1、混凝土砂浆纤维水泥制品的抗裂增强材料 混凝土/砂浆、纤维水泥制品的抗裂增强材料兰州康英工贸有限责任公司 兰州新西部维尼纶集团 一、水泥存在的问题及解决的方法1、水泥及其制品所存在的问题水泥是制备混凝土/砂浆及各种水泥制品的胶凝材料，也是土木工程建筑材料中最重要的粉体建材。水泥自1824年问世及随后诞生的混凝土与钢筋混凝土以来，已有170多年的历史，为人类社会的进步与发展做出了巨大的贡献。水泥作为胶凝材料有其良好的施工性，硬化的水泥混凝土/砂浆具有很高的抗压强度。二十一世纪，水泥将仍然是人类社会最广泛使用的建筑材料。但是，水泥作为基材而言也天生存在严重的缺陷。、抗拉强度低，远远低于它的抗压强度。
2、、冲击能力差，是典型的脆性材料，即铸铁性材料。、抗裂性能差，构件中存在大量的干缩裂纹和温度裂纹，这些裂纹将随着时间的推移而不断变化与发展，细微的裂纹终究会发展成大裂缝。用水泥制成的混凝土/砂浆、纤维水泥制品及建筑板材都也存在这些问题。而且，这些问题是天生和固有的。由于收缩大，易产生大量的微裂纹；抗拉强度与抗压强度比值小（仅为6%），脆性显著而柔韧性差，塑性低；随着水泥基材的抗压强度大幅度提高时，干缩与脆性问题显得更为突出，易发生脆性破坏。正是由于上述原因，工程中存在一个相当普遍且非常严重的问题是：砂浆的开裂、水泥制品的开裂和混凝土结构的开裂问题。并且在近年来日趋严重和增多。这些裂缝随时间的推移
3、而扩展，造成结构物抗渗性能的降低，使得混凝土强度和刚度降低。如此恶性循环，最终导致结构物基体劣化，缩短使用寿命，严重影响到砂浆、混凝土及纤维水泥制品的耐久性。这是必须解决的技术难题，在国际上被称之为继石油危机之后，世界性混凝土耐久性的危机。例如，大量的桥梁、隧道、高速公路、铁路、及建筑物的防水，使用不到一、二十年就出现严重的破坏。裂纹的存在导致防水的失效，使得混凝土的耐水性变差，基体劣化直至破坏。每年全世界因混凝土开裂所造成的损失高达数千亿美元。我国的情况也是如此，许多新建工程尚未交工就出现了开裂的严重局面。尤其是建筑物墙体的开裂问题，更是普遍存在的一个老大难问题。给广大消费者带来的不仅是视觉
4、上更是心灵上的创伤。为此各方面的投诉日益增多，已被列为建筑十大质量通病之首，每年都给国家造成巨大损失。下图表示了外界环境作用下导致结构破坏的过程。 构件完整不透水 且有大量微裂纹 裂纹变化与发展 .外界环境作用 防水性逐渐丧失 无可见损伤 开始透水 干湿循环、冷热循环 冲击荷载、循环荷载 裂纹和孔隙中静水压力 增强构件的强 度与刚度下降 .外界环境作用 损伤开始并扩展 水的渗入O2、CO2渗入 开始剥落整体性丧失 2- 酸性离子渗入cr、SO42、如何克服水泥及其制品的缺陷。克服水泥及其制品的缺陷最直接有效的办法是在水泥基材中掺入纤维。合格的混凝土/砂浆、纤维水泥制品、及建筑板材除了具备应有的
5、专业功能外，还必须具备抗裂、抗折、抗渗、抗冲击、耐冻融等性能。而在混凝土/砂浆、纤维水泥制品、及建筑板材中加入纤维，是提高是水泥基材性能和耐久性的有效手段，也是治理水泥基材开裂的重要措施。二、 纤维的分类及技术指标为了提高混凝土/砂浆、纤维水泥制品、及建筑板材的抗裂、抗折、抗渗、抗冲击、耐冻融等方面性能，满足当今建筑技术对水泥构件及制品的高强度、高韧性、高阻裂、高耐久、高性能高品质方面的要求，在普通的混凝土/砂浆及制品中掺入适量的各种纤维，便可制成纤维增强水泥基复合材料。而掺入的纤维是多种多样的，性能上也有很大的差异，有金属纤维与非金属纤维之分，有无机纤维与有机纤维之分，有天然纤维与人造纤维之
