聚丙烯纖維增強補償收縮砂漿力學性能試驗

黃偉

(淮南聯合大學建筑工程系，安徽 淮南 232038)

隨著建筑業的快速發展，水泥基材料早已成為應用范圍最廣、用量最大的建筑材料之一。眾所周知，水泥基材料雖然抗壓強度較高，但其存在抗拉強度低、抗裂性能差、自收縮性大等缺點[1～4]，且隨著抗壓強度的提高，其脆性與干縮問題更加顯著。

為改善水泥基材料脆性與干縮等缺陷，普遍做法是采用摻入纖維來提高水泥基材料的抗裂性能，摻入膨脹劑來改變水泥基材料的變形性能。國內外眾多學者已經開展了對聚丙烯纖維砂漿、纖維補償收縮砂漿的力學性能和干縮變形性能等方面的研究，并取得一定的研究成果。如劉玉瑩等[5]在砂漿中摻入竹纖維，得出不同竹纖維摻量和長度對砂漿工作性、抗折強度、抗壓強度和干縮率的影響。薛峰等[6]、胡玉慶等[7]、陳波等[8]等對補償收縮砂漿在不同養護方式下的力學性能進行試驗研究，得出不同養護溫度、不同養護齡期、不同約束程度下，補償收縮砂漿比普通砂漿具有更好的抗壓強度和收縮性能。姜正平等[9]對不同養護條件下膨脹劑對水泥砂漿收縮性影響研究，發現膨脹劑能顯著降低水泥砂漿的早期收縮。梅愛華[10]用低摻量聚丙烯纖維配制砂漿，測試砂漿的抗折、抗壓、抗滲和收縮率，試驗結果表明在普通水泥砂漿中摻入一定量纖維能顯著提高砂漿的抗裂強度和抗滲性能，降低砂漿收縮率，提高抗壓和抗折強度。孫道勝等[11]使用聚丙烯纖維和膨脹劑雙摻來研究砂漿塑性收縮性能，得出聚丙烯纖維與膨脹劑復合使用后對砂漿因塑性收縮產生的裂縫數量和裂縫細化2個方面均優于聚丙烯纖維或膨脹劑的單獨作用，砂漿抵抗塑性收縮開裂能力顯著提高。鄧宗才等[12]對纖維素纖維砂漿干縮性能進行試驗，表明摻入適量纖維素纖維可顯著降低水泥砂漿早期干縮的變化速率，大大減少砂漿硬化后期的干縮值。文婧等[13,14]利用聚丙烯纖維和膨脹劑雙摻，同時摻入硅灰粉煤灰對砂漿力學性能和收縮開裂進行試驗研究，得出雙摻能夠提高砂漿強度和抗裂性。

筆者試驗研究不同摻量聚丙烯對砂漿的工作性能影響，以其折壓比作為評價指標得出聚丙烯纖維的最優摻量；然后添加適量膨脹劑配置聚丙烯補償收縮砂漿并測試其力學性能和變形性能，旨在為聚丙烯補償收縮砂漿在今后建筑工程中的應用提供試驗數據參考。

1 試驗材料與方案設計

1.1 試驗原材料

1)聚丙烯纖維。其物理力學性能如表1所示。

表1 聚丙烯纖維的物理力學參數

2)水泥。采用中聯牌普通硅酸鹽水泥P·O 42.5。

3)細集料。采用普通河砂，細度模數為2.3的中砂。

4)水。當地自來水。

5)外加劑。采用UEA高效低堿膨脹劑。

1.2 試驗配合比及試件制備

選取砂漿的基準配合比為水泥∶水∶砂的質量比1∶0.5∶2，試驗方案設計分成2部分，首先以聚丙烯纖維摻量為變量，采用摻量分別為 0、0.3、0.6、0.9、1.2、1.5kg/m3，制作砂漿抗壓和抗折強度試件，每組做3個，總共6組，共計36個試件。通過測試得出最佳纖維摻量配置補償收縮纖維砂漿，采用膨脹劑摻量為4%、6%、8%、10%，分別制作3個抗壓試件、3個抗折試件和3個變形測試試件，總共4組，共計36個試件。

