傅煥然，楊 珂，高 歌

（成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都610059）

長期以來，灌漿材料已經(jīng)成為建筑工程中應(yīng)用量最大、使用面最廣的建筑材料之一。水泥與水泥基復(fù)合材料是當今主要的灌漿材料，具有典型的脆性材料性質(zhì)［1－2］，研究表明，在復(fù)合灌漿材料中摻入少量的短切碳纖維，可以大大提高其抗拉及抗折強度［3－5］。

為此，對碳纖維增強水泥基灌漿材料的研究，要保證碳纖維增強水泥基復(fù)合灌漿材料具有良好的力學(xué)性能，關(guān)鍵在于將碳纖維均勻分散到水泥砂漿中，通常需要加入各種分散劑和化學(xué)添加劑。碳纖維的種類、摻量，以及分散劑和化學(xué)添加劑的多少，對碳纖維增強水泥基復(fù)合灌漿材料的力學(xué)性能將有著直接的影響［6－7］。本文在一系列試驗的基礎(chǔ)上，對碳纖維增強水泥基復(fù)合灌漿材料的力學(xué)性能及其影響因素進行了研究。

1 原材料和實驗方法

1.1 原材料

碳纖維：試驗所用的碳纖維為由上海碳素廠與鞍山東亞有限公司生產(chǎn)的兩種規(guī)格的短切碳纖維，其性能見表1。

表1 試驗用碳纖維的物理性能

水泥：江西亞東水泥廠產(chǎn)P.O 42.5＃，比表面積350m2／kg；礦物摻合料：粉煤灰：陽邏電廠Ⅱ級粉煤灰；硅灰：武漢鋼鐵公司冶金渣廠，比表面積約2×104m2／kg；砂：標準砂；減水劑：上海三瑞公司生產(chǎn)，聚羧酸減水劑，減水率25%；分散劑：赫克力天普化工有限公司生產(chǎn)，甲基纖維素。

1.2 實驗方法

碳纖維增強水泥基復(fù)合灌漿材料的制備方法：將分散劑溶解于水中，目視均勻后再將稱量好的碳纖維加入，震蕩至碳纖維在溶液中呈單絲狀分布為止。在砂漿攪拌機中將水泥、砂、摻合料攪拌均勻，邊攪拌邊緩慢加入碳纖維與水，攪拌2min；加入減水劑，再攪拌5min，成型，振實，養(yǎng)護。

試驗用試件尺寸為4cm×4cm×16cm，每組3個試件，試件在標準條件下養(yǎng)護28d后進行測試。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 碳纖維種類與摻量對灌漿材料力學(xué)性能的影響

按膠凝材料組成為水泥︰硅灰︰粉煤灰（質(zhì)量比）＝0.8︰0.1︰0.1，水膠比為0.5，砂膠比為1.5配置灌漿材料，分散劑摻量為0.5%（分散劑／膠凝材料），按照等稠度法控制減水劑摻量。選取4種碳纖維含量分別占膠凝材料質(zhì)量的0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%進行試件的配制。對其三大力學(xué)指標進行了試驗研究，其結(jié)果見圖1～3。

圖1 碳纖維種類與摻量對灌漿材料抗壓強度的影響

圖2 碳纖維種類與摻量對灌漿材料抗折強度的影響

圖3 碳纖維種類與摻量對灌漿材料劈裂抗拉強度的影響

從圖1中可以看出，灌漿材料的抗壓強度（CS）隨著碳纖維摻量的增加均存在先增大后減小的趨勢，對比圖中數(shù)據(jù)，5mm碳纖維（A、C）和7mm碳纖維（B、D）在摻量分別為0.8%、0.6%時灌漿材料的CS達到最大值。對比圖1中數(shù)據(jù)，長度相同的上海產(chǎn)碳纖維（A、B）對灌漿材料CS的增強作用明顯高于鞍山產(chǎn)碳纖維（C、D），這與碳纖維性能有直接關(guān)系。盡管碳纖維性能存在較大差異，但相同長度的碳纖維摻量對灌漿材料CS的影響規(guī)律基本相近。

從圖2中可以看出，灌漿材料的抗折強度（FS）隨著碳纖維摻量的增加均存在先增大后減小的趨勢，且明顯看出A、B組碳纖維對灌漿材料FS的增強明顯優(yōu)于C、D組，前者最高提高46%，而后者最高提高25%。碳纖維在灌漿材料中的主要作用在于減少水泥集體收縮而引發(fā)的微裂紋并縮小其尺寸，在受荷初期延緩與阻止基體中微裂紋的擴展并最終成為外荷的主要承載者，碳纖維的拔出或拉斷，或此兩種情況同時發(fā)生時導(dǎo)致碳纖維增強水泥基復(fù)合灌漿材料破壞的主要形式。因此，碳纖維的性能及其與水泥基體的黏結(jié)性成為碳纖維增強水泥基復(fù)合灌漿材料力學(xué)性能的關(guān)鍵。A、B碳纖維的抗拉強度與抗拉模量幾乎為C、D的5倍，其對灌漿材料力學(xué)性能的增強效果固然更優(yōu)。

從圖3中可以看出，灌漿材料的劈裂抗拉強度（STS）隨碳纖維摻量的增大均存在緩慢增大的趨勢。摻加碳纖維的灌漿材料的STS明顯高于未摻碳纖維的關(guān)鍵材料，摻量僅0.2%時，A（B）與C（D）組的灌漿材料的STS分別增強了37%、23%，隨著碳纖維摻量的增大，兩家公司生產(chǎn)的碳纖維對灌漿材料STS的增強可達到48%與32%。其增強幅度大于FS的增強幅度且遠大于CS的增強幅度，從而碳纖維的摻入能有效地增強灌漿材料抗拉強度。本試驗所用兩家公司生產(chǎn)的碳纖維抗拉強度比普通水泥基材料高出幾個數(shù)量級，而抗拉模量也數(shù)倍于普通水泥基材料，因此僅加入少量的碳纖維，就能使其成為外拉載荷的主要承載者，從而大大提高了灌漿材料的劈裂抗拉強度。對比圖3中的曲線還可以看出，同公司生產(chǎn)的不同長度的碳纖維對灌漿材料的STS的增強幅度差異甚微。