6、分等等。而作为纤维水泥制品用量最大的是石棉纤维，此外常用的纤维有以下几种。1、抗碱玻璃纤维。普通的玻璃纤维不能抵抗水泥材料的高碱性（PH12.5）的侵蚀，不能用作纤维水泥制品的抗裂和增强材料。原因在于硅酸盐水泥水化生成的Ca（OH）2与普通玻璃纤维中的SiO2发生化学反应生成水化硅酸钙，这一反应是不可逆的，直至作为普通玻璃纤维骨架的SiO2被完全破坏，纤维的强度损耗殆尽而止。所以必须选用抗碱玻璃纤维。抗碱玻璃纤维是在普通玻璃纤维的生产过程中加入16%的氧化锆（ZrO2），以提高玻璃纤维的抗碱性。表1 三种抗碱玻璃纤维的性能抗碱纤维品牌密度（g/cm3）抗拉强度（MPa）杨氏模量GPa极限延伸率
7、（%）英国Cem-FIL2.70248080.03.6中国ER-132.78195071.03.0日本NEG2.74244878.62.52、维纶纤维维纶纤维即维尼纶纤维（vinylon），化学名称为聚乙烯醇纤维或PVA纤维，分子式如下： CH2CHCH2 n OH该种纤维抗碱性强、亲水性好、可耐日光老化。可分为低弹模的普通维纶纤维，中强中模维纶纤维和高强高模维纶纤维。维纶纤维的物理性能如下：、有一定的亲水性，吸水率在5%左右。、在50120强度范围内，纤维力学性能变化不大，热稳定温度为150，热分解温度在220。在潮湿的环境中当温度超过130后纤维发生器较大的收缩，力学性能显著降低，故不宜用
8、维纶纤维制造压蒸纤维水泥制品或硅酸钙制品。维纶的横截面呈异形状，非常有利于与水泥基材粘结。纤维与水泥基材界面粘结主要借助于范德华力，因分子链上有一个（-C-OH）基团可与水泥水化产物中的（-OH）基团形成氢键结合，从而进一步增进二者的粘结。表2 几种维纶纤维的力学性能纤维名称密度(g/cm3)单丝直径（m）长度(mm)抗拉强度（MPa）杨氏模量（GPa）极限延伸率%中强中模维纶纤维1.310124；680085012141112高模量纤维1.312144；612001500303557普通维纶纤维1.31012任意6006505716173、腈纶纤维化学名称为聚丙烯腈纤维或称PANF纤维。分子
9、式：CH2CHn CN腈纶纤维具有较好的耐酸性与耐酸性其主要物理性能如下：、有一定的亲水性，吸水率为2%左右；、受潮后强度下降较低，保留率为80%90%；、对日光和大气作用的稳定性较好；、热分解温度为220235，可短时间用于200。表3 几种腈纶纤维的力学性能纤维编号密度(g/cm3)单丝直径（m）长度(mm)抗拉强度（MPa）杨氏模量（GPa）极限延伸率%Dolanit-101.18161811;6;128009501619911RICEM1.181216680090020239104、丙纶纤维化学名称为聚丙烯纤维或称PP纤维。分子式为：H(C3H6)nH丙纶纤维是合成纤维强度最小的一种，