聚丙烯纖維水泥砂漿的制作方法參考《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》(GB/T 1346-2001)，先將水泥、砂子放入攪拌機內攪拌90s，將聚丙烯纖維摻入其中攪拌90s，最后加水攪拌90s。將攪拌均勻的水泥砂漿注入砂漿三聯試件中制作3個尺寸為70.7mm ×70.7mm×70.7mm和40mm×40mm×160mm試件，根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081)的方法對水泥砂漿試件進行養護。

1.3 試件測試

圖1 砂漿試件抗壓和抗折試驗圖

砂漿試件成型后放置在溫度(20±1)℃，相對濕度為95%的恒溫恒濕養護箱中養護至實驗齡期，對于補償收縮砂漿前7d用濕布覆蓋，保持試件充分濕潤。采用微機控制電液伺服萬能實驗機WAW-1000進行砂漿抗壓強度試驗，加載速度控制在1.5kN/s。采用微機控制電子抗折試驗機YDW-10進行砂漿抗折試驗，采用BC-176型立式砂漿收縮儀測定補償收縮砂漿的變形，砂漿試件抗壓和抗折試驗加載如圖1所示。

2 試驗結果與討論

2.1 聚丙烯纖維摻量對砂漿沉入度的影響

圖2 不同纖維摻量的砂漿沉入度

不同聚丙烯纖維摻量的砂漿沉入度如圖2所示。由圖2可知，隨著聚丙烯纖維摻量的增大，砂漿的沉入度均呈現減小的趨勢。主要是聚丙烯纖維在砂漿中呈現三維雜亂分布，增加砂漿稠度儀下沉的阻力；另一方面，聚丙烯纖維具有一定的吸水率，隨著纖維摻量的增加，降低了水膠比，導致砂漿稠度的增加。

2.2 聚丙烯纖維摻量對砂漿力學性能及破壞特征分析

不同摻量聚丙烯纖維砂漿力學性能如表2所示。由表2可知，當養護齡期28d時，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，砂漿抗壓強度先減小再增大，然后又降低。當聚丙烯纖維摻量為 0.3kg/m3時，由于聚丙烯纖維過少，沒有形成纖維增強效應，與素砂漿相比，強度略有降低；當聚丙烯摻量為0.9kg/m3時，砂漿抗壓強度達到最大值45.3MPa；隨著纖維摻量的進一步增加，由于聚丙烯纖維結團，在砂漿內部形成過多的缺陷，造成砂漿抗壓強度逐漸降低。隨著聚丙烯纖維摻量的增加，砂漿抗折強度是先增大后減小，與抗壓強度變化規律基本一致。通過分析砂漿的折壓比可知聚丙烯纖維摻量為0.9kg/m3時，砂漿的折壓比最大，表明砂漿具有較好的柔性變形能力。

表2 不同摻量聚丙烯纖維砂漿力學性能

砂漿試件抗折破壞如圖3所示。由圖3可知，素砂漿試件抗折試驗時，試件直接從中間斷裂；摻入聚丙烯纖維后，抗折試件破壞裂縫較小，試件仍保持較好的完整性，呈現“裂而不斷”現象，表明聚丙烯纖維的摻入可以顯著提高砂漿的抗裂性能。

2.3 聚丙烯和膨脹劑對砂漿力學性能的影響

圖3 砂漿試件抗折破壞圖

圖4 不同膨脹劑摻量的砂漿強度

圖5 不同膨脹劑摻量的砂漿變形曲線

利用聚丙烯和膨脹劑可以配置防滲抗裂砂漿，筆者選擇聚丙烯摻量為0.9kg/m3，改變膨脹劑摻量(0、4%、6%、8%、10%和12%)來配制補償收縮聚丙烯砂漿，砂漿試件養護28d后進行強度試驗，分析該種多相復合材料對砂漿力學性能的影響。

