钢纤维增强聚合物水泥砂浆刚性屋面防水层的可行性论证

・４８・　海河水利　２００７年１０月　钢纤维增强聚合物水泥砂浆刚性屋面防水层的可行性论证　张冬・，李丽英ｚ，史长莹・　（１．河北工程大学水利系，河北邯郸０５６０２１；２．邯郸县水利局，河北邯郸０５６００１）　摘要：针对目前国内外普遍存在的屋面防水问题，根据聚合物与水泥的复合有利于改善材料内部结构密实度以及聚　合物和钢纤维均能改善材料变形能力的特性，提出了用钢纤维增强聚合物水泥砂浆作为刚性屋面防水材料的设想。　通过对钢纤维聚合物水泥砂浆的抗渗性、强度特性、碳化等试验，论证了此种材料在技术上的可行性。　关键词：刚性屋面防水；钢纤维增强聚合物水泥砂浆；可行性　中图分类号：ＴＶ４３２，４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—７３２８（２００７）０５—００４８—０４　Ａ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ａｒｇｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｕｓｉｎｇ　ｓｔｅｅｌ　ｆｉｂｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｃｅｍｅｎｔ　ｍｏｒｔａｒ　ａｓ　ａ　ｒｉｇｉｄ　ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆｉｎｇ　ｒｏｏｆ　ＺＨＡＮＧ　Ｄｏｎｇ１ＬＩ　Ｌｉ—ｒｉｎｇ，ＳＨＩ　Ｃｈａｎｇ—ｒｉｎｇＩ　，ｆＪ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆＷａｒｅｒＣｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ，Ｈｅｂｅｉ　ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｎｚｔａ￣０５６０２１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｗａｒｅｒ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ　Ｂｕｒｅａｕ　ｆＨａｎｏｄａ￣Ｃｏｕｎｔ￣Ｈａｎｄａｎ　０５６０２１．Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｒｏｏｆ　ｌｅａｋａｇｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｎＯＷ　ｗｉｄｅｌｙ　ｅｘｉｓｔｅｄ　ｉｎ　ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ　ａｔ　ｈｏｍｅ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ，ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｈｅ　ｔｕｓｉｎｇ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｉｆｂｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｃｅｍｅｎｔ　ｍｏｒｔａｒ／ｃｏｎｃｒｅｔｅ（ＳＦＰＣＣ）ａｓ　ａ　ｉｒｇｉｄ　ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆｉｎｇ　ｏｏｆｒ　ｔｏ　ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｏｎｅ．Ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ－ｄｉｓｓｏｌｖａｂｌｅ　ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｊ－１　ｉｎ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｐｏｒｏｓｉｔｙ　ａｎｄ　ｅｎｈａｎｃｉｎｇ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｅ　ｃｅｍｅｎｔｔ　ｍａｔｒｉｘ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｆｉｂｅｒ　ｉｎ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｃｒａｃｋｉｎｇ，ｔｅｓｔｓ　ｏｆ　ＳＦＰＣＣ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　ｑｕｉｔｅ　ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ　ｉｎ　ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ，ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ａｎｔｉ－ｃａｒｂｏｎａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｔｃ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｉｇｉｄ　ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆｉｎｇ　ｒｏｏｆ；ｓｔｅｅｌ　ｆｉｂｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｃｅｍｅｎｔ　ｍｏｒｔａｒ；ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　将钢纤维掺入水泥砂浆（或混凝土中），能显　著地提高其抗裂性、弯曲韧性和抗冲击性能，使属于　脆性材料的水泥砂浆（或混凝土）转变为具有良好抗　裂性的材料　我国在２Ｏ世纪７Ｏ年代后期开始这方　工一１号扩大工程的开发性研究之一　１试验研究　１．１试验条件　１．１．１原材料及性质　面的研究，并已经在隧道、水工建筑物、道路等方面　试用．但在房屋建筑上的应用开发尚少【ｌｊ　在８Ｏ年代　中后期．我国才有少量钢纤维混凝土在刚性防水屋　面中的应用报导。为此，笔者引进河海大学的水溶性　（１）水泥：安徽省宁国水泥厂生产的海螺牌５２．５　普通硅酸盐水泥　（２）粗骨料：近郊瓜仔片，最大粒径１０ｍｍ。　（３）细骨料：近郊河砂，松散容重１．５９ｇ／ｃｍ。，细　度模数２．２２　（４）钢纤维：江苏宜兴市闸口金属纤维厂生产，　规格为ＤＮ一２５．截面尺寸为０．４ｍｍｘ０．３ｍｍ．长度为　２５ｍｍ。　高分子防渗补强材料建工一１号与钢纤维水泥砂浆　复合．探讨其作为钢性防水材料的可行性．这是建　收稿日期：２００７—０６—１８　作者简介：张冬（１９５９一），男，助理工程师，主要从事水利工程教学与　研究工作。　（５）Ｊ一１（建工一１号）胶：河海大学研制的水溶性　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７．Ｎｏ．５　张冬，李丽英，史长莹：钢纤维增强聚合物水泥砂浆刚性屋面防水层的可行性论证　・４９・　高分子防水材料，为五色胶状物，系无毒无害非危险品。　由表１可以看出：①上述八组试件抗渗性指标　（６）ＵＥＡ：Ｕ型混凝土膨胀剂，由河北省石家庄　均满足ＧＢＪ２０７—１９８３的规定。