周建偉，余保英，孔亞寧，亢澤千，李毅

（中建西部建設(shè)建材科學(xué)研究院，四川 成都 610094）

0 引言

普通混凝土材料以其卓越的耐久性、力學(xué)性能成為建筑領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)工程材料之一，但是該類材料存在脆性大、韌性差的缺陷[1]。針對此類問題，研究者進行了大量的試驗研究。20世紀(jì)90年代，美國密歇根大學(xué)Li V C等[2]利用斷裂力學(xué)和微觀力學(xué)相關(guān)原理對材料的微觀結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計調(diào)整，開發(fā)出了短纖維亂向增韌水泥基復(fù)合材料，并將其命名為工程水泥基材料（Engineered Cementitious Composite，ECC），該類材料在硬化后具有準(zhǔn)應(yīng)變硬化特征。隨后這種材料引起了世界范圍內(nèi)的關(guān)注，并在日本、歐洲獲得了飛速的發(fā)展。隨著此類材料的研究深入，徐世烺和李賀東[3]的研究表明，只有當(dāng)材料拉應(yīng)變能力穩(wěn)定達到3.0%以上時，其應(yīng)變硬化性能才具備穩(wěn)定性，并對這一材料進行了重新定義，即短纖維摻量不超過復(fù)合材料總體積的2.5%，硬化后具有顯著的應(yīng)變硬化特征，在拉伸載荷作用下多縫開裂明顯，極限拉應(yīng)變穩(wěn)定達到3.0%以上，并將符合這一標(biāo)準(zhǔn)的材料命名為超高韌性水泥基復(fù)合材料（Ultra High Toughness Cementitious Composite，UHTCC）。隨著研究理論的完善，研究人員對此類材料的基本力學(xué)性能和耐久性展開了大量研究[4-7]，發(fā)現(xiàn)該類纖維增韌水泥基復(fù)合材料具有優(yōu)異的抗?jié)B性能，例Lepech和Li[8]實驗證明，纖維增韌水泥基復(fù)合材料微裂紋寬度約60μm時，可與未破裂的混凝土或砂漿具有相似的抗?jié)B性，而且材料內(nèi)裂紋的自愈特性可顯著降低已開裂的纖維增韌水泥基復(fù)合材料的滲透系數(shù)。Ma等[9]報道了一種3d抗壓強度為24 MPa，裂縫寬度在50μm以下的纖維增韌水泥基復(fù)合材料，該材料的相對滲透率在10個自愈合周期后為0，試樣的其它力學(xué)性能也獲得了一定的恢復(fù)。Wang等[10]報道了在臨界壓應(yīng)力條件下纖維增韌水泥基復(fù)合材料的滲透性，發(fā)現(xiàn)纖維增韌水泥基復(fù)合材料固有的狹窄裂縫使其滲透性降低，而且促進了材料的自愈合，表明該類材料是一種在壓力下更加耐用的建筑材料。Liu等[11]研究表明，纖維增韌水泥基復(fù)合材料可應(yīng)用于水工結(jié)構(gòu)，其除了較小的裂縫寬度外，微裂縫的自我修復(fù)會進一步降低了破裂纖維增韌水泥基復(fù)合材料的滲透性，從而增強了水工結(jié)構(gòu)的耐用性和安全性。綜上，纖維增韌水泥基復(fù)合材料是一種具有優(yōu)異抗?jié)B性能的水泥基材料。

鑒于工程水泥基復(fù)合材料在裂縫控制、抗?jié)B等方面的優(yōu)異性能，工程水泥基復(fù)合材料被研究應(yīng)用于防水工程領(lǐng)域。YU等[12]研究表明，同普通防水砂漿相比，工程水泥基復(fù)合材料應(yīng)用于防水工程具備顯著優(yōu)勢。日本Mitaka大壩因使用年限過長，導(dǎo)致壩體側(cè)面混凝上結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，出現(xiàn)裂縫、滲水等現(xiàn)象，對破壞處噴射PVA-ECC后成功修復(fù)了裂縫，并解決了滲水等問題[13]。李為升[14]將工程水泥基復(fù)合材料應(yīng)用于屋面防水，可以起到屋面防水找平效果。上述工程應(yīng)用表明了工程水泥基復(fù)合材料在防水工程中應(yīng)用的可行性。