不同膨脹劑摻量的砂漿抗壓和抗折強度結果如圖4所示。由圖4可知，隨著聚丙烯砂漿中膨脹劑摻量的增加，其抗折強度和抗壓強度均呈現先降低后增加再降低的趨勢。當膨脹劑摻量為8%時，其抗折強度和抗壓強度較基準砂漿分別提高了13.1%和4.2%，表明聚丙烯纖維的摻入在砂漿內部亂向分布起到了均勻的約束作用，能夠消耗一定摻量膨脹劑在砂漿內部的膨脹能，從而改善砂漿的內部結構。適量的聚丙烯纖維和膨脹劑復合使用，能夠相互取長補短，更好地發揮各自的優勢，達到了最佳復合效應。當膨脹劑摻量進一步增加時，砂漿強度又出現降低，主要是補償收縮砂漿試件在自由條件下，過多的膨脹能超過纖維的約束力，使得砂漿試件在膨脹能的作用下發生自由變形，導致砂漿內部產生缺陷，從而影響其力學性能。

2.4 聚丙烯和膨脹劑對砂漿的變形性能分析

采用BC-176型立式砂漿收縮儀，對不同膨脹劑摻量的聚丙烯補償收縮砂漿試件膨脹變形進行測試。

依據《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T702009)中砂漿收縮試驗，使用立式砂漿收縮儀對試件的變形值進行測定。砂漿在自然干燥狀態下試件收縮變形率為：

(1)

式中：εt為相應t天時砂漿試件自然干燥收縮變形率；L0為試件成型后7d的長度，mm；L為試件的長度，160mm；Lt為相應t天時試件的實測長度，mm。

不同膨脹劑摻量砂漿變形曲線如圖5所示。由圖5可知，膨脹劑摻量為0時，砂漿初期干燥收縮變形較大，主要是由于初期養護時砂漿水化反應大，水分損失快、內部的相對濕度下降迅速，從而降低了水泥的水化速率和水化程度，其收縮變形增大。摻入膨脹劑后，膨脹劑依靠自身的化學反應以及其與水泥中的其他成分發生化學反應，產生一定的微膨脹來補償砂漿的早期收縮。隨著膨脹劑摻量的不斷增加，聚丙烯補償收縮砂漿早期膨脹率逐漸增大，膨脹劑水化反應產生的微膨脹能夠有效地控制漿體的回縮率[2]，這是因為UEA型膨脹劑與水發生水化反應，水化產物鈣礬石和C-S-H凝膠正好有效填充砂漿原內部孔隙中，使砂漿產生微膨脹，更加密實緊致。此外由于聚丙烯纖維的摻入，在砂漿內部形成的亂向分布也對砂漿起到了一定的約束作用，當砂漿微膨脹達到一定程度時，聚丙烯纖維將會產生拉應力從而約束砂漿的膨脹變形，消耗砂漿內部多余的膨脹能，有效提高砂漿的抗變形能力。從圖5中曲線變化趨勢還可以看出，摻入膨脹劑后砂漿的膨脹變形主要在7～14d時自由變形率達到最大。膨脹劑摻量為10%，養護第14天時，砂漿的最大變形率達到7.25×10-4，隨后變形率逐漸降低，主要是因為膨脹劑在砂漿中產生膨脹能受到聚丙烯纖維的約束作用以及水泥漿體強度增長限制，使得砂漿變形逐漸減小，28d后逐漸趨于穩定狀態。

3 結論

1)聚丙烯纖維摻入后在砂漿內部呈現三維網狀形態，對砂漿拌合物流動性具有一定的增稠作用，隨著纖維摻量的增加，砂漿沉入度逐漸減小。

2)聚丙烯纖維摻入對砂漿抗壓強度影響不明顯，但對砂漿的抗折強度有明顯改善；當纖維摻量為0.9kg/m3，砂漿折壓比達到最大，表明此時聚丙烯纖維砂漿具有較好的柔性變形能力。

3)隨著膨脹劑摻量的增加，補償收縮聚丙烯砂漿抗壓強度和抗折強度呈現先降低、后增加、再降低的趨勢，綜合砂漿力學性能和變形性能試驗，得出聚丙烯摻量為0.9kg/m3和膨脹劑摻量為8%雙摻時，配置砂漿的各項性能指標達到最佳。