膨潤土和玄武巖纖維改性水泥砂漿的防滲抗裂性能

陳文瑤，張卓翔,2，孟二從，黎 強

(1.西南大學工程技術學院，重慶 400715；2.中建西部建設西南有限公司，成都 610000)

0 引 言

在經濟飛速發展的今天，人們對建筑材料性能的要求也在逐漸提高。功能多、性能強、綠色環保及經濟效益高的新型水泥基復合材料已成為工程中頗具前景、應用頗為廣泛的材料之一。水泥砂漿在水化過程中會發生體積收縮，致使材料開裂變形，防滲抗裂性能降低[1]。為解決水泥砂漿易開裂、滲漏的問題，在水泥砂漿中加入適量膨潤土和玄武巖纖維是解決該問題的有效措施。

膨潤土也叫斑脫石或皂土，我國從唐代開始就大量開發膨潤土[2]。膨潤土是一種非金屬礦產，主要礦物成分為蒙脫石，其吸附性、膨脹性和分散性等理化性質十分優異，可用于生產防水材料[3-4]。一些研究[5-6]表明，在砂漿或混凝土中添加膨潤土不僅可以改善其工作性能、填充孔隙、增強抗滲性能，而且使其強度高、耐久性能好、密封性強等。秦鴻根等[7]在砂漿中摻入適量膨潤土后，砂漿的稠度有所下降，抗壓強度、保水性提高，在某些方面，砂漿的表觀密度和熱傳導率得到了提高。肖佳等[8]在水泥基材料中加入膨潤土，提高了水泥基材料的抗低溫硫酸鹽侵蝕性能。Hu等[9]研究了膨潤土對水泥砂漿孔隙結構和滲透率的影響，發現膨潤土能細化水泥砂漿的孔隙結構，增強砂漿的抗滲性。侯娟等[10]通過COMSOL建立了模擬膨潤土中滲流的數值模型，研究了膨潤土顆粒膨脹過程對膨潤土襯墊抗滲性能的影響，研究結果表明，流體通過膨潤土粒間孔隙時，邊界通道的最大速度明顯小于非邊界通道速度。Anirudhan等[11]采用直接插層聚合技術制備了具有胺官能團的新型聚丙烯酰胺-膨潤土復合材料，膨潤土的添加使該材料吸附能力明顯增強。

膨潤土具有優異的吸水膨脹性[12]，可增強水泥基材料的防水性。隨著人們需求的增加，膨潤土改性水泥基材料在礦業、建筑、水利等領域的應用越來越廣泛[13]。玄武巖纖維是一種環保、高性能的新型無機纖維，它由二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、二氧化鈦等氧化物組成。玄武巖纖維具有較高的強度、耐腐蝕、耐高溫等特性[14]，故近些年來已將其應用于諸多方面，且玄武巖纖維良好的拉伸強度能有效降低水泥基材料裂縫的產生與發展[15]。Czigny[16]通過制備玄武巖纖維增強聚丙烯基混雜復合材料，發現玄武巖纖維的加入有利于復合材料性能的增強，證明了玄武巖纖維可以有效地應用于混雜復合材料中。丁亞紅等[17]通過摻入玄武巖纖維的方法，提高了再生混凝土的抗碳化性能。膨潤土和玄武巖纖維都具備優良的性能且二者的成本皆不高，二者相互作用后可以對材料起到積極作用[18-19]。

因此，研制一種既具有較好的工作性能與力學性能，又兼具防滲抗裂的水泥砂漿材料，能夠在一定程度上解決工程中出現的滲漏、開裂等問題。本試驗將膨潤土和玄武巖纖維添加至水泥砂漿中，研究了水泥砂漿的防滲和早期裂縫特性，并探討了膨潤土和玄武巖纖維對水泥砂漿防滲抗裂性能的影響機理。

1 實 驗

1.1 試驗材料

膠凝材料為P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，由四川鄰水紅獅水泥有限公司生產；膨潤土由石家莊燕新礦業有限責任公司生產，平均粒徑為10.01 μm，主要礦物成分為蒙脫石、方解石和石英等；玄武巖纖維由上海臣啟化工有限公司生產，直徑為12 mm，表面呈褐色；減水劑采用江蘇兆佳建材有限公司提供的聚羧酸高性能減水劑；細集料采用重慶地區的普通河砂，符合《建筑用砂》(GB/T 14684—2022)規范要求，過5 mm篩，烘干備用。水泥的物理性能見表1，主要原材料的化學成分見表2，膨潤土和水泥的物相組成如圖1所示。