2.2 分散劑摻量對灌漿材料力學(xué)性能的影響

前面提到，碳纖維增強水泥基復(fù)合灌漿材料的力學(xué)性能除了與碳纖維的力學(xué)性能有直接關(guān)系外，與碳纖維分散程度也有很大關(guān)系。理論來說，碳纖維的分散程度越好，在灌漿材料中的分布越均勻，對力學(xué)性能的增強就越顯著。但是，要使碳纖維分散程度好，就必須加入分散劑，經(jīng)研究表明，分散劑的加入又會降低灌漿材料的力學(xué)性能。這是因為分散劑大多為表面活性劑，如本試驗所用的甲基纖維素，其與水相混合時會產(chǎn)生大量的氣泡，從而在灌漿材料中產(chǎn)生空隙，導(dǎo)致灌漿材料強度的降低。為了分析這種影響，我們按2.1節(jié)配比，選取上海碳素廠生產(chǎn)的不同長度的PAN基碳纖維，摻量為膠凝材料質(zhì)量的6%，改變分散劑摻量0.1、0.3、0.5、0.6、0.8進行灌漿材料的配置，對其抗壓和抗折強度進行了研究，其結(jié)果見圖4～5。

圖4 分散劑摻量對灌漿材料抗壓強度的影響

圖5 分散劑摻量對灌漿材料抗折強度的影響

從圖4～5可以看出，隨著分散劑摻量的增大，不摻碳纖維的灌漿材料無論是CS還是FS都不斷降低，這說明分散劑的加入確實對灌漿材料的力學(xué)強度產(chǎn)生了不利的影響，且影響與摻量正相關(guān)；對比圖4及圖5中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當分散劑摻量較小時（小于0.3%），摻加碳纖維對灌漿材料的抗壓強度CS及抗折強度FS的增強效果都不明顯，如摻量為0.3%時CS僅增強9%，而FS僅增強10%。其主要原因在于分散劑含量過少導(dǎo)致碳纖維不能均勻地分散于灌漿材料中，從而影響了碳纖維對灌漿材料力學(xué)性能的增強。當分散劑摻量增大至0.5%～0.6%時，碳纖維對灌漿材料力學(xué)性能的增強效果顯著增大并達到最大，CS最高增強18%，而FS最高增強高達51%。這說明，在分散劑摻量達到0.5%～0.6%時，碳纖維在灌漿材料中的分散程度達到最好，因此碳纖維對灌漿材料的力學(xué)性能增強效果最為明顯。但隨著分散劑摻量的繼續(xù)增大，CS與FS都出現(xiàn)了不同程度的降低，表明分散劑過量將影響水泥基體與骨料及碳纖維的黏結(jié)性能，從而導(dǎo)致力學(xué)性能受到影響。

2.3 水膠比對灌漿材料力學(xué)性能的影響

一般來說，水膠比是影響水泥基材料強度的最主要因素，我們按照2.1節(jié)配比，選取上海碳素廠生產(chǎn)的5mm PAN基碳纖維，摻量為6%，改變水膠比0.30～0.55進行灌漿材料的配置，對其CS和FS進行分析，其結(jié)果見圖6。

圖6 水膠比對灌漿材料抗壓強度及抗折強度的影響

從圖6可以看出，水膠比對碳纖維增強水泥基復(fù)合灌漿材料抗壓強度CS與抗折強度FS的影響均呈拋物線形，即先增大后減小，且在水膠比為0.5時CS與FS均達到最大值。由圖6的結(jié)果可以推斷出，當水膠比降低時，灌漿材料的流動度隨之下降，從而導(dǎo)致碳纖維不能均勻分散，在基體中出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，造成灌漿材料內(nèi)部區(qū)域局部應(yīng)力集中，影響了碳纖維增強水泥基復(fù)合灌漿材料的強度。而當水膠比增大至0.50左右時，碳纖維已能在水泥基體中均勻分布，使其充分發(fā)揮增強作用，灌漿材料的CS與FS強度均達到最大值。繼續(xù)增大水膠比時，水量的增加則會增大水泥水化后產(chǎn)生的空隙，導(dǎo)致力學(xué)性能降低。

3 結(jié)論

（1）碳纖維能阻止水泥基體中的微裂紋的擴散，并作為主要承載者承擔(dān)外部載荷，因此碳纖維的摻加與否及其性能能影響水泥基灌漿材料的3大力學(xué)性能。

（2）隨著碳纖維摻量的增大，碳纖維增強水泥基復(fù)合灌漿材料的CS、FS存在先增大后減小的趨勢，而STS則一直增強；同時與CS的增強相比，F(xiàn)S與STS的增強更為顯著。

（3）分散劑的摻加會降低水泥基材料的力學(xué)性能，但分散劑的摻量會直接影響碳纖維對灌漿材料力學(xué)性能的增強作用。分散劑含量適當時，增強效果顯著，抗壓、抗折強度最大可分別提高18%與51%；

（4）水膠比對碳纖維增強水泥基復(fù)合灌漿材料抗壓強度與抗折強度的影響均呈拋物線形，這是碳纖維增強水泥基復(fù)合灌漿材料的特點之一。

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