不同摻量及長(zhǎng)度聚丙烯纖維砂漿早期性能分析

李康一,蘭巖松,楊 雪,宋 楊,孫劍飛

(黑龍江大學(xué) a.建筑工程學(xué)院;b.水利電力學(xué)院,哈爾濱 150086)

0 引 言

相對(duì)于普通砂漿,纖維摻量砂漿的力學(xué)性能更優(yōu),主要原因是水泥與細(xì)骨料之間的膠結(jié)作用。本文將聚丙烯材料作為本次試驗(yàn)的增強(qiáng)材料,聚丙烯纖維具有強(qiáng)度好、易分散、經(jīng)濟(jì)效益好等特點(diǎn),在新能源產(chǎn)業(yè)和環(huán)保方面有著優(yōu)秀的發(fā)展前景[1]。本文對(duì)4種長(zhǎng)度、摻量的聚丙烯纖維砂漿進(jìn)行研究,分析其抗壓、抗折性能上的提升,從而得出最優(yōu)纖維摻量,研究成果可為解決類似工程問題提供相應(yīng)的理論依據(jù)與技術(shù)引導(dǎo)。

1 材料與相關(guān)數(shù)據(jù)

1.1 試驗(yàn)材料與性能

水泥:采用天鵝牌 P·O 42.5復(fù)合硅酸鹽水泥,其性能指標(biāo)見表1[2]。

表1 水泥的力學(xué)性能指標(biāo)

砂:采用砂為試驗(yàn)砂,其細(xì)度模數(shù)2.4,表觀密度2 648kg/m3。

摻合料:為20%粉煤灰,粉煤灰為黑龍江雙達(dá)電力設(shè)備有限公司的I級(jí)灰,其化學(xué)成分見文獻(xiàn)[3]。

聚丙烯纖維:產(chǎn)地為湖南長(zhǎng)沙,為100%純聚丙烯材質(zhì),纖維類型為束狀單絲,具體指標(biāo)見表2。

表2 聚丙烯纖維技術(shù)指標(biāo)

減水劑:黑龍江低溫科學(xué)研究所生產(chǎn),減水率0.25[4]。

水:使用的水為學(xué)院自來水。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)使用水膠比0.38、膠砂比1.5的配合比,聚丙烯纖維摻量使用絕對(duì)體積法,研究4種不同長(zhǎng)度(3、6、9、15mm)、4種不同摻量(0.1%、0.2%、0.3%、0.4%)的聚丙烯纖維,試驗(yàn)有固定20%粉煤灰占膠凝材料比值。

1.3 試件制備

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《行星式水泥砂漿攪拌機(jī)》(JC/T 681-2005)[5],攪拌機(jī)應(yīng)預(yù)先攪拌細(xì)骨料與聚丙烯纖維120s,使纖維與細(xì)骨料攪拌混合均勻[6],避免纖維在水泥基材料中成團(tuán),影響試驗(yàn)結(jié)果,然后再加水?dāng)嚢琛Ｊ紫壬皾{經(jīng)攪拌機(jī)攪拌完成,然后用砂漿標(biāo)準(zhǔn)試件的模具制作標(biāo)準(zhǔn)試件,并使用振動(dòng)臺(tái)對(duì)其進(jìn)行震動(dòng),達(dá)到密實(shí)效果,最后將試件制作完成后,放置在20±5℃的環(huán)境中24h。等待脫模完成后,根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2019)[7](濕度為95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。本文進(jìn)行17組試驗(yàn),每組有3個(gè)平行試件,分別養(yǎng)護(hù)3和7d。達(dá)到試驗(yàn)齡期后,參照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70-2009)[8]及《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3420-2020)[9]進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試,數(shù)據(jù)嚴(yán)格使用3塊砂漿試塊的抗壓與抗折強(qiáng)度指標(biāo)的平均值,減小誤差。

2 結(jié)果分析

2.1 抗壓試驗(yàn)結(jié)果分析

在不同纖維長(zhǎng)度伴隨遞增纖維體積摻量的情況下,10組水泥砂漿的齡期為3和7d的抗壓強(qiáng)度變化反應(yīng)折線圖見圖1和圖2。由圖1、圖2可知,對(duì)于3d齡期,4種長(zhǎng)度的聚丙烯纖維在體積摻量為0.1%、0.2%、0.3%時(shí),試件的抗壓強(qiáng)度會(huì)因纖維摻量的增加而提升,并且隨著纖維長(zhǎng)度的增加抗壓強(qiáng)度也在提升,超過9mm時(shí)便開始下降。整體上呈先上升后下降趨勢(shì),4種纖維長(zhǎng)度摻量的砂漿均在0.2%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高,分別較對(duì)照組提升15.4%、17.6%、18.4.0%、13.8%。對(duì)于7d齡期,3、6、9mm這3種纖維摻量的水泥砂漿抗壓強(qiáng)度先提升后下降,且都在0.2%時(shí)達(dá)到最高,分別較空白組提升9.2%、9.7%、11.0%。15mm纖維摻量在0.1%摻量時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大,較對(duì)照組提升7.3%。

