黃洪財(cái)，桂苗苗，王培新，徐仁崇，陳超

（廈門市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，廈門 福建 361100）

潮濕環(huán)境下短聚丙烯纖維對(duì)高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿性能的影響研究

黃洪財(cái)，桂苗苗，王培新，徐仁崇，陳超

（廈門市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，廈門 福建 361100）

本文研究了潮濕環(huán)境下 3mm、6mm 短聚丙烯纖維對(duì)高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿的工作性能及物理力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：在摻量 0.60% 的范圍內(nèi)，高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿拌合物的稠度會(huì)隨著短聚丙烯纖維摻量的增大而減少，但稠度減小的幅度總體上相對(duì)較小。在潮濕的水養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，隨著 3mm 短聚丙烯纖維摻量的增加，高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿的 7d 抗折強(qiáng)度會(huì)慢慢減小，而 28d 抗折強(qiáng)度則呈現(xiàn)出波動(dòng)的變化、組分間相差相對(duì)較小；7d 抗壓強(qiáng)度會(huì)先增大而后減小，而 28d 的抗壓強(qiáng)度則會(huì)減小。6mm 短聚丙烯纖維的加入會(huì)提高高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿的 28d 抗壓強(qiáng)度。隨著 3mm 短聚丙烯纖維摻量的增加，高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿 28d 壓折比會(huì)急劇降低，柔韌性會(huì)顯著提高，而 6mm 短聚丙烯纖維的加入則會(huì)增加高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿壓折比。

短聚丙烯纖維；高強(qiáng)；修補(bǔ)砂漿；潮濕環(huán)境

修補(bǔ)砂漿的開裂是影響砂漿修補(bǔ)效果的主要因素之一，實(shí)踐證明纖維的摻入有利于減少混凝土及砂漿裂縫的產(chǎn)生，提高混凝土及砂漿的抗裂性能，特別是對(duì)早期收縮裂縫的產(chǎn)生具有很好的預(yù)防效果[1-3]。大壩、船閘、港口、橋墩等在潮濕環(huán)境下對(duì)服役工程的修復(fù)，修補(bǔ)砂漿的應(yīng)用環(huán)境更加惡劣，對(duì)砂漿抗裂性能的要求也更高，通常通過在修補(bǔ)砂漿中加入抗裂纖維來提高修補(bǔ)砂漿的抗裂性能，以滿足相應(yīng)的使用要求[4-5]。本文通過研究潮濕環(huán)境下，3mm、6mm 短聚丙烯纖維的摻入對(duì)高強(qiáng)聚合物修補(bǔ)砂漿的工作性能及物理力學(xué)性能的影響，探索其相應(yīng)的影響規(guī)律。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

（1）水泥：福建潤豐水泥廠生產(chǎn)的 P·O42.5 水泥，其物理性能指標(biāo)見表 1。

表 1 水泥的物理力學(xué)性能

（2）粉煤灰：漳州市后石電廠生產(chǎn)的 Ⅱ 級(jí)粉煤灰，細(xì)度 14.8%，需水量比 97%，燒失量 1.91%。

（3）礦粉：S95 級(jí)礦渣粉，比表面積 410m2/kg，流動(dòng)度比 100%。

（4）無機(jī)填料：增加密實(shí)、減少收縮的作用，福建省大田縣奮發(fā)環(huán)保材料有限公司提供，粒徑 ＜0.16mm。

（5）河砂：廈門海城商貿(mào)有限公司生產(chǎn)，粒徑＜2.5mm。

（6）減水劑：巴斯夫聚羧酸系粉劑。

（7）增粘劑：6021E型聚合物乳膠粉，北京天維寶辰化學(xué)產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)。

（8）保水劑：羥丙基甲基纖維素醚（HPMC），北京天維寶辰化學(xué)產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)。

（9）短纖維：短聚丙烯纖維，Ⅰ型長度為 3mm，Ⅱ 型為 3mm 長度規(guī)格、6mm 長度規(guī)格按 1:1 比例混合的纖維。

1.2 試驗(yàn)方法

在固定膠凝材料（水泥、粉煤灰、礦粉、無機(jī)填料）、水膠比、集料用量以及增粘劑、減水劑、保水劑不變的情況下，摻入 3mm、6mm 長的短聚丙烯纖維，通過調(diào)整短聚丙烯纖維的長度和摻量來研究不同種類、摻量的短聚丙烯纖維對(duì)高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿的稠度、抗壓抗折強(qiáng)度、壓折比等性能的影響，具體配合比見表 2。試驗(yàn)時(shí)，先將聚丙烯纖維和膠凝材料、集料、粉狀外加劑混合，預(yù)攪拌 30s，后再加水，按 JG/T 289—2010《混凝土結(jié)構(gòu)加固用聚合物砂漿》中的要求拌和后，按 JGJ 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》中砂漿稠度的測(cè)試方法進(jìn)行拌合物稠度測(cè)試，后制作40mm×40mm×160mm 的抗壓、抗折強(qiáng)度試件，脫模后持續(xù)在 (20±2)℃ 的不流動(dòng)水中養(yǎng)護(hù),模擬相應(yīng)的潮濕使用環(huán)境，至齡期后，測(cè)試相應(yīng)的 7d、28d 抗壓、抗折強(qiáng)度。