本文將PVA纖維增韌工程水泥基復(fù)合材料（PVA-ECC）作為屋面的防水層，進行了PVA-ECC的基本物理力學(xué)性能測試，并在既有屋面上進行了鋪設(shè)，對鋪設(shè)效果、鋪設(shè)厚度、粘結(jié)強度性能進行了研究，以期豐富工程水泥基復(fù)合材料在屋面防水中的應(yīng)用理論。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：P·O42.5R，四川峨勝水泥集團，其主要技術(shù)性能見表1；Ⅰ級粉煤灰、微珠：比表面積分別為3530、4030 cm2/g，四川宜賓福溪粉煤灰有限公司；石英砂：200目，SiO2含量大于99.0%，四川榮盛礦產(chǎn)品有限公司；PVA纖維：安徽皖維新材料有限公司，其基本性能見表2；乳膠粉：5044，可再分散性乳膠粉（含量99%），德國瓦克公司；減水劑：ZY13，減水率為30%，中建新材料有限公司；水：自來水。

表1 硅酸鹽水泥的主要技術(shù)性能

表2 PVA纖維的主要技術(shù)性能

1.2 配比設(shè)計

PVA-ECC的基準(zhǔn)配比見表3，PVA纖維的摻量均為配合料體積的2.0%。

表3 PVA-ECC的基準(zhǔn)質(zhì)量配比

1.3 試樣制備與測試

PVA-ECC使用雙臥軸強制拌機攪拌，采取后置纖維法拌合，第1步進行干粉料的混合，第2步加減水劑和水，漿體拌勻后，將PVA纖維加入攪拌機內(nèi)，纖維分散均勻后卸料，成型試件及鋪設(shè)防水層。

試樣的抗壓、抗折強度按照JC/T 2461—2018《高延性纖維增強水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗方法》進行測試。試樣在自然狀態(tài)（27℃）下養(yǎng)護24 h后脫模，脫模后將試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室中養(yǎng)護3、7、28 d。參照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》測試材料的抗水滲性能。參照GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》測試抗氯離子滲透性能。參照JGJ110—2008《建筑工程飾面磚粘結(jié)強度檢驗標(biāo)準(zhǔn)》在已鋪設(shè)好的屋面進行粘結(jié)性能試驗，測試其粘結(jié)強度，觀察其斷開形式。

2 結(jié)果與討論

2.1 PVA-ECC的工作性能（見圖1）

圖1 PVA-ECC的工作性能

由圖1可以看出，PVA-ECC的工作性能非常優(yōu)異，其坍落度和擴展度分別為296、965 mm。將PVA-ECC在處理后的舊屋面進行鋪設(shè)，可以在工作面上迅速流動[見圖1（c）]，在水泥基復(fù)合材料表面進行收光即可，具備優(yōu)異的施工性能。

2.2 PVA-ECC的力學(xué)性能（見圖2）

圖2 PVA-ECC的抗壓和抗折強度

由圖2可以看出，PVA-ECC的抗壓、抗折強度隨著養(yǎng)護齡期的延長不斷提高。養(yǎng)護至28 d后，試樣的抗折強度達到15.3 MPa，抗壓強度達到48.8 MPa，具備優(yōu)異的韌性。

對PVA-ECC的軸向拉伸性能進行了測試，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖3 PVA-ECC的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖3可以看出，PVA-ECC表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變硬化特征，具有優(yōu)異的變形能力。在7d齡期時，試樣的軸向拉伸強度達到2.5 MPa，對應(yīng)的極限拉伸應(yīng)變?yōu)?.8%；28 d齡期時，試樣的軸向拉伸強度可以達到3.8 MPa，對應(yīng)的極限拉應(yīng)變?yōu)?.7%。表明隨著養(yǎng)護齡期的延長，材料的軸向拉伸強度提高，但是試樣的極限拉伸應(yīng)變降低，這是由于膠凝材料的水化程度加深，材料的脆性增強。

2.3 PVA-ECC的抗?jié)B性能

2.3.1 抗水滲透性能

對試樣不同齡期的抗水滲透性能進行測試，7 d養(yǎng)護齡期，PVA-ECC滲透壓力為2.0 MPa時對應(yīng)滲透高度為16 mm；28 d養(yǎng)護齡期，滲透壓力為3.0 MPa時對應(yīng)滲透壓力為13 mm。這表明隨著養(yǎng)護齡期的延長，材料的抗水滲透性能增強，進一步表明PVA-ECC具備優(yōu)異的抗水滲性能，可以作為防水抗?jié)B材料使用。

2.3.2 抗氯離子滲透性能

對試樣不同齡期的抗氯離子滲性能進行測試，7 d齡期時，PVA-ECC的電通量為219 C，滲透性等級評價為低；28 d齡期時，電通量為78 C，滲透性等級評價為極低。這表明PVA-ECC的抗氯離子滲透性能優(yōu)異，具備較低的抗氯離子滲透性能。

