新型砂漿防火抗裂特性研究

陳婷萍 李翠紅 陳 薇 榮欣妍 夏 晨 吳心慧 宋運龍

Equipment technology 裝備技術

新型砂漿防火抗裂特性研究

陳婷萍 李翠紅 陳 薇 榮欣妍 夏 晨 吳心慧 宋運龍

（紹興文理學院土木工程學院，浙江 紹興 312000）

在水泥砂漿中摻加一定量的聚丙烯纖維，將制備完成的纖維改性水泥砂漿（新型水泥砂漿）試樣同普通水泥砂漿試樣在常溫下養護至7d、28d后，經歷高溫2小時分別對其進行軸壓試驗與抗折試驗，對試驗數據進行分析，綜合評判新型水泥砂漿的防火抗裂性能。研究結果表明：在高溫作用下，新型水泥砂漿的抗裂性能因其內部摻加的聚丙烯作用而表現出明顯的改善與提高。

聚丙烯纖維；軸壓試驗；高溫；抗裂性能

0 引言

水泥復合型材料由于其價格低廉、能耗低和易塑造等優點廣受建材市場青睞。塑性收縮是水泥砂漿成型后的早期特性之一，在受到約束時會形成內部或表面裂縫,抗塑性開裂性能差、抗拉強度低，在高溫環境下應用時往往會產生較為明顯的破壞，進而影響建筑結構的整體穩定和使用壽命。因此對高溫環境下水泥砂漿的性能改善研究十分必要。

早在上個世紀中葉，國內外就已經有學者開始了在水泥砂漿中摻加高強度、高柔韌性材料以彌補其性能缺陷的試驗，并且相關研究已經獲得了一些成績。1893年在歐洲，由特里諾瓦首先申請飾面新型水泥砂漿的生產專利，新型水泥砂漿這一名詞由此出現。圓環法最早于 1942 年由 Roy W.Carlson 提出，用以研究砂漿和水泥凈漿的抗裂性，從此被廣泛采用[1]。

通過對國內外關于新型水泥砂漿的研究現狀的了解，我們發現針對新型砂漿的力學性能已經有著大量的研究，其中表明了聚合物的摻入，可以有效改善砂漿拌和物的粘聚性、保水性，減小了砂漿的開裂[2~4]，比如憎水劑的摻入能夠有效減少砂漿的壓折比和毛細管吸水率[5]，即在新型水泥砂漿的摻加物對其性能的影響及一些特殊狀態下水泥砂漿的性能有著深入研究。這些研究表明了工程應用的新型水泥砂漿具有較優越的抗裂性能，能承受相當長時間段的荷載和侵蝕作用，力學性能通常能滿足常規工程需要[6]，但對特殊情況即高溫環境下新型砂漿防火抗裂性能的研究尚不完善，本文基于此進行了探討研究，通過對高溫環境下新型水泥砂漿防火抗裂性能的試驗研究來模擬混凝土建筑、地鐵站結構物等表層水泥砂漿在高溫火災作用下的力學特性，評估其在火災后是否需要更換或重建，以減少經濟損失和安全隱患。

1 試驗概況

2 原材料

1)水泥。采用PO水泥 42.5普通硅酸鹽水泥，其性能列于表1。

2)聚丙烯纖維。其物理力學性能列于表2。

3)砂。優質河砂，細度模數為2.5的中砂。

4)水。拌合水為普通自來水。

表1 聚丙烯纖維的物理力學性能

3 試樣制備

設置對比實驗組，主要考慮聚丙烯纖維摻量和環境溫度兩個變量，砂漿配合比，水泥：砂：水為1：7.25：1.27，分別設定養護齡期為 7d、28d；試驗總共分為8組，每組制備6個水泥砂漿試樣，并根據標準火災升溫曲線選定最終溫度為800℃，具體實驗分8組。

4 試驗方法

本課題擬研究的主要問題是考察纖維改性水泥砂漿（新型水泥砂漿）試樣在高溫環境下防火抗裂性能的優越性。

試驗室將標準養護室中養護7d、28d的試件放入溫度為20±3℃左右的水中浸泡48h，之后取出試件擦干并稱重。將編號為2、4、6、8的試件放入STYH-80型智能養護室控制儀中，溫度上調至300℃，500℃，最后升至800℃左右，2小時取出進行冷卻，待試樣冷卻至室溫，對試樣的表面進行觀察。最后將高溫作用后的試件與其他試件同時進行力學測試。利用 STYE-300C水泥全自動抗折抗壓試驗機分別進行軸壓試驗與抗折試驗，直至試件破壞。記錄各組試件對應的開裂荷載和開裂應變、破壞荷載和破壞應變，按照加權平均法，計算出每組試件的平均抗壓強度值，并根據記錄數據畫出單軸壓縮應力-應變曲線。記錄水泥砂漿試塊的抗壓、抗折強度數據時應精確至0.1MPa。對比普通水泥砂漿和纖維改性水泥砂漿(新型水泥砂漿)兩類試樣的應力-應變曲線，對新型水泥砂漿的防火抗裂性能進行綜合評判。

