聚丙烯纖維增強水泥砂漿性能的機理分析

(重慶交通大學 重慶 400074)

一、引言

預應力錨固技術具有能充分發揮巖土自身的強度、施工中不破壞原有巖體的整體性、占用空間小、見效快的造價低等特點，在巖土工程領域得到廣泛應用。隨著高邊坡高速公路的發展，對高邊坡錨固的要求越來越高，特別是永久性錨索，要求有可靠的錨固效果、避免預應力損失。通常人們是通過提高水泥的標號或砂漿的標號來改善錨固段材料的錨固性能。但事實證明，受錨索灌漿管尺度和灌漿深度等工藝方面和材料抗壓性的限制，單純通過提高水泥漿的標號并不能很好地改善錨索的錨固性能，為了提高錨固段的錨固力，人們早已開始將目光投向灌漿材料，它作為預應力錨固體系的薄弱環節，一直制約著行業的發展。自上世紀60年代以來，世界各國的專家陸續開始從事在砂漿中摻加各種纖維材料來改善其作用性能研究。常見的纖維材料有鋼纖維、玻璃纖維、合成纖維等。通過在砂漿中摻入一定量的纖維材料而生成的纖維復合材料具有高比強、高比模、韌性好等優良特性。同普通錨固砂漿相比，纖維砂漿的強度、砂漿與孔壁之間的的粘結強度及其受力、變形、開裂諸方面得到了提高和改善，大大提高了砂漿的錨固能力，到減少錨固長度、降低錨索失效率的效果。

二、纖維對砂漿力學性能的影響

(一)纖維對砂漿抗壓、抗拉強度的影響

試驗結果表明[1]：在水泥砂漿中摻入一定量的聚丙烯纖維后，復合砂漿材料的抗拉強度和抗折強度隨聚丙烯纖維摻量的增加先增大后減小。分析原因可知，普通水泥砂漿強度主要來自于水泥漿與細集料界面結合強度，纖維的加入一定程度上改善了水泥砂漿的脆性，提高了其韌性，當纖維摻量較小時，砂漿抗壓強度主要依靠水泥漿粘結強度提供，此時纖維在砂漿中零散分布，加筋作用并不明顯，反而因其比表面積較大，加大了水泥漿的裹附量，提供粘結強度的有效水泥漿減少，粘結強度下降；當纖維摻量逐漸增大時，砂漿強度由水泥漿粘結強度與纖維加筋作用共同體現，大大增強了水泥漿和集料界面的粘結強度，進而提高了水泥砂漿抗折強度；同時由于聚丙烯纖維在砂漿中均勻分布可起到物理配筋作用，阻止裂紋的形成與擴展，提高了砂漿破壞極限強度；當纖維摻量超過一定范圍后，由于纖維易在砂漿中結團分布，無法充分發揮其加筋作用，導致抗折強度降低。

PVA纖維砂漿受壓或受彎時裂縫發展緩慢，裂縫寬度也較小，表現出一定的延性性質[2]。

(二)纖維對界面粘結性能的影響

許多試驗研究通過纖維拉拔試驗來分析纖維與砂漿之間的粘結性能。結果表明[3]：水灰質量比、纖維埋入長度、纖維埋入角度、水泥砂漿齡期都影響聚丙烯纖維與水泥砂漿的粘結性能，其中水灰質量比影響程度最大；同時隨著水灰質量比的減小、纖維埋入長度的增大、纖維埋入角度的增大，聚丙烯纖維水泥砂漿的粘結強度逐漸增大。

也有人采用軸向拉伸試驗來測試纖維聚合物砂漿和舊水泥基體的界面粘結強度。試驗結果表明：在纖維體積摻量為0.1%、0.3%時，鋼纖維、碳纖維、聚丙烯纖維的摻入降低了新拌砂漿與基體之間的界面粘結強度，當隨著纖維摻量的增加，新拌砂漿與基體的界面粘結強度有所提高，當纖維摻量為0.9%時，甚至超過普通砂漿與基體的界面粘結強度。同時當在纖維砂漿中復摻SBR乳液時，均能有效改善砂漿與基體的界面粘結性能，且隨著乳液摻量的增加作用效果越好。