10、耐碱与耐酸性能好，且有较好的使用温度。在混凝土和路面混凝土中大量使用。表4 丙纶纤维的规格与性能纤维类型密度(g/cm3)单丝直径（m）长度(mm)抗拉强度（MPa）杨氏模量（GPa）极限延伸率%丙纶膜裂纤维0.900.91486219504806603.54.81520丙纶单丝纤维0.912662193005203.515185、尼龙纤维化学名称为脂肪族聚酰胺纤维，作为增强水泥基材用尼龙纤维主要是尼龙6纤维（单维结构中有6个碳原子）和尼龙66纤维（单原结构中有66个碳原子）。尼龙纤维具有较高的抗拉强度和较好的耐热性，对碱、酸、盐的溶液均有很高的耐侵蚀性。表5 尼龙纤维规格与性能密度(g/cm
11、3)单丝直径（m）长度(mm)抗拉强度（MPa）杨氏模量（GPa）极限延伸率%吸水率%1.141.162313;1;,509009605.2202.856、乙纶纤维化学名称为聚乙烯纤维。分子式为：(CH2CH2)2表6 乙纶纤维的规格与性能纤维编号密度(g/cm3)单丝直径（m）抗拉强度（MPa）杨氏模量（GPa）极限延伸率%吸水率%熔点Kevlar29121.442850290062703.64.44.3480Kevlar49101.44276028401091172.32.51.2480Technora121.393040310071774.24.4500乙纶纤维由于价格很高，故至今尚未在
12、实际工程中广为采用。7、芳纶纤维化学名称为芳香族聚酰胺纤维。表7 几种芳纶纤维的主要性能纤维编号密度(g/cm3)单丝直径（m）长度（mm）抗拉强度（MPa）杨氏模量（GPa）极限延伸率%熔点Bonfix90030,400.952602.215135Spectra9000.9726001203.5132芳纶纤维由于价格很高，故至今尚未在实际工程中广为采用。8、木质纤维木质纤维取自冷杉或山毛榉等纤维强劲树种，它是天然材料吸水而不溶于水，掺入干混砂浆中可提高柔性，有增稠、抗裂、和易性好、低收缩、抗垂等功效。三节、纤维在水泥基材中的作用将纤维掺入水泥制品中作抗裂增强材料并非现代人的发明，在古代，我们
13、的先人们就已将天然纤维作为某些无机胶结料的增强材料，便如用植物纤维和石灰浆混合来修建庙宇殿堂，用麻丝和泥巴来塑造佛像，用麦秸和黄泥来修建房屋，用人和动物的毛发来修补炉膛，用纸浆纤维和石灰、石膏来粉刷墙面及制作各种石膏制品等等。把纤维加入水泥基材之中，制成纤维增强水泥基复合材料也不过是近几十年的事情。1、 纤维在水泥制品中的作用前面我们曾谈到普通水泥在水化凝结和硬化的过程中会发生较大的收缩，抗拉强度低塑性变形能力差，以及抗冲击性能差的缺点。随之现代建筑施工技术要求水泥基材有较高的抗压强度，干缩和脆性问题显得更为突出。如何解决上述问题，最简单有效的方法就是在水泥基材之中加入适量的纤维。纤维的加入可
14、以使得水泥基材的性能有了明显变化，赋予其新的内涵，使水泥基材具有高品质、高性能、高强度。具有抗裂、抗渗、抗冲击、抗冻融、耐磨损、耐老化等方面的功能。在水泥制品中加入纤维，主要起到下面几个方面的作用：1、 阻裂：阻止水泥制品基体原有缺陷裂缝的扩展，并有效的阻止和延缓新裂缝的出现；、防渗：提高水泥制品基体的密实性，阻止外界水分侵入提高耐水性和抗渗性；、耐久：改善水泥制品基体的抗冻、抗疲劳性能，提高了耐久性；、抗冲击：改善水泥制品基体的刚性，增加韧性，减少脆性，提高水泥基体的变形力和抗冲击性；、抗拉：并非所有的纤维都可以提高抗拉强度，只有在使用高强高模纤维的前提下才可以起到提高水泥制品基体的抗拉强度
