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(湖北省高速公路實(shí)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司， 湖北 武漢 430051)

聚丙烯纖維改性砂漿力學(xué)性能研究

羅爐，雷宗建，顏加俊

(湖北省高速公路實(shí)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司， 湖北 武漢 430051)

研究了在砂漿中摻入聚丙烯纖維以改善砂漿的各種力學(xué)性能，并對(duì)改性砂漿的流動(dòng)性、抗折、抗壓、收縮抗裂性能做出了分析。具體研究了不同水灰比和不同聚丙烯纖維摻量對(duì)砂漿性能的影響，提出砂漿中聚丙烯纖維摻量的最佳值，此最佳摻量值可以為聚丙烯纖維砂漿在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù)。

聚丙烯纖維； 水泥砂漿； 力學(xué)性能； 壓折比

0 引言

水泥砂漿作為一種砌筑材料，因其抗壓強(qiáng)度高、經(jīng)濟(jì)耐久、易于維修等特點(diǎn)，在建筑工程、橋梁工程及道路工程中應(yīng)用廣泛，尤其在道路工程中，常作為擋土墻、護(hù)面墻、漿砌護(hù)坡、截排水溝等圬工防護(hù)工程的主要膠凝材料，起到增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性和改善結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的作用。雖然水泥砂漿應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯，但大量實(shí)體工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，水泥砂漿存在抗拉強(qiáng)度不足、脆性大、抗變形能力差等先天固有缺陷，無(wú)法滿足復(fù)雜砌體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能要求，尤其是早期自由微裂紋在荷載及溫度等環(huán)境因素綜合作用下擴(kuò)展貫通，導(dǎo)致砌筑結(jié)構(gòu)往往在未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度便出現(xiàn)力學(xué)性能衰減，直接影響其使用安全性及整體美觀性。

纖維水泥砂漿是通過(guò)在傳統(tǒng)水泥砂漿中摻加纖維等增強(qiáng)材料，通過(guò)利用纖維抗拉強(qiáng)度及柔韌性，起到增強(qiáng)砂漿韌性及抗干縮性、改善砂漿力學(xué)性能的一種改性復(fù)合材料，目前，以聚丙烯纖維砂漿應(yīng)用較為普遍。

1 研究?jī)?nèi)容

聚丙烯纖維是以聚丙烯為主要原料，按一定特殊工藝制造而成的高強(qiáng)度束狀單絲纖維，具有強(qiáng)度高、韌性好等特點(diǎn)，其摻入普通水泥砂漿形成的聚丙烯纖維砂漿可有效控制因砂漿塑性收縮、干縮、溫度變化等因素引起的微裂紋，防止及抑制裂縫的形成及發(fā)展，大大改善水泥砂漿的抗?jié)B性能、抗沖擊及抗震能力。

為明確聚丙烯纖維對(duì)砂漿力學(xué)性能的改善程度及機(jī)理，本文以砂漿流動(dòng)度、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及折壓比為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)設(shè)置不同試驗(yàn)對(duì)比組，對(duì)不同摻量下聚丙烯纖維水泥砂漿力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并以此確定最佳摻量范圍，可為聚丙烯纖維水泥砂漿的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

2 水泥砂漿配合比確定

2.1 一般原則

工程中所用水泥砂漿主要根據(jù)構(gòu)造物的部位來(lái)確定設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)并選定砂漿配合比，但為保證質(zhì)量和降低成本，應(yīng)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。

2.2 設(shè)計(jì)方案

2.2.1 確定試配強(qiáng)度

為使水泥砂漿強(qiáng)度具有一定的保證率，本文配制強(qiáng)度按設(shè)計(jì)強(qiáng)度提高15%計(jì)算：

fmo=1.15fm

(1)

式中：fmo為砂漿配制強(qiáng)度，MPa；fm為砂漿設(shè)計(jì)強(qiáng)度，MPa。

2.2.2 計(jì)算水泥用量

每立方米水泥砂漿的水泥用量，由下式計(jì)算：

(2)