②Ｊ—ｌ砂浆的抗渗性　市水泥制品厂生产。比重２．８５ｇ／ｃｍ　，比表面积３　０００　高于同样水灰比的普通水泥砂浆．甚至比水灰比为　～３　５００ｃｍ２／ｇ。灰白色。　０．４的水泥砂浆抗渗性还要好。这是由于加入Ｊ一１　（７）高效减水剂：上海五四农场助剂厂生产的ＳＮ一　胶后．在水泥水化时Ｊ一１胶填充了水泥砂浆中的　Ⅱ型减水剂。　孔隙。③ＰＦ组与Ｐ组的不透水性系数相差无几，　（８）水：自来水。　这就说明加入钢纤维对Ｊ一１水泥砂浆抗渗性没有　１．１．２试验方法　明显的不良影响。④Ｊ一１胶对温度较为敏感，由　各试验操作皆按相应规程进行　Ｐ４与Ｐ组可以看出热水配胶的抗渗效果较好。由　１．２　Ｊ一１砂浆的抗渗性　于抗渗性是刚性屋面防水最重要的指标．因此以后　从构造层次来看。平屋面至少具有承重、防水、　的试验我们主要选择了含固量为ａ、胶灰比为０．５５　保温和隔热四大功能。应该说。这种构造层次在一定　的Ｊ一１砂浆。　程度上都是围绕着防水层设置的．而防水层又覆盖　工程质量检查经常发现．屋面渗漏多发生在砂　或保护着其他构造层次。勿庸置疑，在平屋面中，满　浆裂缝或新老水泥砂浆的粘结面．所以笔者特别增　足防水功能是主要的、第一位的［５１。因此．作为刚性屋　加了粘结面的抗渗试验．即将Ｐ组试件在中间部　面防水材料的钢纤维Ｊ一１砂浆．抗渗指标是所有指　位用劈拉垫条垂直劈开装入抗渗试模．然后将切　标中最重要的　面润湿．使之形成新老水泥砂浆面层．再用新拌　根据相关规范．采用逐级加压法在砂浆渗透试　Ｊ一１水泥砂浆将另一半填好　。粘结面的方向为垂　验仪（ＳＳ１５型）上对Ｊ－１砂浆进行抗渗试验。试验结　直粘结．养护至２８ｄ上机进行抗渗试验。试验结　果见表１　果表明．不透水性系数为１０．８５ＭＰａ・ｈ与Ｐ组接　表１砂浆抗渗性试验结果　近。说明Ｊ一１砂浆在新老砂浆的粘结面上仍有很高　编号　钢　积萎　篡　的抗渗性能。　１．３　Ｊ一１砂浆的强度特性　刚性防水屋面需要承受一定的荷载．如蓄水屋　面、种植屋面和康乐屋面等．以下笔者将对钢纤维　Ｊ一１砂浆和钢纤维水泥砂浆的抗压强度、抗折强度、　抗拉强度和抗剪强度等作详细论述　１．３．１抗压强度　（１）立方体抗压强度：本次试验共成型三组　１５ｃｍ×１５ｃｍ×１５ｃｍ立方体３３块．试验数据见　表２。　注：Ｐ４与Ｐ两组试件中虽Ｊ－１胶含固量均为ａ，但Ｐ４是由含固量两　倍于Ｐ的Ｊ－１胶冷水稀释而成，而Ｐ是直接用热水配成。　由表２可以看出：①标准养护条件下２８　ｄ立　表２砂浆立方体抗压强度　方体抗压强度钢纤维Ｊ一１砂浆（ＰＦ）低于相同水　护条件下随龄期的增长，钢纤维Ｊ一１砂浆（ＰＦ）　灰比（胶灰比）的普通水泥砂浆（Ｏ），强度降低　强度增长率６Ｏ、９０　ｄ分别为１．３ｌ和１．２ｌ，明显大　２０％，但仍能满足Ｃ２５的要求。②水灰比为Ｏ．４Ｏ　于钢纤维水泥砂浆１．１４和１．１５的增长率。这可能　的钢纤维水泥砂浆（Ｆ）立方体抗压强度虽高于胶　是因为加入卜１胶后。水泥水化初期Ｊ一１胶阻碍　灰比为Ｏ．５５的钢纤维Ｊ一１砂浆（ＰＦ），但标准养　了水与水泥的接触，影响了水化速度，但随着龄　维普资讯 http://www.cqvip.com

・５０・　海河水利　２００７年ｌ０月　期的增长，Ｊ一１胶的保水特性可使水泥充分水化，　表３砂浆２８ｄ抗压与抗折强度　强度持续增长　③当采用先湿后干的养护条件时，　普通水泥石会因水分蒸发、水化作用无法继续进　行而硬化停止，强度也几乎不再增长；而ＰＦ组虽　然养护条件与Ｆ组相同（先湿后干），但后期强度　仍在持续增长．６０　ｄ、９０　ｄ的强度增长率分别为　１．４１和１．４４．这可能是因为水泥水化时从Ｊ一１胶　躬　莹　，掺量　（　胶灰比）、薹　墓　　０．２５ａ　０．５０ａ　０．７５ａ　ａ　乳液中吸收水分，使乳液稠度提高。