聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水泥基套筒灌漿料的性能研究

朱清華 ，郝敏 ，郝志強(qiáng) ，王愛(ài)軍 ，謝松

（1.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088；2.北京思達(dá)建茂科技發(fā)展有限公司，北京 102206）

0 引言

水泥基復(fù)合材料固有的高脆性是導(dǎo)致其抗拉強(qiáng)度低、抗裂能力差、韌性低的主要原因。通過(guò)引進(jìn)高抗拉強(qiáng)度、高彈性模量的纖維對(duì)其進(jìn)行增強(qiáng)增韌，是提高水泥基復(fù)合材料極限延伸率和裂縫控制能力的有效方法[1]。水泥基套筒灌漿料以高強(qiáng)為特點(diǎn)，28 d抗壓強(qiáng)度高達(dá)85 MPa以上，甚至有些會(huì)達(dá)到110 MPa以上，脆性極大。因此，研究纖維增強(qiáng)套筒灌漿料非常必要。

聚乙烯醇纖維簡(jiǎn)稱(chēng)PVA纖維，是以高聚合度的優(yōu)質(zhì)聚乙烯醇為原料，采用特定的技術(shù)加工而成的一種合成纖維，其主要特點(diǎn)是高強(qiáng)、高彈模、低拉伸度、耐磨、抗酸堿度好、耐候性好，與水泥等基材具有良好的親和力和結(jié)合性[2]。

本文針對(duì)不同聚乙烯醇纖維摻量下灌漿料的流動(dòng)度、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、壓折比以及錨固不銹鋼鋼筋等性能進(jìn)行研究，所得結(jié)果可為不銹鋼鋼筋灌漿短套筒的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

水泥：江南小野田水泥廠生產(chǎn)的P·Ⅱ52.5水泥，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量27.8%，安定性（沸煮法）合格，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1；石英砂：最大粒徑0.6 mm，細(xì)度模數(shù)1.9；PVA纖維：長(zhǎng)度12 mm，記作PVA-12，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2；減水劑：上海三瑞生產(chǎn)的聚羧酸減水劑600P-F，減水率25%；快硬組分：通過(guò)硫酸鋁、硫鋁酸鈣、鋁酸鈣于1000～1300℃溫度下混合而成的自制復(fù)合快硬劑；現(xiàn)澆16短套筒：北京思達(dá)建茂提供，如圖1所示。

表1 水泥的主要性能

表2 PVA纖維的主要性能

圖1 16短套筒示意與實(shí)物

1.2 試驗(yàn)配比

固定灌漿材料配合比為：水泥1000 g、快硬組分330 g、水340 g、減水劑2.5 g，研究PVA纖維摻量（按占水泥質(zhì)量計(jì)）對(duì)灌漿料流動(dòng)度和力學(xué)性能指標(biāo)的影響。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）擴(kuò)展度：參照J(rèn)G/T 408—2013《鋼筋連接用套筒灌漿料》進(jìn)行測(cè)試。

（2）力學(xué)性能：灌漿料抗壓、抗折強(qiáng)度參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》進(jìn)行測(cè)試。

（3）錨固性能：將PVA纖維摻量為0.3%的灌漿料拌合物灌入鋼制短套筒和鋼筋之間的間隙內(nèi)，待漿料硬化達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)測(cè)拉力值評(píng)定灌漿料的錨固性能。鋼筋短套筒灌漿連接如圖2所示。

圖2 鋼筋短套筒灌漿連接

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 PVA纖維摻量對(duì)灌漿料擴(kuò)展度的影響

PVA纖維摻量對(duì)灌漿料擴(kuò)展度的影響見(jiàn)圖3，不同PVA纖維摻量下灌漿料的流動(dòng)狀態(tài)見(jiàn)圖4。

圖3 不同PVA纖維摻量下灌漿料的擴(kuò)展度

圖4 不同PVA纖維摻量下灌漿料的流動(dòng)狀態(tài)

從圖3和圖4可以看出，摻加PVA纖維后灌漿料的擴(kuò)展度均小于未摻加纖維的，且隨著PVA纖維摻量的增加，擴(kuò)展度呈下降趨勢(shì)，即纖維對(duì)灌漿料流動(dòng)起到了阻礙作用。這是由于PVA纖維表面具有較多的羥基親水官能團(tuán)，水分容易在PVA纖維表面富集，從而使在顆粒間起潤(rùn)滑作用的自由水量減少，導(dǎo)致拌和物產(chǎn)生初始流動(dòng)度困難；同時(shí)，隨著PVA纖維摻量的增加，PVA纖維的纏繞結(jié)團(tuán)現(xiàn)象更加明顯，導(dǎo)致拌和物流動(dòng)阻力增大[3]。