式中：fmo為砂漿配制強(qiáng)度，MPa；fce.k為水泥強(qiáng)度，MPa；a為調(diào)整系數(shù)。

2.2.3 砂用量

通過(guò)堆積密度則可以確定黃砂用量。

2.3 試驗(yàn)原料用量的確定

本文選取水泥砂漿的強(qiáng)度等級(jí)為M15，由式(2)計(jì)算水泥用量為486 g，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定砂子的堆積密度為1560 kg/m3，含水量為0.4%，由此確定砂用量為1560 g，通過(guò)流動(dòng)度試驗(yàn)最終確定用水量為213、237和261 g。流動(dòng)度測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 水灰比與相應(yīng)的流動(dòng)度水灰比用水量/g流動(dòng)度/mm045213203050237212055261228

通過(guò)試驗(yàn)得出的流動(dòng)度均滿足要求(≥200)，確定最終材料用量為：水泥用量486 g；用水量213 g(W/C=0.45)、237 g(W/C=0.50)和261 g(W/C=0.55)；砂用量1560 g。

為增強(qiáng)對(duì)比性，本文設(shè)置了0、0.45、0.90、1.35、1.80 kg/m3這5種聚丙烯纖維摻量，通過(guò)與水泥、砂子和水拌和后測(cè)定其流動(dòng)度，然后調(diào)整水灰比測(cè)定不同摻量聚丙烯纖維水泥砂漿3 d、7 d及28 d齡期的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析，明確聚丙烯纖維對(duì)砂漿力學(xué)性能的改善程度及改善機(jī)理。

3 聚丙烯纖維水泥試驗(yàn)

3.1 聚丙烯纖維水泥砂漿流動(dòng)度試驗(yàn)

1) 試驗(yàn)?zāi)康模?以流動(dòng)度為測(cè)試指標(biāo)確定合理范圍內(nèi)聚丙烯纖維砂漿的最佳配比。

2) 主要儀器設(shè)備: 水泥膠砂攪拌機(jī)；水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定儀；試模:截錐圓模；天平:稱量為1000 g，精度為1 g；搗棒、卡尺、模套、料勺、小刀等。

3) 試驗(yàn)方法和步驟: 試驗(yàn)方法與普通水泥砂漿流動(dòng)度測(cè)試方法一致，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

3.2 水泥砂漿試件抗折與抗壓試驗(yàn)

3.2.1 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

將成型的試件放入試驗(yàn)儀器(圖1)上測(cè)定其抗折強(qiáng)度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理如表3～表5所示。

表2 不同摻量聚丙烯纖維砂漿流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果水灰比不同摻量(kg·m-3)時(shí)的流動(dòng)度/mm0045090135180045203188151113105050212194157128118055228205173131125

圖1 抗折試驗(yàn)儀

表3 不同摻量聚丙烯纖維砂漿不同齡期抗折強(qiáng)度(水灰比=0．45)摻量/(kg·m-3)抗折強(qiáng)度/MPa3d7d28d0 397485545045412490552090455538575135432524550180426515518

表4 不同摻量聚丙烯纖維砂漿不同齡期抗折強(qiáng)度(水灰比=0．50)摻量/(kg·m-3)抗折強(qiáng)度/MPa3d7d28d0 420488550045426495557090480565595135445520573180418507535

表5 不同摻量聚丙烯纖維砂漿不同齡期抗折強(qiáng)度(水灰比=0．55)摻量/(kg·m-3)抗折強(qiáng)度/MPa3d7d28d0 405480537045412497542090475532560135455518551180427499524

3.2.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

將成型的試件放入抗壓試驗(yàn)儀(圖2)上測(cè)定其抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表6～表8所示。

圖2 抗壓試驗(yàn)儀

表6 不同摻量聚丙烯纖維砂漿不同齡期抗壓強(qiáng)度(水灰比=0．45)摻量/(kg·m-3)抗壓強(qiáng)度/MPa3d7d28d0 9．5412．5817．480459．2712．3817．160909．6012．7517．651359．7513．0817．981809．9813．4318．28

表7 不同摻量聚丙烯纖維砂漿不同齡期抗壓強(qiáng)度(水灰比=0．50)摻量/(kg·m-3)抗壓強(qiáng)度/MPa3d7d28d0 9．612．817．50459．412．617．270909．69213．0517．791359．8613．3918．1218010．0613．5418．6

表8 不同摻量聚丙烯纖維砂漿不同齡期抗壓強(qiáng)度(水灰比=0．55)摻量/(kg·m-3)抗壓強(qiáng)度/MPa3d7d28d0 9．3212．5017．270459．2012．2217．090909．5012．6417．391359．6613．0317．791809．8813．2618．17