15、的作用；、美观：改善水泥制品的表面性态，使其更加致密细润、平整、美观、耐老化。2、掺入纤维的水泥制品所具有的优势、增强抗裂性，提高低抗裂缝的能力；、材料的韧性增强，即使产生微裂缝后纤维仍能继续低抗外力的拉拔作用；、高强高模纤维可增强水泥制品基体的抗拉强度、弯曲强度，以及剪切强度；、增强冻融作用的低抗能力；、改善水泥制品的耐疲劳性能。正是由于以上的优点，纤维增强水泥制品的应用领域逐步扩大，可用于混凝土/砂浆、纤维水泥制品、建筑板材的所有领域。3、纤维的阻裂原理水泥制品，构件或建筑物在水泥的硬化过程中由于显微结构与体积的变化，不可避免地会产生许多微裂纹。并随干缩变化、温度变化、外部荷载的变化而扩展
16、，水泥基材的瞬间脆性断裂导致基体失效，如果把高强高模纤维均匀无序地分散于水泥基材之中，这样在水泥基体在受到外力时，纤维对微裂缝的扩展起到了限制和阻碍作用。数以亿计的纤维纵横交错，各向同性，就使得微裂缝的扩展受到了分布于水泥基材中的这些纤维的重重阻挠，微裂缝无法越过这些纤维而继续发展，而只能沿着纤维与水泥基体之间的界面绕道而。裂是需要能量的，要裂下去必须打破纤维的层层包围，而仅靠应力所产生的能量是微不足道的，只能被这些纤维消耗殆尽。所以由于数目巨大的纤维存在，既消耗能量又缓解了应力，阻止裂缝的进一步发展，起到了阻断裂缝的作用。4、实验效果大量的实验表明，在混凝土/砂浆中加入少量的合成纤维对混凝土
17、/砂浆的抗压强度变化不大，而对其抗弯强度、塑性收缩、抗渗性、抗冻性、抗冲击性、抗磨性、耐磨损性都有明显的提高，如使用高强高模纤维还可以提高其抗拉强度，下面是在混凝土掺入聚丙烯纤维的实验结果。、抗裂性表8 不同纤维掺入量对混凝土抗裂效果的对比试件编号水泥:砂水灰比纤维体积掺入量 %裂缝宽度（mm）范围内的裂缝长度（mm）开裂指数d33d22d11d0.5d0.5一二三1:1.50.500.050.1030001271717,198668274287106114659454157113从上面看出在砂浆中加入体积量分别为0.5%和0.1%的聚丙烯纤维后，砂浆的抗裂性明显改善，裂缝的减少分别为65%和
18、75%，并随纤维掺入量的增加裂缝减少率也提高，并且裂缝趋于细化。、抗渗性表9 抗渗性实验结果编号1.1Mpa试验压力时试件渗水高度(mm)1号2号3号4号5号6号平均C149424539514044C235283033252229可以看出，掺有少量纤维的混凝土C2可以很好地改善渗水性。、抗冻性表10 抗冻性试验结果品种强度变化率(%)冻融50次冻融100次抗折抗压普通混凝土-6.03-2.01-15.8-2.7纤维混凝土-0.61-0.11-2.48-0.21加入纤维提高了抗冻能力。、抗冲击表11 抗冲击实验结果试件类别素混凝土合成纤维混凝土(V1=0.05%)合成纤维混凝土(V1=0.1%)
19、试件出现初裂的冲击次数3089103试件破坏的冲击次数3798114从上面表中可看出，掺入纤维的混凝土的抗冲击性得到了提高，并随纤维的掺入量增加而提高。、抗冲刷及耐磨表12 抗冲刷及耐磨种类弹性模量(104MPa)抗冲耐磨(h/kgm2)5d28d素混凝土3.113.231.042.833.171.73PP纤维3.123.461.382.923.351.422.212.922.00掺入纤维抗冲击、耐磨性能均有提高。、抗拉强度和抗弯强度掺入高强高模纤维可以明显提高抗拉强度和抗弯强度。四、高强高模聚乙烯醇纤维在我国建材业中的应用高强高模聚乙烯醇纤维(维纶纤维)是以高聚合度的优质聚乙烯醇(PVA)为
