改性聚丙烯纖維砂漿性能的研究

楊繼強(qiáng)

(天津城建大學(xué)土木工程學(xué)院，天津，300384)

在水泥砂漿中摻入聚丙烯纖維能有效抑制水泥砂漿的塑性收縮，從而控制裂縫的形成及發(fā)展，可對砂漿基體產(chǎn)生增強(qiáng)、增韌等效果，明顯改善水泥基復(fù)合材料的性能。聚丙烯纖維包括單絲、束狀纖維、短切纖維和網(wǎng)狀纖維［1］等。聚丙烯纖維的化學(xué)性能穩(wěn)定，濃鹽酸和濃硫酸對其強(qiáng)度無影響，抗老化，安全無毒。且聚丙烯纖維在水泥基復(fù)合材料中能保持非常優(yōu)異的性能，具有摻加工藝簡單、摻入量少、價(jià)格低等特點(diǎn)。聚丙烯纖維水泥基復(fù)合材料可廣泛用于地下工程、機(jī)場跑道、屋面、墻體、道路及橋梁工程中。但是，未經(jīng)改性處理的聚丙烯纖維在水泥砂漿中易結(jié)團(tuán)，分散性及纖維與水泥基體間的黏結(jié)力差，因此，相關(guān)科研單位對聚丙烯纖維進(jìn)行了改性研究［2-3］。本文研究了改性聚丙烯纖維對砂漿性能的影響。

1 改性聚丙烯纖維對砂漿性能的影響機(jī)理

由于改性聚丙烯纖維具有良好的耐酸、耐堿性和自分散性，砂漿拌合后改性聚丙烯纖維能在砂漿基體內(nèi)均勻分散，并在其中形成均勻分布的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［4］，因而降低了砂漿基體中微裂縫尖端的應(yīng)力集中，防止了微裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。另外，由于改性聚丙烯纖維抗拉強(qiáng)度高、直徑小［5］，纖維在砂漿中分布間距小、數(shù)量多，在水泥基體中相互黏結(jié)呈亂向分布［6-7］，受到外力后纖維可有效地傳遞應(yīng)力，從而提高了水泥砂漿的抗拉強(qiáng)度和抗變形能力。因此，在水泥砂漿中摻入改性聚丙烯纖維可有效改善水泥砂漿的和易性，以及抗收縮、抗凍融等耐久性能。

2 試驗(yàn)部分

2.1 原材料

試驗(yàn)采用32.5級普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料為河砂;改性聚丙烯纖維由欣晟建筑纖維有限公司提供。

改性聚丙烯纖維的主要物理性能指標(biāo)：

密度 0.91 g/cm3

熔點(diǎn) 165～173℃

拉伸極限 (23±8)%

抗拉強(qiáng)度 ＞500 MPa

彈性模量 ＞4 500 MPa

耐化學(xué)性 很強(qiáng)

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)主要研究了改性聚丙烯纖維對砂漿稠度、砂漿分層度、砂漿強(qiáng)度、砂漿抗收縮性能和砂漿抗凍融性能，以及纖維的攪拌方式對砂漿性能的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 砂漿稠度

試驗(yàn)依據(jù)JGJ/T70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［8］進(jìn)行。砂漿配合比為水泥280 kg/m3、河砂 1 450 kg/m3、水 310 kg/m3。纖維摻量分別為 0.9、1.2 kg/m3，纖維長度分別為 19、30 mm。試驗(yàn)共分5組。采用砂漿稠度儀測量其沉入量，并進(jìn)行對比。纖維砂漿稠度試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 纖維砂漿稠度試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：摻入改性聚丙烯纖維的砂漿沉入量比無纖維砂漿略有減小，說明砂漿流動性變小;當(dāng)纖維長度相同時，摻入量越大，砂漿流動性越小。稠度的增加可減少拌合物的離析和泌水現(xiàn)象，這主要是由于改性聚丙烯纖維在漿體中雜亂分布及水泥砂漿黏附性所致。

3.2 砂漿分層度

試驗(yàn)依據(jù)、砂漿配合比及纖維摻入?yún)?shù)同3.1節(jié)。試驗(yàn)共分5組。采用分層度筒測量其分層度，并進(jìn)行對比。纖維砂漿分層度試驗(yàn)結(jié)果見表2。

試驗(yàn)結(jié)果表明：摻入改性聚丙烯纖維后砂漿的分層度值均有不同程度的減小，說明砂漿保水性能增強(qiáng);當(dāng)纖維長度相同時，摻入量越大，砂漿保水性能越好。這與聚丙烯纖維經(jīng)改性處理后親水性增強(qiáng)有關(guān)。

表2 纖維砂漿分層度試驗(yàn)結(jié)果

3.3 砂漿強(qiáng)度

試驗(yàn)依據(jù)、砂漿配合比及纖維摻入?yún)?shù)同3.1節(jié)。立方體抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度試件尺寸皆為70.7 mm ×70.7 mm ×70.7 mm，每組 3 塊。試驗(yàn)共分5組。纖維砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 纖維砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從表3數(shù)據(jù)可知，摻入改性聚丙烯纖維的砂漿與無纖維砂漿相比，纖維砂漿的立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的均值分別提高了13.1%和28.6%。這是由于改性聚丙烯纖維在砂漿基體內(nèi)分散均勻且呈亂向分布，有利于提高纖維與水泥基料之間的黏接強(qiáng)度。當(dāng)纖維摻量為0.9 kg/m3時，摻入長19 mm纖維的水泥砂漿強(qiáng)度比摻入長30 mm纖維的水泥砂漿強(qiáng)度更好。劈裂抗拉強(qiáng)度的增長大于立方體抗壓強(qiáng)度的增長，說明改性聚丙烯纖維在抑制砂漿的開裂方面效果更好。