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 聚丙烯纖維摻量對(duì)水泥砂漿流動(dòng)性能的影響

聚丙烯纖維水泥砂漿在不同水灰比條件下的流動(dòng)度隨聚丙烯纖維摻量的變化規(guī)律如圖3所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明： 無(wú)論何種水灰比，砂漿流動(dòng)度均隨著聚丙烯纖維摻量的增加而逐漸降低，主要是由于經(jīng)拌和后的聚丙烯纖維在砂漿中成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布，一定程度阻礙了拌和物流動(dòng)，導(dǎo)致砂漿粘滯力增大，流動(dòng)性降低；同時(shí)，聚丙烯纖維比表面積大，增加了水泥漿體吸附量，導(dǎo)致自由漿體數(shù)量減少，流動(dòng)性降低。

圖3 流動(dòng)度變化曲線圖

4.2 聚丙烯纖維摻量對(duì)水泥砂漿抗折強(qiáng)度的影響

成型40 mm×40 mm×160 mm的標(biāo)準(zhǔn)棱柱體試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)溫度和濕度條件下分別養(yǎng)護(hù)3 d、7 d和28 d，按規(guī)范試驗(yàn)方法測(cè)得抗折強(qiáng)度隨聚丙烯纖維摻量變化規(guī)律如圖4～圖6所示。

圖4 3 d抗折強(qiáng)度

圖5 7 d抗折強(qiáng)度

圖6 28 d抗折強(qiáng)度

試驗(yàn)結(jié)果表明： 水灰比一定時(shí)，水泥砂漿3 d、7 d及28 d抗折強(qiáng)度隨聚丙烯纖維摻量的增加先增大后減小，當(dāng)其摻量為0.90 kg/m3時(shí)，砂漿的抗折強(qiáng)度達(dá)到最大，表明聚丙烯纖維的摻加可顯著提高砂漿抗折強(qiáng)度，其中最佳摻量下3 d、7 d及28 d強(qiáng)度(以水灰比=0.55為例)分別較未摻加時(shí)提高了17.3%、10.8%及4.3%。

分析原因可知，普通水泥砂漿強(qiáng)度主要來(lái)自于水泥漿與細(xì)集料界面結(jié)合強(qiáng)度，纖維的加入一定程度改善了水泥砂漿的脆性，提高了其韌性，大大增強(qiáng)了水泥漿和集料界面的粘結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)而提高了水泥砂漿抗折強(qiáng)度；同時(shí)由于聚丙烯纖維在砂漿中均勻分布可起到物理配筋作用，阻止了裂紋的形成與擴(kuò)展，提高了砂漿破壞極限強(qiáng)度。但當(dāng)纖維摻量超過(guò)一定范圍后，由于纖維易在砂漿中結(jié)團(tuán)分布，無(wú)法充分發(fā)揮其加筋作用，導(dǎo)致抗折強(qiáng)度降低。因此，綜合性能改善程度及材料應(yīng)用成本，以抗折強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的聚丙烯纖維摻量宜控制在0.90 kg/m3。

4.3 聚丙烯纖維摻量對(duì)水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是指將砂漿制成試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)溫度和相對(duì)濕度為60%～80%的條件下養(yǎng)護(hù)3 d、7 d和28 d，按規(guī)定方法測(cè)得單位面積上所承受的壓力。試驗(yàn)結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 3 d抗壓強(qiáng)度

圖8 7 d抗壓強(qiáng)度

圖9 28 d抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)結(jié)果表明：

1) 水灰比一定時(shí)，砂漿3 d、7 d及28 d抗壓強(qiáng)度均隨聚丙烯纖維摻量的增加先減小后增大，在摻量為0.45 kg/m3時(shí)最小，在0.45～0.90 kg/m3范圍內(nèi)強(qiáng)度可上升到素砂漿抗壓強(qiáng)度值，摻量進(jìn)一步增加時(shí)，砂漿強(qiáng)度呈線性增長(zhǎng)。分析原因可知，聚丙烯纖維摻量較少時(shí)，砂漿強(qiáng)度主要依靠水泥漿粘結(jié)強(qiáng)度提供，此時(shí)纖維在砂漿中零散分布，加筋作用并不明顯，反而因其比較面積較大，加大了水泥漿的裹附量，提供粘結(jié)強(qiáng)度的有效水泥漿減少，粘結(jié)強(qiáng)度下降；當(dāng)纖維摻量逐漸增大時(shí)，砂漿強(qiáng)度由水泥漿粘結(jié)強(qiáng)度與纖維加筋作用共同體現(xiàn)，抵抗破壞荷載能力逐漸增強(qiáng)，極限抗壓強(qiáng)度增加。

