日期：2022-05-07
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138 核心提示：目前, 我国屋面防水材料和防水技术仍较落后,渗漏问题成为/ 痼疾0。将钢纤维掺入水泥砂浆( 或砼)中, 能显著提高其抗裂性、弯曲韧
目前, 我国屋面防水材料和防水技术仍较落后,渗漏问题成为/ 痼疾0。将钢纤维掺入水泥砂浆( 或砼)中, 能显著提高其抗裂性、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。美国、西欧、日本等国, 在六、七十年代即开始研究钢纤维混凝土, 现已进入推广应用阶段。我国于七十年代后期开始这方面的研究, 并已在隧道、水工建筑物、道路等方面试用, 八十年代中后期我国始有少量钢纤维砼在刚性防水屋面中的应用报导[ 1] 。本文采用河海大学的水溶性高分子防渗补强材料建工-1 号( J-1 胶) 与钢纤维水泥砂浆复合, 经试验得出最佳配比, 进行韧性试验研究, 并在河海大学实际应用, 探讨其作为钢性防水材料的可行性。
1 试验研究
1. 1 试验条件
试验用原材料包括: 水泥( 525# 普硅水泥) 、细骨料( 河砂、松散容重1. 59g/ cm3, 细度模数2. 22) 、钢纤维( DN-25, 截面尺寸0. 4 @ 0. 3mm, 长度25mm) 、J-1 胶( 河海大学研制) 、高效减水剂( SN- Ò 型) 和自来水。试验按相应规程进行[ 2, 3] 。
1. 2 J-1 砂浆的韧性
众所周知, 普通水泥砂浆( 混凝土) 的破坏呈脆性, 作为其力学性能, 过去只重视其强度值。纤维水泥砂浆( 纤维混凝土) 出现后, 对其破坏的研究不再限于强度, 韧性也成为其性能的重要指标。刚性屋面渗漏大多是由于结构变形引发刚性防水层裂缝所致, 寻求一种抗裂性好的材料是本文的主旨。本次试验模拟刚性屋面防水材料厚度和受力情况, 成型10 @ 3 @ 40cm 板四组, 每组6 块, 韧性测试与抗折弹模测试同时进行, 测试装置原理见图1。
图1 弯曲试验荷载-应变全曲线测试装置及原理
在普通材料试验机上作梁的弯曲试验, 当梁的拉伸区外缘应力达到极限应力时将发生脆性破坏[ 4] 。采用图1 装置时, 水泥砂浆板下的钢梁对试验机提供了约束。钢梁于试验前设计制造, 应变片贴在钢梁的纯弯段。试验中施加总荷载P,
有P= Pc+ Ps ,,,,,,,,,,, ( 1)
式中: Pc- 水泥砂浆板承受荷载; Ps- 钢梁承受荷载。
图1( b) 所示装置( 去掉支点1 和4) 用于校验钢梁, 当钢梁外缘最大应力低于屈服应力时有:
Ps= KEs ,,,,,,,,,,, ( 2)
所以, Pc= P- Ps= P- KEs ,,,,,, ( 3)
式中: K- 钢梁的刚度系数; Es - 钢梁外缘应变。
图1( c) Pc- Ec 曲线等于图1( a) P- Es 曲线减去图1( b) Ps- Es 曲线, 即得水泥砂浆荷载-应变全曲线, 测试结果见表1 和图2。
图2 砂浆荷载-应变关系全曲线
变形测试使用人工智能静态应变仪, 数据通过打印机直接输出。根据5钢纤维混凝土试验方法6( CECS13B89) , 本试验数据处理采用如图3 所示方法进行。将直尺与荷载-应变曲线的线性部分重叠放置,确定初裂点A, A 点的纵坐标为初裂荷载FouFP, 这是防止裂缝出现的极限荷载, 其横坐标为初裂挠度D,其值越大, 适应结构变形的能力越强, 面积OAB 为初裂韧度。以O 为原点, 按初裂挠度的A倍在横轴上确定D 点, 则弯曲韧度指数GA的表达式为:
GA= OACD 面积/ OAB 面积
本次试验数据处理结果如表2 所示。
由表1、2 和图2 可以看出:
¹ 初裂荷载由大y小依次为: F y PF y O y P;
初裂挠度由大y小依次为: PF yP y F yO;
抗弯韧性由大y小依次为: PF yF y P yO
º同时考虑初裂荷载、初裂挠度和抗弯韧性三个重要指标, 笔者认为选择钢纤维J-1 砂浆作为刚性屋面防水材料是合适的。
图3 表示钢纤维水泥砂浆( 钢纤维混凝土) 受弯时的典型荷载-变形曲线。以钢纤维水泥砂浆达到极限荷载Pmax 的E 点为界, 可将曲线分为Ñ 、Ò 两个阶段。在第Ñ 阶段荷载从零增至发生初裂的A 点为a区, 在这个区段中, 荷载-变形曲线基本为一直线。此时基体通过界面粘结力将荷载传至纤维, 而纤维约束微细裂缝的扩展, 二者变形协调处于弹性阶段, 钢纤维与水泥砂浆基体作为一个整体共同承担荷载, 使初裂荷载显著增高, 反映了钢纤维水泥砂浆的第一个长处, 再加上J-1 胶使弹模降低, 初裂变形增大, 这对刚性屋面防水材料十分有利。
图3 荷载-应变曲线及弯曲韧度指数示意图
从初裂荷载的A 点到极限荷载的E 点为b 区。在这个区段中, 由于仍处于弹性阶段的钢纤维通过界面粘结力横贯裂缝传递内力, 钢纤维水泥砂浆仍能继续增加荷载, 水泥砂浆基体的裂缝随荷载增长而逐渐扩展, 变形的增长率也随之加大, 荷载-变形曲线逐渐弯曲, 钢纤维水泥砂浆处于弹塑性阶段, 这就是钢纤维水泥砂浆裂后强度增大的阶段, 反映了它的第二个长处。从极限荷载的E 点直至破坏为第Ò 阶段。由于钢纤维与水泥砂浆基体之间的界面粘结强度达到极限,钢纤维逐次被拔出, 钢纤维水泥砂浆的承载能力逐渐减小直至破坏。在这个过程中, 由于数目众多的钢纤维脱粘而拔出, 需吸收很大的能量, 因此钢纤维水泥砂浆的荷载-变形曲线逐渐缓慢地下降, 呈现良好的塑性( 注: 在载些论著中, 从水泥砂浆基体的角度出发, 称为/ 假塑性0, / 准塑性0, / 假延性0等) , 与水泥砂浆的脆性形成明显的对比, 反映了钢纤维水泥砂浆的第三个长处。钢纤维的第二、第三个长处虽对屋面防水材料的抗裂性无直接益处, 但就屋面的整体功能来讲却获益非浅, 因为随着人民生活水平不断提高,多功能刚性防水屋面日渐兴盛, 如康乐屋面( 小型运动场、露天会场等) 、蓄水屋面( 游泳池等) 、种植屋面( 美化城市环境、改变混凝土单调灰暗的色彩、保温)等, 这就对刚性屋面防水层除结构功能外的其它两大基本功能) 防水和上人提出了更高的要求, 而钢纤维的第三个长处对我国震区房屋又是一大帮助。考虑韧性、干缩率、抗折强度和抗压强度, 选用钢纤维J-1 砂浆PF 作为刚性屋面防水层是可行的。
2 结 语
由J-1 胶配制的钢纤维J-1 砂浆PF 弹模低, 具有良好的适应变形能力; 初裂荷载高, 抗裂性能很强;韧性大, 可防止冲击、振动、地震等意外荷载引起的变形开裂; 抗折强度高; 钢纤维J-1 砂浆用于刚性屋面可将找平层、防水层及保护层三者溶为一本, 不需另配钢筋一次完成、施工简单; 本身干缩性稍大, 可采取适当措施( 如前3 周注意洒水养护) 解决。还可进一步探讨将钢纤维J-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。通过试验和经河海大学的实际应用, 笔者认为作为防水层, 钢纤维J-1 砂浆PF 应用于刚性屋面具有很好的发展前景。