表 2 短聚丙烯纖維對(duì)高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿性能影響的試驗(yàn)配合比

2 結(jié)果和討論

表 3 為表 2 中不同種類、摻量短聚丙烯纖維高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿配比組分的稠度，7d、28d 抗壓、抗折強(qiáng)度，壓折比的試驗(yàn)結(jié)果。

表 3 短聚丙烯纖維對(duì)高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿性能影響的試驗(yàn)結(jié)果

2.1 短聚丙烯纖維對(duì)高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿稠度的影響

圖 1 為表 2 中幾種不同摻量、種類的短聚丙烯纖維對(duì)高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿拌合物稠度的影響圖。

圖 1 短纖維對(duì)高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿稠度的影響圖

由圖 1 可以看出，在其他條件不變的情況下，隨著短聚丙烯纖維摻量的增加，高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿拌合物的稠度總體呈現(xiàn)著緩慢減小的趨勢(shì)。說明了短聚丙烯纖維摻量對(duì)高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿拌合物的稠度有一定的影響，隨著短聚丙烯纖維量的增加，高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿拌合物會(huì)變稠。

同時(shí)，由表 3 中的稠度數(shù)據(jù)可知，隨著短聚丙烯纖維摻量的增加，1#～5# 配比高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿拌合物稠度減少的幅度總體上不是很大，從短纖維摻量為 0.07% 的 1# 配比的112mm，減小到 Ⅱ 型 0.60% 摻量的 6# 配比的 105mm，說明了在 0.60% 的摻量范圍內(nèi)，3mm、6mm 短聚丙烯纖維對(duì)高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿拌合物稠度減少的幅度總體上相對(duì)較小。

2.2 短聚丙烯纖維對(duì)高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿抗壓、抗折性能的影響

圖 2、圖 3 為表 2 中幾種不同摻量、種類的短聚丙烯纖維對(duì)高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿的 7d、28d 抗壓、抗折強(qiáng)度的影響圖；圖 4為表 2 中幾種不同摻量、種類的短聚丙烯纖維對(duì)高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿的 7d、28d 壓折比的影響圖。

圖 2 短纖維對(duì) 7d、28d 抗折強(qiáng)度的影響圖

圖 3 短纖維對(duì) 7d、28d 抗壓強(qiáng)度的影響圖

圖 4 短纖維對(duì) 7d、28d 壓折比的影響圖

由表 3、圖 2 可知，在使用Ⅰ型 3mm 短聚丙烯纖維的1#～4# 配比中，在潮濕的養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，隨著 3mm 短纖維摻量的增加，高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿的 7d 的抗折強(qiáng)度會(huì)慢慢減小，而28d 抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)出波動(dòng)的變化、組分間相差相對(duì)較??；而多摻了 0.30% 的 6mm 短纖維的 5# 配比組分的 7d、28d 抗折強(qiáng)度與 3# 配比組分相比，相差不大；總體上看，在 1#～5# 配比組分中，短聚丙烯纖維對(duì)高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿 7d 抗折強(qiáng)度的影響比28d 抗折強(qiáng)度的大。

由表 3、圖 3 可知，在使用Ⅰ型 3mm 短聚丙烯纖維的1#～4# 配比中，在潮濕的養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，隨著 3mm 短纖維摻量的增加，高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿的 7d 抗壓強(qiáng)度會(huì)先增大而后減小，而 28d 抗壓強(qiáng)度則會(huì)減??；而多摻了 0.30% 的 6mm 短纖維的5# 配比組分的 7d 抗壓強(qiáng)度同 3# 配比組分的相近，28d 抗壓強(qiáng)度則增加較多；總體上看，在 1#～5# 配比組分中，短聚丙烯纖維對(duì)高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿 28d 抗壓強(qiáng)度的影響比 7d 抗壓強(qiáng)度的大。