20、原料采用先进技术加工而成.该产品具有高强度、高模量、低伸度、分散性好的优点，并有耐酸、耐碱、耐盐、耐日照、耐磨损、耐腐、防虫蛀等特点。与水泥、石膏等基材有良好的亲合力和结合性，可作为各种水泥制品的抗裂增强材料。且无毒无污染，对人体无害，可广泛用于建材行业中。多年来，笔者从事高强高模聚乙烯醇的生产、技术开发和应用方面的研究，深入了解混凝土、砂浆、纤维水泥制品、建筑板材产生龟裂的原因。提出了解决的办法，即在水泥基材中加入适量的高强高模（PVA）纤维以及高分子聚合物，以提高混凝土/砂浆的品质和性能。在防水方面提出刚柔并济解决防水难题，即用高强高模纤维加入混凝土/砂浆之中进行刚性防水和柔性防水相结合。
21、正是出于对这种纤维的酷爱和执着，不断开发高强高模纤维新的应用领域。几年来已经将几千吨高强高模PVA纤维应用于我国的各种建材之中。通过大量的实践证明，该种纤维具有其它合成纤维不可比拟的优点。其性能也优于其它合成纤维。所以，高强高模聚乙烯醇纤维是混凝土、砂浆、纤维水泥制品、建筑板材首选的抗裂增强材料。1、高强高模聚乙烯醇纤维的技术指标及性能、质量指标表13 高强高模聚乙烯醇纤维的技术指标项目指标纤维直径 dtex2.02 （202m）抗拉强度 cNdtex 11 （1428MPa）杨氏模量 cNdtex 290 （37.6GPa）断裂伸度 %68密度 gcm31.3耐热水性 104干热软化点 21
22、6分散性 级13、产品性能a、高强度、低伸度、力学性能高；表14 各种纤维机械性能比较纤维名称密度g/cm3直径m抗拉强度MPa弹性模量GPa断裂伸长%高强高模PVA纤维1.3202142837.668中强中模PVA纤维1.320290020.7912改性维纶1.3121380090014161112杜拉纤维0.911522763.7915改性丙纶0.9100800500700979b、耐酸碱性：长时间酸碱环境下强度损失低于其它纤维；表15 各种纤维耐酸碱性比较测试条件强度损失率%碱浓度比例%温度（）时间（h）高强高模维纶黍胶纤维锦纶涤纶1201001201110010072925714020
23、100100184c、耐腐蚀性：纤维埋入地下长时间不发霉，不变质，不腐烂，不虫蛀；d、耐光、耐候性：在长时间日照下纤维强度损失率大大低于其它纤维；表16 各种纤维耐光性比较暴光时间（h）强度损失率%高强高模维纶粘胶纤维锦纶涤纶1002.054.2619.6015.73004.937.4541.2038.605006.9825.0062.1953.007007.1263.3074.5161.90e、分散性：纤维不粘连，遇水分散性好，与水泥、石膏、石灰、镁水泥等基材有良好的亲合性结合力。但该种纤维直接混合于混凝土、干混砂浆中的分散性不是太好，但经过表面改性并采用独特的分散手段及专用设备可均匀掺入混