圖1 聚丙烯纖維摻量對(duì)砂漿3d抗壓強(qiáng)度的影響

3d齡期的抗壓強(qiáng)度與7d齡期的抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)相似,主要原因是纖維在水泥基中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出正混雜效應(yīng)[10],很大程度上阻止了裂縫的延伸,從而提高了復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度[11]。但過量的纖維與太長(zhǎng)的纖維在水泥砂漿中會(huì)形成團(tuán)狀結(jié)構(gòu)[12],不利于展現(xiàn)出抗拉能力。因此,對(duì)于本試驗(yàn)3d齡期與7d齡期的水泥砂漿,0.2%的聚丙烯纖維體積摻量能發(fā)揮最優(yōu)作用,而4種纖維長(zhǎng)度中9mm的聚丙烯纖維長(zhǎng)度為最好。

2.2 抗折試驗(yàn)結(jié)果分析

齡期分別為3與7d、4種不同長(zhǎng)度的聚丙烯纖維在體積摻量的變化曲線圖見圖3、圖4。由圖3、圖4的強(qiáng)度數(shù)值可知,齡期7d較齡期3d有明顯提升;隨著纖維體積摻量的增加,齡期3d與齡期7d的兩組數(shù)值變化是不相同的。齡期3d的曲線有兩個(gè)峰值,但數(shù)值變化不明顯,呈先上升后下降再上升的趨勢(shì),總體上還是呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。對(duì)于7d齡期,當(dāng)聚丙烯纖維的體積摻量增加為0.2%時(shí),4種水泥砂漿的抗折強(qiáng)度發(fā)生了不同的變化,3與6mm纖維長(zhǎng)度的抗折強(qiáng)度在緩慢上升,9與15mm纖維長(zhǎng)度的抗折強(qiáng)度在0.2%與0.3%摻量之間有些許的下降,但4種長(zhǎng)度均在0.4%達(dá)到抗折強(qiáng)度最大。齡期3d較對(duì)照組提升了5.5%、9.9%、13.2%、12.1%;齡期7d較對(duì)照組提升了28.6%、26.5%、25.6%、21.4%。因此,對(duì)于本試驗(yàn)水泥砂漿的抗折強(qiáng)度最佳纖維摻量為0.4%。

圖3 聚丙烯纖維摻量對(duì)砂漿3d抗折強(qiáng)度影響

圖4 聚丙烯纖維摻量對(duì)砂漿7d抗折強(qiáng)度影響

3 結(jié) 論

利用4種不同長(zhǎng)度和4種不同摻量的聚丙烯纖維,制備16組水泥砂漿試件,再做一組對(duì)照組試驗(yàn),通過對(duì)比得到以下相關(guān)結(jié)論:

1)聚丙烯纖維的摻入會(huì)有效增加水泥砂漿試塊的力學(xué)性能,主要是因?yàn)槔w維在水泥砂漿中呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),有效展現(xiàn)了纖維的拉伸能力,進(jìn)而減小砂漿的開裂范圍,增加強(qiáng)度。

2)根據(jù)試驗(yàn)中抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)顯示,共7組齡期在3和7d的水泥砂漿試塊大部分均在纖維含量為0.2%時(shí),水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大,1組齡期7d的聚丙烯纖維長(zhǎng)度在15mm的抗壓強(qiáng)度在摻量為0.1%時(shí)達(dá)到峰值,較空白組均有明顯的強(qiáng)度提升。

3)根據(jù)齡期為3和7d的8組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與一組空白組進(jìn)行對(duì)照發(fā)現(xiàn),4種不同長(zhǎng)度的聚丙烯纖維摻量在0.4%時(shí)均達(dá)到抗折強(qiáng)度最優(yōu),且強(qiáng)度提升較抗壓更為明顯,齡期7d的強(qiáng)度提升了28.6%、26.5%、25.6%、21.4%。

綜上所述,針對(duì)纖維的摻量與長(zhǎng)度問題,并不是摻量越多越好,纖維越長(zhǎng)越好,而是存在最優(yōu)摻量與最優(yōu)長(zhǎng)度。