不同纖維對砂漿粘結強度的影響研究

摘" 要：摻加纖維是一種常用的混凝土增強方法。本文選取鋼纖維和三種有機纖維（聚丙烯纖維、聚乙烯纖維和聚乙烯醇纖維）摻加到砂漿中，探究不同纖維對砂漿粘結強度的影響規律。結果表明：鋼纖維對砂漿粘結強度的貢獻最大，平均值為3.11MPa；有機纖維改善砂漿的粘結強度基本一致，在2.4MPa左右；鋼纖維的均勻分布和鑲嵌效應，增強了新舊砂漿界面的機械咬合力和摩擦阻力；有機纖維屬性柔軟，對界面力傳遞有限，限制了粘結強度的提升。

關鍵詞：纖維；粘結強度；微觀結構；表面屬性文章編號：2095-4085（2024）11-0158-02

*通訊作者：趙偉

0" 引言

水泥基材料在服役期間，會出現結構破損等病害，在原結構的基礎上進行加固修補是最常用的技術措施［1］。發展纖維改性砂漿是改善砂漿高質量的重要途徑。纖維均勻分布于砂漿體系中，通過橋接作用來限制裂縫的發展，從而提高其抗拉、抗折和抗沖擊強度等性能，在修補加固領域起著至關重要的作用［2］。

近年來，各種不同的纖維用于改善水泥基材料的性能。鋼纖維的摻量、取向、形狀以及尺寸等因素均可以影響混凝土的韌性和抗拉強度［3］。常見的有機合成纖維主要有聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維和聚乙烯纖維等，此類彈性模量較低，不受水化產物的侵蝕，可三維亂向分布于混凝土基體中，被經常用于提升混凝土的峰前抗裂和峰后延性［4］。目前，雖然各種不同的纖維用于改善水泥基材料的力學強度、流變性能和耐久性，但纖維對砂漿新舊界面粘結強度的影響規律研究較少。

本文采用四種不同的纖維用于改善砂漿新舊界面的粘結強度，進而利用掃描電鏡探究了其微觀影響機理。本文研究內容為纖維改性水泥基材料的進一步發展與應用奠定了基礎。

1" 試驗部分

1.1" 原材料

本文所用水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，28d抗壓強度46.8MPa，山東山水集團有限公司生產；石英砂為水洗烘干石英砂，20-40目及40-80目，臨沂鑫鑫石英砂有限公司生產；聚羧酸高性能減水劑，減水率26%，固含量為25%，江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產；鍍銅微絲鋼纖維（0.22mm×13mm）、聚丙烯纖維（PP纖維）、聚乙烯纖維（PE纖維）、聚乙烯醇纖維（PVA纖維），由贛州大業金屬制品有限公司生產。

1.2" 試驗方法及測試

將稱好的水泥（450g）、石英砂（1350g）加入攪拌機中，干混3min，然后加入減水劑（膠凝材料的1.5%）和水（225g）進行充分攪拌，纖維的摻量為砂漿體積的2%。粘結強度的試塊制備及測試按照（JGJ/T70-2016）《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》中砂漿拉伸粘結強度試驗方法進行。新舊砂漿界面的表面微觀結構通過掃描電鏡進行觀察。

2" 結果與分析

2.1" 不同纖維對砂漿粘結強度的影響規律

摻加不同種類纖維砂漿粘結強度的試驗結果見表1，砂漿粘結強度的平均值見圖1。由圖1可知，鋼纖維和有機纖維對砂漿粘結強度性能有不同的影響。摻加鋼纖維的砂漿試塊拉伸粘結強度最大，均高于3MPa，平均值為3.11MPa。PP纖維、PE纖維、PVA纖維對提高新舊混凝土的拉伸粘結強度作用基本一致，平均值分別為2.39MPa、2.48MPa和2.44MPa，均低于2.5MPa。鋼纖維對砂漿粘結強度的增強程度比PP纖維提高了30%，提升效果最為顯著。此外，對比三種有機纖維的增強作用可知，摻加PE纖維和PVA纖維的砂漿粘結強度高于PP纖維，這主要是由于PE和PVA纖維的親水性造成的。PE和PVA纖維相比PP纖維親水性更強，與水泥砂漿混合時，與水化產物呈現出更大的握裹力，因此其粘結強度更高。

2.2" 不同纖維影響砂漿粘結強度的機理分析

選擇典型的鋼纖維和PP纖維對砂漿試塊的斷面進行分析，結果如圖2所示。從圖2中可知，PP纖維質地柔軟剛度較差，與水泥漿體間存在一定的物理吸附作用，但主要依靠化學結合力粘結在一起。當新舊砂漿出現微裂縫時，由于PP纖維本身的柔軟屬性，其對新舊界面的力傳遞作用有限，導致粘結強度偏低。鋼纖維剛性好，不易彎折，其末端可以嵌入砂漿表面，相互搭接，為新舊砂漿界面提供更強的機械咬合力和摩擦阻力，宏觀表現為粘結強度顯著提升。此外，鋼纖維表面粗糙，與水泥漿體接觸后，能增大接觸面積，提高摩擦力，有利于纖維與基體間的粘結。鋼纖維在水泥硬化過程中會形成微小的銹蝕產物，這些產物能在纖維表面形成一層附著力較強的薄膜，進一步增強鋼纖維與水泥漿體的粘結，所以鋼纖維摻雜的砂漿粘結強度更高［5］。

為了進一步分析鋼纖維和PP纖維兩種不同纖維增強砂漿的微觀結構，采用掃描電鏡觀察了砂漿基體的微觀形貌，如圖3所示。由圖可知，鋼纖維呈現單根分布，與水化產物牢固結合在一起，且四周水化產物密實，無明顯的缺陷和孔洞。此外，鋼纖維的摻加有效減小了砂漿的收縮率，降低了收縮應力，有利于粘結強度提升。PP纖維相互纏繞在一起，呈現多根聚攏現象。此外，PP纖維周圍水化產物稀松，存在明顯的孔洞，這也是造成粘結強度低于鋼纖維的微觀原因之一。

3" 結論

（1）鋼纖維增強砂漿的拉伸粘結強度最大，平均值為3.11MPa。PP纖維、PE纖維和PVA纖維摻雜砂漿的粘結強度基本一致，平均值分別為2.39MPa、2.48MPa和2.44MPa。

（2）有機纖維在水泥基體中呈現團狀分布，且屬性柔軟，對開裂的新舊砂漿界面力傳遞作用有限，導致粘結強度偏低。鋼纖維單向分布在水泥基體中，四周密實，且末端可以嵌入砂漿表面，相互搭接，為新舊砂漿界面提供更強的機械咬合力和摩擦阻力，所以鋼纖維摻雜的砂漿粘結強度更高。

參考文獻：

［1］王勇.公路橋梁裂縫成因及修補加固技術分析［J］.交通世界，2023（27）：112-114.

［2］卜娜蕊，劉睿，趙慧斌，等.超高性能纖維混凝土在路橋加固施工中的應用［J］.居業，2023（10）：71-73.

［3］劉同軍，張沖，徐篤軍，等.基于磁場定向鋼纖維的高性能混凝土性能研究［J］.硅酸鹽通報，2024：1-11.

［4］Zhao C，Wang Z，Zhu Z，et al.Research on different types of fiber reinforced concrete in recent years：An overview［J］.Construction and Building Materials，2023.

［5］王照耀.基于纖維拔出機理的鋼纖維混凝土梁力學性能研究［D］.天津大學，2022.