24、凝土、砂浆、纤维水泥制品及建筑板材之中。 2、我国墙体存在的问题及解决的对策墙体开裂问题是我国各种墙体材料中普遍存在的一个老问题，是一种常见的现象，在各种板材和砌块墙体中都存在这类问题。有的不仅是板接缝开裂，甚至板面也存在严重的干缩裂纹。严重影响了新型墙体材料的推广与应用。墙体开裂问题的原因是多方面的。有其外部的原因，也有内部的原因。从外因来讲，干湿变化形成的干缩裂缝，温度变化与热胀冷缩引起的温度裂缝，以及结构变形静动荷载引起的结构裂缝；从内部原因讲，材质的选用、材料的配比、生产工艺、养护时间、养护方式、含水率、水灰比、接缝材料、接口形式、施工工艺、安装所产生的应力集中等等都可能造成墙体开裂或
25、产生不同形式的微裂纹。裂是绝对的，不裂则是相对的，裂缝的程度完全是可以控制的。我们只需在抹面砂浆中加入0.9kg/m3的高强高模聚乙烯醇纤维就可以有效的控制墙面的开裂，治理墙体开裂是一个系统工程，需要各个工序都要加以控制，如从墙板的制作、安装，到抹面砂浆，内外墙腻子都应该加入纤维抗裂，这些都是建筑干混砂浆的内容。如果我们把高强高模PVA纤维均匀无序且岙向分布于干混砂浆的水泥基体中，这样水泥砂浆基体在受到外力或内应办变化时纤维对微裂纹的扩展起到一定的限制和阻碍作用。数以亿计的纤维纵横交错，各向同性，均匀分布，犹如几亿根微“钢筋”植入于水泥砂浆的基体之中，这就使得微型裂缝的扩展受到了这些“微钢筋”
26、的重重阻碍，细小的微裂纹无法越过这些纤维发展成大裂缝。由于纤维的存在消耗了裂的能量缓解了应力，起到阻断裂缝达到抗裂的作用。3、高强高模聚乙烯醇纤维的应用领域（！）修建高标准机场跑道、高等级公路、停机坪、大跨度桥梁、曲形屋顶屋面、高层建筑的转换大梁、柱、楼板, 江河堤坝、港口码头、矿井隧道、涵洞、储水池、游泳池等大体积混凝土浇筑。（2）、可用于生产各种水泥制品, 如各种屋顶、彩瓦、石棉瓦、装饰墙板、轻质隔墙板、地板、地砖、室内吊顶、大口径下水管道、水管及水管接头、城市雕塑、欧式建材、大棚支架、防火板、通风道、井圈井盖。（3）可用于各种建筑干混砂浆。如保温砂浆、防水砂浆、瓷砖粘结砂浆、内外墙腻子、
27、加气砌块专用砂浆，抹面抗裂砂浆等。4、纤维水泥制品应首选高强高模聚乙烯醇纤维高强高模聚乙烯醇纤维的各项指标都符合水泥基材对纤维的要求。对水泥、石膏、菱镁基材有良好的亲合力。高强高模聚乙烯醇纤维与其它合成纤维相比具有以下十大优势。所以纤维水泥制品应首选高强高模聚乙烯醇纤维。、高抗拉强度：12001500MP远远高于水泥基材的抗拉强度，纤维在干混砂浆中要发挥增强作用必须具有较高的抗拉强度；、高杨氏模量：37.6GPa。高于水泥基材的杨氏模量，只有高强度高模量的纤维才能有增强效果，低弹模纤维只有阻裂作用；、变形能力：极限延伸率适中68%；、高耐碱性：不受水泥碱性水化物的侵蚀，与水泥砂浆基材有很好的化
28、学相溶性；、高粘接强度：高强高模维纶纤维的横截面呈异性，有利于纤维与水泥基材的粘结，并且该种纤维分子链上有一个羟基（OH）易和水泥产物中的OH基团形成氢键结合，从而进一步增加了二者的粘结。而其它纤维在干混砂浆中只有砂浆握裹力，而无氢键结合力；、适宜的长径比纤维直径在12m非常细腻，掺入干混砂浆施工时，不会竖起来，效果好；、世界公认的绿色建材对人体安全无害；、经过表面活性处理后可均匀分散于干混砂浆中；、规模生产，量大来源有保证；、价格低：与进口PP纤维相比技术指标高出近10倍。价格仅为进口的1/51/4。5、应用实例虽然高强高模聚乙烯醇纤维具有许多优良品质，各项物理性能满足水泥、石膏、石灰、镁质水泥制品的要
