 cm的裂縫進(jìn)行修補(bǔ)。濕養(yǎng)護(hù)7 d開放，14 d淋水可見微裂縫。對PVA自修復(fù)砂漿進(jìn)行淋水養(yǎng)護(hù)，頻次為隔天早、中、晚淋3次水，30 d后裂縫自愈合情況良好。施工后5個(gè)月，PVA自修復(fù)砂漿無空鼓開裂現(xiàn)象。

3　結(jié)語

（1）隨著加載位移的增大，PVA纖維摻量為1.5%的自修復(fù)砂漿裂縫分布呈現(xiàn)出寬度增大趨勢，加載位移3.5 mm和4.0 mm裂縫分布差異不大，PVA自修復(fù)砂漿拉力達(dá)到極限，裂縫變化趨于穩(wěn)定，此時(shí)80%的裂縫寬度小于60 μm。

（2）10個(gè)干濕循環(huán)后，寬度為25 μm的裂縫基本愈合，寬度為45 μm的裂縫部分愈合，寬度大于60 μm的裂縫未愈合。隨著干濕循環(huán)養(yǎng)護(hù)的持續(xù)進(jìn)行，可以預(yù)見寬度小于45 μm的裂縫能夠基本愈合，但是大于60μm的裂縫愈合情況不理想。

（3）控制PVA自修復(fù)砂漿在極限拉力條件下的裂縫寬度分布，尤其是控制寬度大于60 μm的裂縫所占百分比，PVA自修復(fù)砂漿應(yīng)用于混凝土裂縫的修補(bǔ)是完全可行的。

（4）根據(jù)本文研究成果，使用PVA纖維摻量為1.5%的自修復(fù)砂漿對寬度5～7 cm、深度約3 cm的裂縫進(jìn)行修補(bǔ)。濕養(yǎng)護(hù)7 d開放，14 d淋水可見微裂縫。對PVA自修復(fù)砂漿進(jìn)行淋水養(yǎng)護(hù)，頻次為隔天早、中、晚淋3次水，30 d后裂縫自愈合情況良好。施工后5個(gè)月，PVA自修復(fù)砂漿無空鼓開裂現(xiàn)象。

［1］闞黎黎.工程水泥基復(fù)合材料自愈合過程與產(chǎn)物［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011（10）：1517-1523.

［2］張君.高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗拉性能［J］.水利學(xué)報(bào)，2008（3）：361-366.

The research of PVA self-repair mortar for concrete repair

LI Yanling1，2，XIAO Qunfang1，2，WANG Ting3，XU Haifeng4，GOU Hongshan1（1.Beijing Building Materials Academy of Sciences Research，Beijing 100041，China；
2.Beijing Municipal Research Center of Pre-mixed Engineering Technology，Beijing 100041，China；3.General Research Institute for Nonferrous Metals，Beijing 100044，China；4.Beijing BBMG Mortar Co.Ltd.，Beijing 100029，China）

PVA fiber makes self-healing repair mortar crack width controllability possible because of high elastic modulus. From load displacement and crack width distribution tests when self-repair mortar containing 1.5%of PVA fiber，one can draw a conclusion that as the load displacement increases，the percentage of small cracks is reduced，the proportion of large cracks is increased，but under ultimate tension conditions，cracks larger than 60 μm can still be controlled within 20%.Under the condition of wet-dry cycle curing，cracks less than 45 μm in width can be basically healed，but the self-healing of cracks greater than 60 μm in width is not ideal.The self-repairing mortar crack width distribution of PVA fiber is closely related to the self-healing state of its cracks.If the crack distribution of PVA self-repairing mortar under ultimate tension conditions can be effectively controlled，especially the percentage of cracks greater than 60 μm，it is entirely feasible to use PVA fiber self-repair mortar for repairing concrete cracks.

PVA fiber，self-healing mortar，crack width distribution

TU57+8.1

A

1001-702X（2015）10-0025-04

2015-04-10；

2015-05-26

李巖凌，女，1981年生，山東東營人，碩士，工程師，主要研究方向：干粉砂漿產(chǎn)品及應(yīng)用技術(shù)。