当水泥石结　构形成过程在一定程度上趋于完成时，乳液由于　脱水而逐渐凝固，固化作用使ＰＦ组（先湿后干）　后期强度持续增长。９０　ｄ龄期ＰＦ组（先湿后干）　强度只比水灰比为０．４０的钢纤维水泥砂浆低　１６％，剔出水灰比的影响，强度可能已接近相同　达Ｃ４０　建议在工程应用中养护条件先湿后干，　ａ　ａ　由表３可以看出：①Ｊ一１砂浆２８　ｄ的抗压、抗折　强度低于相同水灰比（胶灰比）的普通水泥砂浆，钢　纤维Ｊ一１砂浆（ＰＦ）２８　ｄ的抗折强度明显高于相同水　灰比（胶灰比）的卜１砂浆（Ｐ），而与水灰比为　０．４０的普通水泥砂浆抗折强度相差无几．抗折强度　对刚性防水材料来讲颇为有利　抗压强度Ｐ与ＰＦ　以使水泥和卜１胶互为补充，共同提高。④标准　养护的钢纤维Ｊ一１砂浆（ＰＦ）９０　ｄ立方体抗压强　¨　Ｈ　Ｏ　５　０　０　Ｎ　Ｐ　度稍低于６０　ｄ抗压强度，这可能是因为当时气温　突然下降养护室温度偏低、而Ｊ一１胶又对温度较敏　５　５　５　５　５　５　５　５　２　２　２　２　２　２　２　２　相近。②Ｊ一１砂浆２８　ｄ抗折强度与Ｊ一１含固量呈二　次抛物线关系．即含固量接近ａ和接近零时强度最　大，而在０．５ａ和０．７５ａ一段其抗折强度最小，而抗压　感及试验误差所致。　（２）棱柱体抗压强度：本次试验共成型八组试　件，每组３块，试件尺寸为４ｃｍｘ４ｃｍｘｌ６ｃｍ，测试结　果见表３　强度则随Ｊ一１胶含固量增加而略有增长。③Ｊ一１胶对　稀释水的温度较为敏感，由Ｐ４和Ｐ组可以看出，热　１．３＿２抗折强度　１　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　本次试验共成型八组试件，每组３块，试件尺寸　Ｏ　６　６　６　６　６　６　水优于冷水。④由抗压、抗折强度验证了笔者在前述　试验中选择含固量为ａ、胶灰比为０．５５的Ｊ—ｌ砂浆的　正确性　表４　Ｊ＿１砂浆立方体劈拉强度　９　４　７　为４ｃｍｘ４ｃｍｘｌ６ｃｍ，测试结果见表３。　０　５　５　５　５　４　５　５　５　５　ｃ；ｃ；　ｃ；ｃ；５　ｎ　５　ｃ；５　　３　４　５　１　３　６　１　３　９　Ｏ　３　８　３　４　３　３　９　２　３　９　８　７　７　６　６　７　７　８　７　４　２　８　８　１　２　７　２　６　２　１　７　３　５　３　１．３＿３抗拉强度　（１）立方体劈裂抗拉强度：本次试验共成型两组　１５ｃｍｘｌ５ｅｍｘｌ５ｃｍ立方体试件３０块．试验数据见　表４。　近．因此在ｌＯｃｍｘｌＯｅｍｘ５５ｅｍ的试模中部用胶结材　料在试模壁上各粘结两块木板条．使试件中间受拉　段厚度为３ｅｍ．进一步接近刚性屋面防水层的厚度　和受力情况．同时也进一步提高了试验的成功率。　试验中．１２根试件只有２根在预定的断裂面外破　坏　测试结果见表５。　表５　Ｊ．－１砂浆轴向拉伸试验数据　编号　…应变　由表４可以看出：①水灰比为０．４０的钢纤维　水泥砂浆Ｆ立方体劈拉强度虽高于胶灰比为０．５５　的钢纤维Ｊ一１砂浆ＰＦ，但随龄期的增长钢纤维Ｊ一１　砂浆ＰＦ强度增长率要明显大于钢纤维水泥砂浆　②ＰＦ养护条件虽与Ｆ组相同（先湿后干），但后期　强度增长率大　（２）轴拉强度：本次试验共成型两组１２根试件。　试验采用变截面内埋拉杆的形式，考虑到拉杆的端　部易形成应力集中现象，断裂多发生在拉杆端部附　由表５可以看出：①胶灰比为０．５５的钢纤维　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７．Ｎｏ．５　张冬，李丽英，史长莹：钢纤维增强聚合物水泥砂浆刚性屋面防水层的可行性论证　・５１．　Ｊ一１砂浆ＰＦ２８　ｄ轴拉强度小于水灰比为Ｏ．４Ｏ的钢　纤维水泥砂浆，而极限拉应变值（试件破坏时的最　大应变值）则大于水灰比为０．４０的钢纤维水泥砂　１砂浆抗碳化能力比水灰比为Ｏ．４的钢纤维水泥砂　浆还要强　关于钢纤维在刚性屋面防水层中是否能被锈　浆。