2.4 PVA-ECC的抗裂性能

對PVA-ECC的早期抗裂性能進行測試，結(jié)果如圖4所示。

圖4 PVA-ECC早期抗裂性能測試效果

由圖4可以看出：（1）PVA-ECC在經(jīng)過24 h風(fēng)吹之后，表面未發(fā)生開裂，試樣整體沒有裂紋產(chǎn)生，試樣的早期抗裂性能性能優(yōu)異。（2）PVA-ECC與模具邊緣的收縮距離非常小，這也表明PVA-ECC的早期收縮較小。

2.5 屋面防水層鋪設(shè)

采用PVA-ECC在舊屋面鋪設(shè)防水層，鋪設(shè)效果如圖5所示。

圖5 PVA-ECC在舊屋面鋪設(shè)防水層效果

由圖5可以看出，PVA-ECC的工作性能優(yōu)良，在施工機械的輔助下可以有效實現(xiàn)材料的攤平以及表面收光[見圖5（a）]，表明PVA-ECC作為防水層材料具有一定的施工便捷性能。在PVA-ECC硬化后進行蓄水試驗[見圖5（b）]，發(fā)現(xiàn)無漏水、滲水現(xiàn)象的發(fā)生，這表明PVA-ECC作為防水層具有可行性。持續(xù)養(yǎng)護后，PVA-ECC防水層未發(fā)生開裂，使用效果良好。

2.6 粘結(jié)性能

2.6.1 鋪設(shè)層厚度

對已鋪設(shè)的工程水泥基復(fù)合材料防水層進行厚度測試，防水層的單層鋪設(shè)厚度為4.5 mm；雙層鋪設(shè)（第1層硬化后鋪設(shè)第2層）方式使得防水層的厚度較為均勻，基本消除了單層鋪設(shè)存在的厚度不均現(xiàn)象，雙層鋪設(shè)后的防水層厚度約為6.4 mm。

2.6.2 粘結(jié)性能測試

采用強力環(huán)氧樹脂AB膠將實驗用的標(biāo)準(zhǔn)片粘結(jié)在ECC層的表面，固化2 d后測試其粘結(jié)性能。本次粘結(jié)強度測試采用可移動式拉拔設(shè)備，便于在現(xiàn)有的試驗條件下進行數(shù)據(jù)的采集，圖6為粘結(jié)強度測試設(shè)備及過程示意。

圖6 粘結(jié)強度測試設(shè)備以及過程示意

對單層防水層的粘結(jié)強度進行測試，結(jié)果如表4所示。

表4 單層澆筑作業(yè)面的斷開情況

由表4可知，單層鋪設(shè)防水層，其粘結(jié)強度為0.5～0.8MPa，共有3種斷開形式。其中，防水層內(nèi)部斷開需要0.5MPa的應(yīng)力，防水層與舊屋面界面斷開需要0.7 MPa的應(yīng)力，舊屋面基體斷開需要0.8MPa的應(yīng)力。在這3種斷開形式中，舊屋面基體斷開在測試樣本中占比最高，達到了60%，表明PVA-ECC防水層與舊屋面粘結(jié)性能優(yōu)異。

對雙層防水層的粘結(jié)強度進行測試，結(jié)果如表5所示。

表5 雙層澆筑作業(yè)面的斷開情況整理

由表5可知，雙層鋪設(shè)的防水層共有4種斷開形式，與單層防水層相比，增加了防水層之間的斷開形式。此種結(jié)構(gòu)下，防水層的粘結(jié)強度為0.4～0.6MPa，其中第2層防水內(nèi)部斷開需要0.6 MPa的應(yīng)力；2層防水層之間斷開需要0.4 MPa的應(yīng)力；第1層防水層內(nèi)部斷開需要0.7MPa的應(yīng)力；舊屋面基體斷開需要1.0 MPa的應(yīng)力。4種斷開形式中，2層防水層界面之間的斷開占比較高，達到了40%，這表明2次鋪設(shè)增加了2層結(jié)構(gòu)中的破壞形式，2層工程水泥基材料層之間變成了整體結(jié)構(gòu)的薄弱面，更易受到破壞。但是仍然有20%的斷開處于第1層防水層，30%的斷開處于舊屋面基體之中，這也表明工程水泥基復(fù)合材料具備較為優(yōu)異的粘結(jié)性能，2次鋪設(shè)防水層需要進一步優(yōu)化。

3 結(jié)論

PVA-ECC具備優(yōu)異的工作性能，可以在屋面快速施工。同時其具備優(yōu)異力學(xué)性能與抗?jié)B性能，28d齡期時，試樣的抗折、抗壓強度分別為15.3、48.8 MPa，其抗水滲透壓力可以達到3.0 MPa時滲透高度為13 mm，電通量為78 C。PVA-ECC可以作為屋面的防水層，在厚度為4.5～6.4 mm范圍內(nèi)，與既有屋面的粘結(jié)強度≥0.8MPa。