PVA纤维增韧工程水泥基复合材料在屋面防水工程中的应用研究

周建伟，余保英，孔亚宁，亢泽千，李毅

（中建西部建设建材科学研究院，四川 成都 610094）

0 引言

普通混凝土材料以其卓越的耐久性、力学性能成为建筑领域应用最广泛的结构工程材料之一，但是该类材料存在脆性大、韧性差的缺陷[1]。针对此类问题，研究者进行了大量的试验研究。20世纪90年代，美国密歇根大学Li V C等[2]利用断裂力学和微观力学相关原理对材料的微观结构进行了设计调整，开发出了短纤维乱向增韧水泥基复合材料，并将其命名为工程水泥基材料（Engineered Cementitious Composite，ECC），该类材料在硬化后具有准应变硬化特征。随后这种材料引起了世界范围内的关注，并在日本、欧洲获得了飞速的发展。随着此类材料的研究深入，徐世烺和李贺东[3]的研究表明，只有当材料拉应变能力稳定达到3.0%以上时，其应变硬化性能才具备稳定性，并对这一材料进行了重新定义，即短纤维掺量不超过复合材料总体积的2.5%，硬化后具有显著的应变硬化特征，在拉伸载荷作用下多缝开裂明显，极限拉应变稳定达到3.0%以上，并将符合这一标准的材料命名为超高韧性水泥基复合材料（Ultra High Toughness Cementitious Composite，UHTCC）。随着研究理论的完善，研究人员对此类材料的基本力学性能和耐久性展开了大量研究[4-7]，发现该类纤维增韧水泥基复合材料具有优异的抗渗性能，例Lepech和Li[8]实验证明，纤维增韧水泥基复合材料微裂纹宽度约60μm时，可与未破裂的混凝土或砂浆具有相似的抗渗性，而且材料内裂纹的自愈特性可显著降低已开裂的纤维增韧水泥基复合材料的渗透系数。Ma等[9]报道了一种3d抗压强度为24 MPa，裂缝宽度在50μm以下的纤维增韧水泥基复合材料，该材料的相对渗透率在10个自愈合周期后为0，试样的其它力学性能也获得了一定的恢复。Wang等[10]报道了在临界压应力条件下纤维增韧水泥基复合材料的渗透性，发现纤维增韧水泥基复合材料固有的狭窄裂缝使其渗透性降低，而且促进了材料的自愈合，表明该类材料是一种在压力下更加耐用的建筑材料。Liu等[11]研究表明，纤维增韧水泥基复合材料可应用于水工结构，其除了较小的裂缝宽度外，微裂缝的自我修复会进一步降低了破裂纤维增韧水泥基复合材料的渗透性，从而增强了水工结构的耐用性和安全性。综上，纤维增韧水泥基复合材料是一种具有优异抗渗性能的水泥基材料。

鉴于工程水泥基复合材料在裂缝控制、抗渗等方面的优异性能，工程水泥基复合材料被研究应用于防水工程领域。YU等[12]研究表明，同普通防水砂浆相比，工程水泥基复合材料应用于防水工程具备显著优势。日本Mitaka大坝因使用年限过长，导致坝体侧面混凝上结构严重破坏，出现裂缝、渗水等现象，对破坏处喷射PVA-ECC后成功修复了裂缝，并解决了渗水等问题[13]。李为升[14]将工程水泥基复合材料应用于屋面防水，可以起到屋面防水找平效果。上述工程应用表明了工程水泥基复合材料在防水工程中应用的可行性。