5 試驗結果與分析

6 試樣高溫作用前后表觀特征

經歷高溫作用后，普通水泥砂漿和纖維改性水泥砂漿試樣普遍表現出如下的表觀特征變化。

表4 無摻加水泥砂漿試樣高溫作用前后表觀特征

具體的水泥試樣破壞形態則因為聚丙烯纖維的摻加而有所不同。試驗中觀察到普通水泥砂漿試件發生了脆性破壞，形成了橫貫試件的裂縫，導致試件斷成兩截。纖維改性水泥砂漿試件被破壞時，產生一條沒有貫穿整體的裂縫,基體在纖維的作用下仍保持為一個整體，纖維改性水泥砂漿在試驗中表現出一定的韌性。

7 新型水泥砂漿的抗壓、抗折強度

根據平行試驗的數據處理方法，對每組力學測試得到的5個數據進行有效性取舍，再使用加權平均法處理。試驗得到的各組別水泥砂漿的抗壓、抗折強度數據見下圖2。

圖2中，不同養護齡期的水泥砂漿試件，其單軸抗壓強度都呈現出隨著溫度升高而降低的總體趨勢，因為在20-800℃的升溫過程中,試件內部組分發生了熱膨脹,有利于生成孔隙和促進裂縫發生，而在不同溫度作用下，水泥砂漿試件呈現出不一致的反應，在300℃~500℃的溫度區間上，試件的抗壓強度發生大幅度地降低，是由于試塊內部裂縫的不斷形成與相互連通，由細小裂縫向宏觀裂縫發展，導致水泥砂漿試塊抗壓性能的較大衰減。圖中可以看出養護齡期較長的水泥砂漿試塊，其抗壓性能也相應較優越。在由常溫至預設的800℃過程中，相同齡期下，摻加了聚丙烯纖維的水泥砂漿的抗壓強度普遍高于普通水泥砂漿的抗壓強度，因此可以得出纖維改性水泥砂漿較普通水泥砂漿在抗壓強度上具有明顯的優越性。

圖1 各組別水泥砂漿的抗壓、抗折強度

圖2 水泥砂漿的抗折強度——溫度曲線圖

圖3是水泥砂漿的抗折強度——溫度曲線圖，從該圖總體趨勢上來看，各組別試件的抗折強度曲線都是向下傾斜的，表現出水泥砂漿試塊的抗折性能隨著溫度上升明顯衰減，至預設的最高溫度800℃時抗折強度已接近于0,此時的水泥砂漿試塊表面呈灰白色，已有明顯裂縫產生且冷卻后自然松散，已喪失基本的力學性能，不可以作為建筑材料繼續使用。在整個升溫過程中，以7d齡期的普通水泥砂漿試件為例（比對不同組別的實驗數據，其抗折強度變化總體趨勢是-致的），其抗折強度在300℃~500℃的區間上下降67.2%，表現出與抗壓強度相比，抗折強度對裂紋發生的反應更大；而500℃~800℃范圍內，抗折強度下降幅度則較小。同時圖3中表現了新型水泥砂漿試塊的抗折強度數值較普通水泥砂漿顯著提高，體現出其優越性。

8 結論

1）隨著受火溫度升高，試件表觀特征有明顯變化，其表面顏色由灰色逐漸過渡成灰白色(偏白），同時開始出現裂紋，到達預設溫度800℃時，試件表面有明顯裂紋，并且試件的疏松程度不斷增加。

2）在升溫的全過程中，水泥砂漿的抗壓與抗折強度隨溫度上升而明顯降低。且在800℃的高溫作用后，高齡期的水泥砂漿試件抗壓、抗折性能發生了大幅度的衰減，強度變化量較大，較普通水泥砂漿更容易發生內部的結構破壞。

3）同一溫度下，新型水泥砂漿（聚丙烯改性水泥砂漿），其抗壓強度因纖維的加入而有明顯的提高，同時其抗折強度也較普通水泥砂漿有所增加，且纖維的加入對于試塊的抗折強度的提高作用相對值高于抗壓強度。

4）在試件應力－應變曲線接近峰值應力時，試件即將發生破壞。水泥砂漿試件發生破壞前應力-應變曲線的變化規律可為評估混凝土建筑、地鐵站結構物等在高溫火災作用后其是否需要更換或重建提供參考。

[1]W. Dong,X.M. Zhou,Z.M. Wu,H. Luo,G. Kastiukas. Quantifying the influence of elliptical ring geometry on the degree of restraint in a ring test[J]. Computers and Structures,2017.

[2]S.Goldfein.Fibrous reinforcement for Portland cement [J].Modern Plastics.1965,42(8):156-160.

[3]R.F.Zollo. Collated fibrillated polypropylene fibers in FRC[J]. Fiber reinforcedConcrete International Symposium. ACI Special Publication. 1984:397-409.

[4]田雪瑩,張亞寧,趙乾百,于曉莎.談三種纖維應用于抗裂砂漿的性能差異[J].山西建筑,2018,44(24):78-79.

[5]陳曉業. 憎水劑對水泥砂漿力學性能和吸水性能的影響[A]. 第二屆全國商品砂漿學術交流會論文集[C].中國硅酸鹽學會房材分會、中國硅酸鹽學會水泥分會、中國建筑學會建筑材料分會、中國建筑業協會材料分會:中國硅酸鹽學會,2007:7.

[6]王來貴,陳強,潘紀偉,張陽,劉雨琳.聚丙烯纖維增強水泥砂漿力學性能試驗研究[J].硅酸鹽通報,2017,36(03):870-877.

陳婷萍（1999.02- ），女，漢族，浙江省紹興市，大學本科，紹興文理學院本科學習，研究方向：土木工程新型材料。

K928

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1007-6344（2021）01-0055-02