3.4 砂漿抗收縮性能

試驗(yàn)依據(jù)、砂漿配合比及纖維摻入?yún)?shù)同3.1節(jié)。試件尺寸為 40.0 mm ×40.0 mm ×160.0 mm，試驗(yàn)共分4組。試驗(yàn)采用SP-175型立式砂漿收縮儀。纖維砂漿抗收縮性能試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 纖維砂漿抗收縮性能試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入改性聚丙烯纖維對控制砂漿早期收縮有明顯的改善效果。這是由于改性聚丙烯纖維保水性能好，減少了砂漿基體水分的過早流失。在砂漿中摻入0.9 kg/m3、長度為19 mm的改性聚丙烯纖維時［3］，纖維砂漿干縮率降低了33.3%。

3.5 砂漿抗凍融性能

試驗(yàn)依據(jù)、砂漿配合比及纖維摻入?yún)?shù)同3.1節(jié)。試件尺寸為 70.7 mm ×70.7 mm ×70.7 mm，試驗(yàn)共分5組，每組9塊。砂漿凍融試驗(yàn)采用D4型低溫試驗(yàn)箱，選擇慢凍法，試件經(jīng)25次凍融循環(huán)后分別測定其質(zhì)量損失及抗壓強(qiáng)度損失。纖維砂漿抗凍融性能試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 纖維砂漿抗凍融性能試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入改性聚丙烯纖維的砂漿其質(zhì)量損失和抗壓強(qiáng)度損失都遠(yuǎn)小于無纖維的普通砂漿，特別是19/1.2和30/0.9類型的砂漿效果更為明顯。這是由于改性聚丙烯纖維的摻入使硬化后的砂漿密實(shí)性增強(qiáng)，不僅使砂漿早期收縮減少，而且使砂漿中微孔隙含量降低，能有效改善砂漿的抗凍融能力。

3.6 不同攪拌方式對纖維砂漿性能的影響

采用正確的攪拌方式對纖維砂漿性能的改善具有重要的作用，攪拌過程中應(yīng)主要防止纖維分布不均勻和避免引起纖維結(jié)團(tuán)。采用兩種攪拌方式進(jìn)行了試驗(yàn)：

(1)濕拌和法——將水泥和河砂依次倒入自落式攪拌機(jī)攪拌2 min，然后開始逐漸加水和纖維(纖維已放入一定量的水中)，再攪拌5 min，使砂漿攪拌均勻，將攪拌好的砂漿分別裝入模具待測。

(2)干拌和法——將水泥、河砂和改性聚丙烯纖維依次倒入自落式攪拌機(jī)攪拌4 min，然后開始逐漸加水，再攪拌6 min，使砂漿攪拌均勻，將攪拌好的砂漿分別裝入模具待測。

選擇改性聚丙烯纖維摻入長度為19 mm、摻量為0.9 kg/m3，在不同攪拌方式下進(jìn)行試驗(yàn)，測定纖維砂漿的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表6。

表6 攪拌方式對纖維砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，干拌和法成型的砂漿比濕拌和法成型的砂漿抗壓強(qiáng)度高。干拌和法中改性聚丙烯纖維在水泥、河砂中被強(qiáng)烈分散，因而纖維在砂漿中分散性好;濕拌和法中纖維提前置于水中潤濕，然后被水泥漿包裹，因此容易打結(jié)，影響纖維在砂漿中的均勻分散［2］。以28 d試件的抗壓強(qiáng)度比較為例，干拌和法為 13.5 MPa，濕拌和法為9.6 MPa，干拌和法試件比濕拌和法試件的抗壓強(qiáng)度提高了40.6%，改善效果顯著。

4 結(jié)論

(1)摻入改性聚丙烯纖維可使砂漿沉入量降低、分層度值變小，水泥砂漿稠度和保水性能增強(qiáng)，減少了砂漿拌合物的離析、泌水等現(xiàn)象。

(2)砂漿中改性聚丙烯纖維摻量為0.9 kg/m3時，摻入長19 mm的纖維比摻入長30 mm的纖維對砂漿強(qiáng)度的增長效果更好;劈裂抗拉強(qiáng)度增長大于立方體抗壓強(qiáng)度的增長，說明聚丙烯纖維在抑制砂漿的開裂方面效果更好。

(3)摻入改性聚丙烯纖維能有效控制砂漿的早期干縮，水泥砂漿中摻入 0.9 kg/m3、長度為19 mm的改性聚丙烯纖維時，干縮率降低33.3%。

(4)摻入改性聚丙烯纖維能有效提高砂漿的抗凍融性能，特別是19/1.2和30/0.9類型的砂漿效果更為明顯。

(5)改性聚丙烯纖維添加到砂漿中的攪拌方式適合采用干拌和法，此時纖維易于在砂漿中均勻分散;干拌和法成型的砂漿比濕拌和法成型的砂漿抗壓強(qiáng)度提高了40.6%。

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