本文将PVA纤维增韧工程水泥基复合材料（PVA-ECC）作为屋面的防水层，进行了PVA-ECC的基本物理力学性能测试，并在既有屋面上进行了铺设，对铺设效果、铺设厚度、粘结强度性能进行了研究，以期丰富工程水泥基复合材料在屋面防水中的应用理论。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5R，四川峨胜水泥集团，其主要技术性能见表1；Ⅰ级粉煤灰、微珠：比表面积分别为3530、4030 cm2/g，四川宜宾福溪粉煤灰有限公司；石英砂：200目，SiO2含量大于99.0%，四川荣盛矿产品有限公司；PVA纤维：安徽皖维新材料有限公司，其基本性能见表2；乳胶粉：5044，可再分散性乳胶粉（含量99%），德国瓦克公司；减水剂：ZY13，减水率为30%，中建新材料有限公司；水：自来水。

表1 硅酸盐水泥的主要技术性能

表2 PVA纤维的主要技术性能

1.2 配比设计

PVA-ECC的基准配比见表3，PVA纤维的掺量均为配合料体积的2.0%。

表3 PVA-ECC的基准质量配比

1.3 试样制备与测试

PVA-ECC使用双卧轴强制拌机搅拌，采取后置纤维法拌合，第1步进行干粉料的混合，第2步加减水剂和水，浆体拌匀后，将PVA纤维加入搅拌机内，纤维分散均匀后卸料，成型试件及铺设防水层。

试样的抗压、抗折强度按照JC/T 2461—2018《高延性纤维增强水泥基复合材料力学性能试验方法》进行测试。试样在自然状态（27℃）下养护24 h后脱模，脱模后将试件置于标准养护室中养护3、7、28 d。参照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》测试材料的抗水渗性能。参照GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试抗氯离子渗透性能。参照JGJ110—2008《建筑工程饰面砖粘结强度检验标准》在已铺设好的屋面进行粘结性能试验，测试其粘结强度，观察其断开形式。

2 结果与讨论

2.1 PVA-ECC的工作性能（见图1）

图1 PVA-ECC的工作性能

由图1可以看出，PVA-ECC的工作性能非常优异，其坍落度和扩展度分别为296、965 mm。将PVA-ECC在处理后的旧屋面进行铺设，可以在工作面上迅速流动[见图1（c）]，在水泥基复合材料表面进行收光即可，具备优异的施工性能。

2.2 PVA-ECC的力学性能（见图2）

图2 PVA-ECC的抗压和抗折强度

由图2可以看出，PVA-ECC的抗压、抗折强度随着养护龄期的延长不断提高。养护至28 d后，试样的抗折强度达到15.3 MPa，抗压强度达到48.8 MPa，具备优异的韧性。

对PVA-ECC的轴向拉伸性能进行了测试，其应力-应变曲线如图3所示。

图3 PVA-ECC的应力-应变曲线

由图3可以看出，PVA-ECC表现出显著的应变硬化特征，具有优异的变形能力。在7d龄期时，试样的轴向拉伸强度达到2.5 MPa，对应的极限拉伸应变为7.8%；28 d龄期时，试样的轴向拉伸强度可以达到3.8 MPa，对应的极限拉应变为4.7%。表明随着养护龄期的延长，材料的轴向拉伸强度提高，但是试样的极限拉伸应变降低，这是由于胶凝材料的水化程度加深，材料的脆性增强。

2.3 PVA-ECC的抗渗性能

2.3.1 抗水渗透性能

对试样不同龄期的抗水渗透性能进行测试，7 d养护龄期，PVA-ECC渗透压力为2.0 MPa时对应渗透高度为16 mm；28 d养护龄期，渗透压力为3.0 MPa时对应渗透压力为13 mm。这表明随着养护龄期的延长，材料的抗水渗透性能增强，进一步表明PVA-ECC具备优异的抗水渗性能，可以作为防水抗渗材料使用。

2.3.2 抗氯离子渗透性能

对试样不同龄期的抗氯离子渗性能进行测试，7 d龄期时，PVA-ECC的电通量为219 C，渗透性等级评价为低；28 d龄期时，电通量为78 C，渗透性等级评价为极低。这表明PVA-ECC的抗氯离子渗透性能优异，具备较低的抗氯离子渗透性能。