表1 水泥的物理性能Table 1 Physical properties of cement

表2 原材料的化學組成Table 2 Chemical composition of raw materials

圖1 膨潤土和水泥的物相組成Fig.1 Phase composition of bentonite and cement

1.2 樣品制備與配合比設計

用電子天平對原材料進行稱量，將稱量好的水泥、河砂、膨潤土放入攪拌機中，低速攪拌30 s，然后將玄武巖纖維加入攪拌鍋中，高速攪拌60 s，再往攪拌鍋中加入2/3溶有減水劑的水，勻速攪拌60 s；最后往攪拌鍋中加入剩下1/3溶有減水劑的水，高速攪拌60 s后即制得本試驗所需的防滲抗裂水泥砂漿。將制備好的水泥砂漿拌合物倒入試模中，振搗、抹平后做好標記，將制備好的水泥砂漿靜置(24±2) h后拆模，編號，然后放入溫度為(20±2) ℃、相對濕度大于95%的標準恒溫養護箱內直至規定齡期。水泥砂漿配合比見表3。

表3 水泥砂漿的配合比Table 3 Mix proportion of cement mortar

1.3 抗滲性能試驗方法

參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70—2009)的相關規程進行抗滲性能試驗。水泥砂漿抗滲性能試驗使用的儀器：尺寸為70 mm×80 mm×30 mm的金屬圓錐體試模及砂漿滲透儀。將養護至齡期為28 d的試件四周進行密封處理，再將其裝入到砂漿滲透儀上，從0.2 MPa開始逐級加壓，恒壓2 h后再加到0.3 MPa，每間隔1小時后再升高0.1 MPa，當6個試件中第3個試件表面有水滲出時，停止測試，記錄此時的水壓力。若水從試件的周圍滲出，則表明未密封好，需對試件重新密封，然后再以同樣的方式重復試驗。

1.4 抗裂性能試驗方法及抗裂等級評價標準

參照《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS 13—2009)的相關規程進行抗裂性能試驗。水泥砂漿抗裂性能測試需要尺寸為600 mm×600 mm×20 mm的約束平面薄板，平板內四邊分別設有7根長度為100 mm的單排栓釘，栓釘與栓釘的間距為60 mm，該裝置示意圖與實物圖見圖2。將制備好的水泥砂漿拌合物倒入平板內進行澆筑，抹平，再用聚乙烯薄膜覆蓋水泥砂漿的表面2 h，待試件完全成型后取下薄膜，將風扇置于距離平板0.15 m處，并以(5±0.5) m/s的風速對試件表層吹風。風扇不間歇吹向試件表面24 h后觀測產生的裂紋。試件表面出現的裂紋應以肉眼可見的為準，其長度用鋼尺測量，最大寬度用讀數顯微鏡測取。本試驗主要采用裂縫降低系數法對膨潤土和玄武巖纖維改性水泥砂漿的早期開裂情況進行對比分析，抗裂等級評價標準見表4。裂縫降低系數計算公式為

(1)

(2)

式中：Wi,max為第i條裂縫的縫寬，mm；li為第i條裂縫的總長度，mm；Acr為裂縫總面積，mm2；Amcr為普通砂漿產生開裂的裂縫總面積，mm2；η為裂縫降低系數，%。

圖2 抗裂性能試驗裝置示意圖與實物圖Fig.2 Schematic diagram and physical drawing of crack resistance test device

表4 抗裂等級評價標準Table 4 Evaluation standard for crack resistance grade

1.5 微觀結構表征方法

試件達到28 d養護齡期后將其用抗壓機壓碎，取10 mm的薄片，用異丙醇溶液浸泡樣品使樣品終止水化，然后烘干至恒重。借助掃描電子顯微鏡(SEM)分析樣品微觀形貌，借助X射線粉晶衍射儀分析樣品物相成分，借助紅外光譜儀對樣品進行紅外光譜(FTIR)分析。