纖維對新版砂漿與舊水泥基體界面粘結性能作用機理比較復雜，分析其原因，主要體現在一下幾個方面:(1)纖維的摻入影響了新拌砂漿的流動性及保水性使得新拌砂漿與水泥基體接觸面濕潤程度不一致，從而導致界面過渡層厚度發生變化；(2)纖維對新拌砂漿能起到抗裂作用，對硬化后的砂漿能起到減少干燥收縮的作用，從而減少了粘結界面處因新拌砂漿收縮開裂而產生的微裂縫；(3)纖維的摻入對新拌砂漿起到“橋聯”的作用，增強了硬化后砂漿的自身強度，減少砂漿基體在拉拔過程中碎裂的可能性，從而對界面粘結起到積極作用。

(三)纖維對砂漿的抗開裂性能的影響。通常砂漿在大面積施工后，材料表面在硬化前往往會失水收縮引起拉應力，因而產生不可恢復的干縮，這是由于砂漿表面水的蒸發速率超過內部水滲透到表面的速率，以及砂漿的早期抗拉強度達不到砂漿收縮產生的應力造成。為了減少砂漿產生的干縮，可采取在新拌砂漿中加入纖維的方法。纖維的摻入，對砂漿早期干縮有明顯的影響，使早期收縮受到抑制，并使砂漿劈裂抗拉強度有明顯的提高。現有的大量研究報道針對各種因素對塑性收縮抗裂的影響進行分析，主要是對纖維的摻量、長度和截面形狀等因素進行試驗研究。也有少數文章對纖維抗裂試驗機理進行分析，[5]通過試驗結果說明，聚丙烯纖維的抗裂效果主要不是在對水分蒸發率的降低，而在于對塑性抗拉強度的提高，也就是說，摻聚丙烯纖維的砂漿開裂面積率的倒數與其塑性抗拉強度之間應存在某種正相關性。根據試驗結果得出塑性抗拉強度σt和開裂面積率倒數1/Scr之間大致符合線性關系，其擬合的數學關系式為

Scr=497.345σ-10.425

其中，1/Scr為開裂面積率的倒數。

從上式可以看出，開裂面積率倒數隨塑性抗拉強度的增大而增大。因此，若要降低試樣的開裂面積率，就應當提高塑性抗拉強度。

(四)纖維對預應力錨索極限承載力的影響。纖維灌漿材料中的纖維能有效地阻止灌漿材料中微裂紋的發展，提高預應力錨索的極限承載力。當普通砂漿所受局部應力過大時，砂漿開裂破壞，導致應力繼續向錨固段后方傳遞，這樣又使這一部微發生應力集中，相應的砂漿繼續開裂，如此發展導致砂漿在集中力作用下分段破壞。纖維砂漿的受力特點則有所不同，當荷載作用時，先期的極限荷載作用下破壞的砂漿段仍存在殘余強度，殘余強度的發揮可以部分消除傳來的外部荷載，因此在荷載逐步向錨固段后方傳遞的過程中，荷載被逐漸削弱，應力幅值逐漸減小，從而參與抵抗外部荷載的砂漿段長度增加，當采用同樣長度的錨固段時，由于纖維砂漿的積極作用，使得錨桿的極限承載力的發揮得到提高。

三、前景展望

現有的研究主要是針對纖維砂漿的抗壓強度、抗折強度和抗沖擊能力，抑制砂漿的收縮等方面開展，很少涉及纖維砂漿對預應力錨索體系錨固效果的作用，尤其是對錨固段剪應力分布規律的影響，另外關于纖維砂漿作為注漿材料的錨固體系的預應力損失情況也有待研究。