②作为刚性屋面的防水材料应在强度满足规　蚀，已有不少学者做过大量研究，有专家指出圈：“钢　范要求的前提下有很强的适应变形的能力．因此从　轴拉数据来看，作为刚性屋面防水材料．钢纤维　Ｊ一１砂浆应当优于钢纤维水泥砂浆。③与劈拉强度　值相比，轴拉强度反而小。从理论上来讲，在劈拉　断面上．水泥砂浆单元体是处于压拉两向受力状　态。试验表明，压拉两向应力状态下水泥砂浆抗拉　强度随着拉压强度的增大而降低．在压拉两向应力　状态下水泥砂浆拉断强度总是低于单轴抗拉强度　但在具体试验中．水泥砂浆劈裂断面已为压板接触　点所固定，而轴向拉伸试验断面是随机的．破坏是　在试件整个长度内最薄弱的水泥砂浆断面上断裂．　这就是水泥砂浆（混凝土）　“薄弱环理论”，从而　实测劈裂抗拉强度大于轴向抗拉强度　１．３Ａ双面抗剪切强度　本次试验共成型两组１０ｃｍｘ３ｃｍｘ２０ｃｍ板１６　块．试验数据见表６　表６　Ｊ＿ｌ砂浆双面抗剪切试验数据　编ｇ－　由表６可以看出：①胶灰比为Ｏ．５５的钢纤维　Ｊ一１砂浆２８　ｄ和６０　ｄ双面抗剪切强度均小于水灰　比为Ｏ．４Ｏ的钢纤维水泥砂浆。②钢纤维Ｊ一１砂浆后　期强度增长率大于钢纤维砂浆　１．４　Ｊ一１砂浆的碳化与钢纤维的锈蚀　本次试验共成型胶灰比为Ｏ．５５的钢纤维Ｊ一１　砂浆和水灰比为Ｏ．４Ｏ的钢纤维水泥砂浆两组　ｌＯｃｍ￣ｌＯｃｍ￣ｌＯｃｍ试件６个．每组３个．成型后送人　标准养护室养护至２８　ｄ再进行快速碳化试验．试　验前要将试件在烘箱中烘干，温度控制在２０￣５ｏＣ．　二氧化碳浓度控制在２Ｏ±２％．湿度控制在７０￣５％。　碳化龄期为２８　ｄ（相当于自然界５Ｏ年），然后拿　出试件逐一从中间劈裂．喷洒酚酞试剂．每边取２　点，每个试件８点取均值．最后计算出的碳化深　度钢纤维Ｊ＿１砂浆为１３ｍｍ、钢纤维水泥砂浆为　１５ｍｍ。由于Ｊ＿１胶在钢纤维水泥砂浆中形成薄　膜，阻断毛细孔，因此胶灰比为Ｏ．５５的钢纤维卜　纤维混凝土防水层中．人们担心钢纤维生锈腐蚀而　劣化。由于混凝土ｐＨ值一般为１２～１３，在碱性介　质中，钢纤维表面会产生一层氧化膜，能防止钢纤　维生锈．即使外露表层的钢纤维生锈．因钢纤维截　面小而且分布均匀．也不产生膨胀力．将上面水泥　砂浆保护层拉裂。”再加上Ｊ一１胶对水泥砂浆中毛细　孔的阻断作用，笔者认为钢纤维Ｊ一１砂浆中的钢纤　维锈蚀问题不会对刚性屋面防水层造成不良影响．　在快速碳化试验中．钢纤维Ｊ一１砂浆劈裂面上钢纤　维光亮如初　２结语　（１）由河海大学研制的Ｊ一１胶配制而成的钢纤维　Ｊ一１砂浆具有很好的抗渗性能和抗侵蚀性能。　（２）早期强度略低于同标号水泥砂浆（钢纤维水　泥砂浆），但后期强度增长率较大，尤其是在比较干　燥的环境下　（３）粘结强度高，是良好的混凝土修补材料。　（４）抗折强度高，将其用于刚性屋面防水层除在　强度上满足《屋面工程施工及验收规范》（ＧＢＪ２０７—　１９８３）中规定的指标外．其抗渗性能远远高于规范中　规定的０．１ＭＰａ（相当于１ｍ水头）。　（５）可进一步探讨将钢纤维Ｊ一１砂浆应用于多功　能屋面（如蓄水屋面、种植屋面、康乐屋面）的可　能性。　（６）钢纤维Ｊ一１砂浆用于刚性屋面可将防水层、　找平层及保护层三者融为一体．不需另配钢筋一次　完成、施工简单。　通过一系列试验．笔者认为钢纤维Ｊ－１砂浆作　为防水层应用于刚性屋面具有很好的发展前景．建　议进一步开发研究、应用和推广。　参考文献：　［１］史长莹．钢纤维增强聚合物水泥砂浆刚性屋面防水层的　增强机理与微观结构［Ｊ］．粉煤灰综合利用，２００１，（６）：７－１０．　［２］ＣＥＣＳ１３：８９，钢纤维混凝土试验方法［Ｓ］．　［３］ＪＴＪ２２５—８７，港１７１工程技术规范（１９８７）下卷［Ｓ］．　［４］纪午生．常用建筑材料试验手册［Ｍ］．北京：中国建筑工业　出版社．１９８６．　［５］樊承谋．钢纤维混凝土应用技术［Ｍ］．哈尔滨：黑龙江科学　技术出版社．１９８６．