2.4 PVA-ECC的抗裂性能

对PVA-ECC的早期抗裂性能进行测试，结果如图4所示。

图4 PVA-ECC早期抗裂性能测试效果

由图4可以看出：（1）PVA-ECC在经过24 h风吹之后，表面未发生开裂，试样整体没有裂纹产生，试样的早期抗裂性能性能优异。（2）PVA-ECC与模具边缘的收缩距离非常小，这也表明PVA-ECC的早期收缩较小。

2.5 屋面防水层铺设

采用PVA-ECC在旧屋面铺设防水层，铺设效果如图5所示。

图5 PVA-ECC在旧屋面铺设防水层效果

由图5可以看出，PVA-ECC的工作性能优良，在施工机械的辅助下可以有效实现材料的摊平以及表面收光[见图5（a）]，表明PVA-ECC作为防水层材料具有一定的施工便捷性能。在PVA-ECC硬化后进行蓄水试验[见图5（b）]，发现无漏水、渗水现象的发生，这表明PVA-ECC作为防水层具有可行性。持续养护后，PVA-ECC防水层未发生开裂，使用效果良好。

2.6 粘结性能

2.6.1 铺设层厚度

对已铺设的工程水泥基复合材料防水层进行厚度测试，防水层的单层铺设厚度为4.5 mm；双层铺设（第1层硬化后铺设第2层）方式使得防水层的厚度较为均匀，基本消除了单层铺设存在的厚度不均现象，双层铺设后的防水层厚度约为6.4 mm。

2.6.2 粘结性能测试

采用强力环氧树脂AB胶将实验用的标准片粘结在ECC层的表面，固化2 d后测试其粘结性能。本次粘结强度测试采用可移动式拉拔设备，便于在现有的试验条件下进行数据的采集，图6为粘结强度测试设备及过程示意。

图6 粘结强度测试设备以及过程示意

对单层防水层的粘结强度进行测试，结果如表4所示。

表4 单层浇筑作业面的断开情况

由表4可知，单层铺设防水层，其粘结强度为0.5～0.8MPa，共有3种断开形式。其中，防水层内部断开需要0.5MPa的应力，防水层与旧屋面界面断开需要0.7 MPa的应力，旧屋面基体断开需要0.8MPa的应力。在这3种断开形式中，旧屋面基体断开在测试样本中占比最高，达到了60%，表明PVA-ECC防水层与旧屋面粘结性能优异。

对双层防水层的粘结强度进行测试，结果如表5所示。

表5 双层浇筑作业面的断开情况整理

由表5可知，双层铺设的防水层共有4种断开形式，与单层防水层相比，增加了防水层之间的断开形式。此种结构下，防水层的粘结强度为0.4～0.6MPa，其中第2层防水内部断开需要0.6 MPa的应力；2层防水层之间断开需要0.4 MPa的应力；第1层防水层内部断开需要0.7MPa的应力；旧屋面基体断开需要1.0 MPa的应力。4种断开形式中，2层防水层界面之间的断开占比较高，达到了40%，这表明2次铺设增加了2层结构中的破坏形式，2层工程水泥基材料层之间变成了整体结构的薄弱面，更易受到破坏。但是仍然有20%的断开处于第1层防水层，30%的断开处于旧屋面基体之中，这也表明工程水泥基复合材料具备较为优异的粘结性能，2次铺设防水层需要进一步优化。

3 结论

PVA-ECC具备优异的工作性能，可以在屋面快速施工。同时其具备优异力学性能与抗渗性能，28d龄期时，试样的抗折、抗压强度分别为15.3、48.8 MPa，其抗水渗透压力可以达到3.0 MPa时渗透高度为13 mm，电通量为78 C。PVA-ECC可以作为屋面的防水层，在厚度为4.5～6.4 mm范围内，与既有屋面的粘结强度≥0.8MPa。