2 結果與討論

2.1 膨潤土和玄武巖纖維對水泥砂漿抗滲性能的影響

圖3 膨潤土和纖維摻量對水泥砂漿抗滲性能的影響Fig.3 Effect of bentonite and fiber content on impermeability of cement mortar

圖3表示了各組分膨潤土和玄武巖纖維對水泥砂漿抗滲性能的影響。由圖3可知，單摻膨潤土時，抗滲壓力值隨著膨潤土摻量的增加而增大。當膨潤土摻量從2%增至8%時，與對照組(未摻膨潤土和玄武巖纖維)相比，抗滲壓力值分別提高了9.26%、29.63%、53.70%、72.22%。混摻膨潤土和玄武巖纖維時，纖維摻量為0.2%、0.4%、0.6%的水泥砂漿抗滲性能都隨著膨潤土摻量的增多呈先增大后減小的趨勢，均在膨潤土摻量為4%時達到峰值；最大抗滲壓力值出現在膨潤土摻量為4%、纖維摻量為0.4%處，此時抗滲壓力值為0.87 MPa，與對照組相比，提高了61.11%，抗滲等級達到P8級。單摻玄武巖纖維時，抗滲壓力值隨著纖維摻量的增加呈先增大后減小的趨勢，在摻量為0.4%時達到峰值，此時抗滲壓力值為0.63 MPa，與對照組相比，提高了16.67%。由此可見，膨潤土和玄武巖纖維對水泥砂漿的抗滲性能均有較大的影響，但膨潤土的影響作用更顯著，且混摻膨潤土和玄武巖纖維時，二者摻量并非越多越有利，二者摻量過多反而會對水泥砂漿抗滲性能產生不利影響。這是由于：一方面，膨潤土自身有著較好的活性和分散性，水泥水化反應后，膨潤土在基體中均勻分布并在孔隙中充分填充，改善基體孔隙結構，使基體孔隙率降低；膨潤土用量越大，孔隙率越小。同時，一些未參與水泥水化反應的膨潤土顆粒在基體孔隙間交錯搭接排列，形成網狀結構的水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠類物質，在理化作用下，復合水泥砂漿結構變得更加密實，抗滲性能得以顯著提升。另一方面，膨潤土的膨脹性使其在遇到水分時會產生體積膨脹，并在一定程度上互相擠壓，形成一種薄膜狀膠體，阻隔水分子進入，從而起到防水作用。混摻膨潤土和玄武巖纖維的水泥砂漿抗滲性能可以得到更好的改善，但要將二者摻量控制在合理的范圍之內。纖維良好的抗拉性能使基體在受荷載狀態下也能對基體進行約束，阻止其變形、斷裂及發生錯位運動等；纖維的加入對水泥砂漿的抗滲性能有較好的提升作用。但過量的膨潤土、纖維對水泥砂漿的成形不利，使其分散不均勻，且內部空洞多，即便是膨潤土遇水膨脹，也難以完全填充這部分孔洞，從而導致抗滲性能下降。

2.2 膨潤土和玄武巖纖維對水泥砂漿抗裂性能的影響

圖4(a)～(d)分別表示了各組分膨潤土和玄武巖纖維對水泥砂漿單位面積的裂縫總面積、最大裂縫寬度、裂縫降低系數及單位面積裂縫數量的影響。

圖4 膨潤土和纖維摻量對水泥砂漿抗裂性能的影響Fig.4 Effect of bentonite and fiber content on crack resistance of cement mortar