2) 聚丙烯纖維摻量一定時(shí)，砂漿3 d、7 d及28 d強(qiáng)度隨著水灰比的增加先增大后減小，在水灰比為0.50時(shí)達(dá)到峰值，表明纖維與水泥砂漿的平均粘結(jié)強(qiáng)度與水泥砂漿本體性能相關(guān)，一定程度減少了砂漿的泌水和離析，使砂漿的整體性能得到改善，稠度得以提高，但水灰比過(guò)大，纖維對(duì)水化反應(yīng)促進(jìn)作用反而降低。

3) 在實(shí)際工程應(yīng)用中，砂漿抗壓強(qiáng)度一般可滿足設(shè)計(jì)要求，綜合考慮纖維對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度的改善程度，建議纖維摻量應(yīng)控制在0.90 kg/m3以上，水灰比控制在0.50左右。

4.4 聚丙烯纖維摻量對(duì)水泥砂漿其它性能的影響

折壓強(qiáng)度比是表征砂漿韌性的重要指標(biāo)，將聚丙烯纖維水泥砂漿28 d抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度換算成折壓強(qiáng)度比，結(jié)果如圖10所示。

圖10 折壓比隨聚丙烯纖維摻量變化規(guī)律

試驗(yàn)結(jié)果表明： 當(dāng)水灰比一定時(shí)，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，試件的折壓比先增大后減小，在摻量為0.90 kg/m3時(shí)達(dá)到最大。分析原因可知，當(dāng)纖維摻量處于合理范圍時(shí)，纖維分散性較好，砂漿與纖維形成一個(gè)良好的纖維砂漿界面，當(dāng)試件承受縱向荷載時(shí)，界面會(huì)將荷載傳遞給纖維，減少砂漿基體的荷載作用力，有效地增加抗折強(qiáng)度；當(dāng)纖維摻量過(guò)大時(shí)，纖維分散性較差造成纖維結(jié)團(tuán)，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成纖維砂漿抗折強(qiáng)度降低。

5 主要研究結(jié)論

本文試驗(yàn)研究了不同水灰比、不同聚丙烯纖維摻量對(duì)水泥砂漿強(qiáng)度影響規(guī)律，得到主要結(jié)論如下：

1) 聚丙烯纖維對(duì)于水泥砂漿流動(dòng)性影響較大，纖維摻量越大，砂漿流動(dòng)性越差，為保證砂漿稠度，纖維摻量應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)。

2) 水灰比一定時(shí)，水泥砂漿抗折強(qiáng)度隨聚丙烯纖維摻量先增大后減小，在摻量達(dá)到0.90 kg/m3時(shí)達(dá)到最大。

3) 水灰比一定時(shí)，纖維摻量在0.45～0.9 kg/ m3范圍內(nèi)可達(dá)到素砂漿抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，但砂漿抗壓強(qiáng)度應(yīng)綜合考慮水灰比和聚丙烯纖維摻量的影響，建議M10砂漿水灰比控制在0.50左右，纖維摻量控制在0.9 kg/m3。

4) 水灰比一定時(shí)，水泥砂漿折壓比隨聚丙烯纖維摻量的增加先增大后減小，在摻量為0.90 kg/m3時(shí)達(dá)到最大，此摻量下的砂漿整體柔韌性最佳。

5) 水泥砂漿中摻入聚丙烯纖維能顯著提高砂漿的韌性，有效抑制砂漿中裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，具有良好的抗裂性能，綜合考慮聚丙烯纖維對(duì)砂漿強(qiáng)度的改善程度，建議聚丙烯纖維最佳摻量宜控制在0.9 kg/m3。

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1008-844X(2017)03-0062-05

U 414

A

2016-12-13

羅 爐(1988-)，男，碩士研究生，主要從事道路新材料研發(fā)工作。