2.2 PVA纖維摻量對(duì)灌漿料力學(xué)性能的影響

PVA纖維摻量對(duì)灌漿料抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和壓折比的影響分別見(jiàn)圖5～圖7。

圖5 PVA纖維摻量對(duì)灌漿料抗壓強(qiáng)度的影響

圖6 PVA纖維摻量對(duì)灌漿料抗折強(qiáng)度的影響

圖7 PVA纖維摻量對(duì)灌漿料壓折比的影響

從圖5可以看出，PVA纖維摻量對(duì)灌漿料的抗壓強(qiáng)度影響不大，呈現(xiàn)先略微提高后降低的趨勢(shì)。從圖6可以看出，隨著PVA纖維摻量的增加，灌漿料的抗折強(qiáng)度逐漸提高。從圖7可以看出，隨著PVA纖維摻量的增加，灌漿料的壓折比逐漸減小。這是因?yàn)椋琍VA纖維在灌漿料中的分布呈三維亂向，起到了拉結(jié)筋的作用，而PVA纖維的彈性模量和灌漿料相當(dāng)，所以纖維的加入能提高材料的抗折強(qiáng)度，降低材料的壓折比，增加其韌性。但纖維摻量也不是越多越好，過(guò)多的PVA纖維在漿體中難以分散均勻，容易結(jié)團(tuán)造成局部缺陷，降低其抗壓強(qiáng)度。因此，PVA纖維最佳摻量取0.3%，進(jìn)行套筒灌漿錨固性能試驗(yàn)。

2.3 PVA纖維增強(qiáng)水泥基套筒灌漿料的錨固性能

本文采用一種縮短的全灌漿套筒（見(jiàn)圖2），鋼筋采用2205型不銹鋼鋼筋。套筒的錨固長(zhǎng)度依據(jù)以往灌漿接頭錨固長(zhǎng)度的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，以及基于套筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，將最小錨固長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為74 mm，約4.5倍鋼筋直徑，分別配制PVA纖維摻量為0.3%的灌漿料和配比相同、未摻PVA纖維的普通套筒灌漿料進(jìn)行灌漿，待灌漿料抗壓強(qiáng)度達(dá)到80 MPa以上時(shí)進(jìn)行套筒的拉伸試驗(yàn)，其中PVA纖維增強(qiáng)套筒灌漿料單向拉伸強(qiáng)度達(dá)到733 MPa，而普通灌漿料只有580 MPa，提高幅度達(dá)26.4%。不難看出，在灌漿料抗壓強(qiáng)度只有80 MPa，錨固長(zhǎng)度只有4.5倍鋼筋直徑情況下，接頭的拉伸強(qiáng)度即可達(dá)到700 MPa以上，且拉伸破壞的試件沒(méi)有明顯的碎塊或崩落。

顯然，PVA纖維的摻加大大提高了灌漿料對(duì)不銹鋼鋼筋的錨固作用。這是因?yàn)?，PVA纖維的摻加，形成了復(fù)雜交錯(cuò)的支撐網(wǎng)絡(luò)，起到了明顯的抑制裂縫的作用，提高了灌漿接頭的拉伸粘結(jié)性能。

3 結(jié)論

（1）PVA纖維的摻入降低了水泥基套筒灌漿料的擴(kuò)展度，且隨著PVA纖維摻量的增加，擴(kuò)展度呈下降趨勢(shì)。因此，為了保持灌漿料的施工性能，纖維摻入應(yīng)適量。

（2）PVA纖維的摻入改善了水泥基套筒灌漿料的力學(xué)性能，提高了其抗折強(qiáng)度，降低了壓折比，提高了材料的韌性。

（3）綜合考慮灌漿料的工作性能和力學(xué)性能，PVA纖維的適宜摻量為0.3%。PVA纖維摻量為0.3%的灌漿料對(duì)不銹鋼鋼筋的單向拉伸強(qiáng)度較不摻PVA纖維的普通套筒灌漿料提高26.4%。