由圖4可知，隨著膨潤土摻量的增加，水泥砂漿最大裂縫寬度都呈先減小后增大的趨勢，最小值均出現在4%膨潤土摻量時。在單摻雜玄武巖纖維的情況下，隨著纖維摻量的增加，水泥砂漿的最大裂縫寬度逐漸減小。從總體上看，混摻4%膨潤土和0.6%玄武巖纖維時，水泥砂漿的最大裂縫寬減小最多，與對照組相比減小了65.87%。水泥砂漿單位面積的裂縫總面積均隨著膨潤土摻量的增加呈先大幅減小后略有增大的趨勢，相比其他組分，纖維摻量在0.6%時水泥砂漿單位面積的裂縫總面積最小。單摻膨潤土時，裂縫降低系數均小于50%，抗裂效果不理想，此時裂縫降低系數最大值為35.84%，參照抗裂等級評價標準，屬于Ⅲ級抗裂。混摻膨潤土和玄武巖纖維時，裂縫降低系數隨著膨潤土摻量的增加呈先小幅增大后略微減小的趨勢，變化趨勢基本趨于平緩；各組分摻量裂縫降低系數的最大值出現在膨潤土摻量為4%、纖維摻量為0.6%時，此時抗裂效果最好，裂縫降低系數可達90.59%，參照抗裂等級評價標準，屬于Ⅰ級抗裂。單摻玄武巖纖維時，裂縫降低系數隨著纖維摻量的增加而增大，但此時的最大值與混摻4%膨潤土、0.6%纖維時相比，要低1.33個百分點。由此可見，混摻4%膨潤土和0.6%玄武巖纖維時，抗裂效果最顯著。水泥砂漿單位面積裂縫條數均隨著膨潤土摻量的增加大致呈先大幅減少后緩慢變化的趨勢，且混摻膨潤土和纖維時單位面積裂縫條數的情況優于單摻膨潤土，最小值出現在膨潤土摻量為6%、纖維摻量為0.6%時。單摻玄武巖纖維時，單位面積裂縫條數隨纖維摻量的增加而減少，最小值出現在0.6%纖維摻量時，但此時的最小值依舊高出混摻6%膨潤土、0.6%纖維時的值。由此可見，混摻膨潤土和玄武巖纖維時，抗裂效果優于單摻膨潤土或纖維。

綜上所述，混摻膨潤土和玄武巖纖維對抗裂性能的改善作用最突出，裂縫特征表現為“少、細、短”。這是由于：一方面，雖然少量膨潤土的膨脹作用不大，但是可以對水泥砂漿進行補償收縮，大量的膨潤土則會過度膨脹，導致抗裂性能下降；而纖維摻入后讓水泥砂漿內部形成三維亂象分布狀態，此時膨潤土和纖維協同作用，增強纖維與水泥砂漿之間的黏結性，有利于改善水泥砂漿的抗裂性能，纖維與裂縫處的照片如圖5所示。另一方面，摻入適量的膨潤土后提高了纖維與基體之間的黏結性，纖維在基體內部形成牢固的“纖維筋”結構，不僅提高基體開裂的應力水平，使水泥基體能夠承受更強的應力，抵抗水泥砂漿材料開裂時所產生的拉應力，同時將這部分應力傳遞給水泥砂漿中其他集料組分，阻礙集料的分層和離析，抑制水泥砂漿材料的干燥收縮。

圖5 纖維與裂縫處的照片Fig.5 Image between fiber and crack

2.3 膨潤土和玄武巖纖維對水泥砂漿影響的微觀機理分析

為了從微觀角度分析膨潤土和玄武巖纖維對水泥砂漿的影響，采用SEM、能譜分析和XRD物相分析以及紅外光譜分析等技術對水泥砂漿的微觀結構及水化產物進行探究。圖6為水泥砂漿的SEM照片，其中(a)、(b)是未摻膨潤土和玄武巖纖維的水泥砂漿的SEM照片，(c)、(d)是混摻膨潤土和玄武巖纖維的水泥砂漿的SEM照片；圖7為水泥砂漿的XRD譜；圖8為水泥砂漿的FTIR譜。由圖6～圖8可以看出：與不摻膨潤土和纖維的水泥砂漿相比，加入膨潤土和纖維的水泥砂漿的微觀結構中間隙、孔洞等明顯減少，且裂縫寬度也有所減小，纖維之間的交錯搭接排列對水泥砂漿孔隙有良好的填充作用，阻止材料內部裂縫的延伸，減少裂縫斷裂空間[20]；水泥水化反應后，膨潤土有效填充了水泥基體里的孔隙，孔隙率下降，結構更加密實，使裂縫產生和延展的速度變緩；膨潤土和水化產物分布于纖維上，提高了水泥砂漿的黏結性能，裂縫不僅被纖維的搭接作用所阻礙，纖維良好的抗拉性能也能使其對受荷載狀態下的基體進行約束，使混摻膨潤土和玄武巖纖維的水泥砂漿抗滲性能、抗裂性能都有效提高。加入膨潤土和纖維的水泥砂漿的成分主要有氫氧化鈣(CH)、水化硅酸鈣(C-S-H)、二氧化硅(SiO2)及少量的鈣礬石(AFt)和未完全水化的硅酸二鈣(C2S)、硅酸三鈣(C3S)等；二者混摻降低了CH的結晶度，促使了C-S-H凝膠的生成，說明膨潤土和玄武巖纖維的加入有利于水化反應，也有利于水泥砂漿性能的增強。

圖6 混摻膨潤土和玄武巖纖維前后水泥砂漿的SEM照片Fig.6 SEM images of cement mortar before and after mixing bentonite and basalt fiber

圖7為水泥砂漿養護28 d的XRD譜，從圖7中可以看出,混摻膨潤土和玄武巖纖維的水泥砂漿與對照組水泥砂漿的水化產物相同，產物主要為C-S-H、CH、AFt和未完全反應的C3S、SiO2、CaCO3等晶體[21]。在2θ=18.03°、34.07°、47.50°位置處探察到屬于CH對應的特征峰，2θ=9.08°處為AFt對應的特征峰，未完全參與反應的C3S、SiO2、CaCO3對應的主要特征峰分別位于2θ=31.19°、26.59°、23.04°處。加入膨潤土和玄武巖纖維后水泥砂漿的XRD譜中無新的衍射峰出現，僅是晶體的衍射峰強度發生了變化，即水泥砂漿的水化產物種類并沒有因為添加膨潤土和玄武巖纖維而發生改變；且隨著膨潤土、玄武巖纖維的加入，C3S衍射峰強度逐漸降低，相對含量減少，CH在18.03°和34.07°位置的衍射峰及AFt的衍射峰強度降低，相對含量減少，說明膨潤土和玄武巖纖維的摻入是有利于水化反應的。

圖7 單摻4%膨潤土和混摻4%膨潤土、 0.4%玄武巖纖維后水泥砂漿的XRD譜Fig.7 XRD patterns of cement mortar with 4% bentonite and mixing 4% bentonite, 0.4% basalt fiber

圖8 單摻4%膨潤土和混摻4%膨潤土、 0.4%玄武巖纖維后水泥砂漿的FTIR譜Fig.8 FTIR spectra of cement mortar with 4% bentonite and mixing 4% bentonite， 0.4% basalt fiber

3 結 論

1)單摻膨潤土、單摻玄武巖纖維及二者混摻對水泥砂漿抗滲性能都有影響，但單摻膨潤土時的影響作用更顯著。單摻膨潤土時，抗滲壓力值隨著膨潤土摻量的增加而增大，摻8%膨潤土時，抗滲壓力值最大，與對照組相比提高了72.22%。混摻膨潤土和玄武巖纖維時，抗滲性能均在膨潤土摻量為4%時達到峰值；最大抗滲壓力值出現在膨潤土摻量為4%、玄武巖纖維摻量為0.4%時，此時抗滲壓力值為0.87 MPa，與對照組相比提高了61.11%，抗滲等級達到P8級。

2)混摻膨潤土和玄武巖纖維、單摻膨潤土以及單摻玄武巖纖維三種方式中，混摻對水泥砂漿抗裂性能的改善作用最理想，裂縫特征表現為“少、細、短”。膨潤土摻量為4%、玄武巖纖維摻量為0.6%時，抗裂效果最好，裂縫降低系數可達90.59%，屬于Ⅰ級抗裂。

3)由SEM、XRD及FTIR分析可知，混摻膨潤土和玄武巖纖維的水泥砂漿裂縫、孔洞等明顯減少，孔洞、孔隙等被有效填充，密實度增加，延緩了水泥砂漿材料裂縫的產生和發展。裂縫和孔洞被纖維連接，當受到外部荷載時，可以起到分散、轉移荷載的作用。一些未參與水泥水化反應的膨潤土顆粒在基體孔隙間交錯搭接排列，CH含量明顯減少，C-S-H凝膠含量增多，有效改善了水泥砂漿的抗滲性能和抗裂性能。添加膨潤土和玄武巖纖維后水泥砂漿的水化產物種類并未發生改變，但對水化產物晶體的結構及含量產生了影響。