由表 3、圖 4 可知，在使用Ⅰ型 3mm 的短聚丙烯纖維的1#～4# 配比中，隨著短聚丙烯纖維摻量的增加，其 7d 的壓折比先增大而后減小，總體上 7d 壓折比間的差值相對(duì)較小，而28d 的壓折比則急劇的降低；而多摻了 0.30% 的 6mm 短纖維的 5# 配比組分同 3# 配比組分的 7d 壓折比相近，28d 壓折比則有所增加。說明了在高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿中使用 3mm 的短聚丙烯纖維，在 0.45% 的摻量范圍內(nèi)，高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿后期的柔韌性會(huì)隨著聚丙烯纖維的摻量的增加而增強(qiáng)，而 3mm、6mm 短聚丙烯纖維混摻對(duì)高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿的柔韌性則并非一定具有增強(qiáng)作用。

2.3 機(jī)理分析

由纖維的阻裂理論——復(fù)合材料力學(xué)理論和纖維間距理論可知，纖維在砂漿中的效應(yīng)主要有增強(qiáng)效應(yīng)和空間效應(yīng)，二者相互作用從而提高了砂漿的抗裂能力[6]。聚丙烯纖維加入到高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿配比中，加水拌合后，纖維在拌合物中呈現(xiàn)著三維亂向分布，容易形成空間立體結(jié)構(gòu)，從而阻止了拌和物的沉降、降低了拌合物的流動(dòng)性，從而降低了高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿拌合物的稠度；同時(shí)，因聚丙烯纖維具有較大的表面積，加入到高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿中拌合后，需要大量的水泥漿體包裹，而導(dǎo)致水泥漿體的含量相對(duì)減少，纖維摻量越高，消耗的水泥漿體就相應(yīng)的越多，從而也使拌合物稠度變稠[7]。3mm、6mm 長的短聚丙烯纖維，其相應(yīng)的空間立體效應(yīng)相比長纖維較小，所以其對(duì)高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿拌合物稠度降低的總體幅度相對(duì)較小。

高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿配比組分中所使用的膠凝材料量較大，集料的顆粒較小，砂漿配比總體級(jí)配相對(duì)較好，水化后期試件密實(shí)度高、孔隙率相對(duì)較少。聚丙烯纖維的加入，會(huì)消耗大量的水泥漿體，使膠凝作用的材料含量相對(duì)減少，從而降低了膠凝材料對(duì)集料的包裹作用；同時(shí)，3mm 短聚丙烯纖維的加入，在水化后期密實(shí)度相對(duì)較好的高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿中，其所形成的空間立體支撐作用相對(duì)較小，而在高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿試件中所形成的界面和孔隙則相應(yīng)的有了極大的增多[8-9]。所以隨著 3mm 聚丙烯纖維摻量的增加，高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿的 28d 抗壓強(qiáng)度會(huì)急劇的降低。而同時(shí)，短聚丙烯纖維摻量的提高，對(duì)水化后期高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿受彎、抗折過程中裂縫的加強(qiáng)作用則較為顯著，抵消了自身在修補(bǔ)砂漿中所消耗的漿體、增加了界面的負(fù)作用，所以使高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿 28d 抗折強(qiáng)度的變化相對(duì)較小。

高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿中，隨著 3mm 丙烯纖維摻量的增加，其對(duì)高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿 28d 抗折強(qiáng)度的影響相對(duì)較小，而抗壓強(qiáng)度的降低則相對(duì)較大，使高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿的壓折比隨摻量的增加而降低，從而增強(qiáng)了高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿的柔韌性。

3 結(jié)論

（1）在短聚丙烯纖維摻量為 0.60% 的范圍內(nèi)，高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿拌合物的稠度隨著短聚丙烯纖維摻量的增大而減少，但稠度減小的幅度總體上相對(duì)較小。

（2）在潮濕的水養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，隨著 3mm 短聚丙烯纖維摻量的增加，高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿的 7d 抗折強(qiáng)度會(huì)慢慢的減小，而28d 的抗折強(qiáng)度則呈現(xiàn)出波動(dòng)的變化、組分間相差相對(duì)較??；7d 抗壓強(qiáng)度會(huì)先增大而后減小，而 28d 抗壓強(qiáng)度則會(huì)減?。?mm 短聚丙烯纖維的加入會(huì)提高高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿 28d 抗壓強(qiáng)度。

（3）潮濕的水養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，隨著 3mm 短聚丙烯纖維摻量的增加，高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿 28d 壓折比會(huì)急劇的降低，柔韌性會(huì)顯著的增強(qiáng)，而 6mm 短聚丙烯纖維的加入則會(huì)增加高強(qiáng)修補(bǔ)砂漿的壓折比。

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黃洪財(cái)（1978—），男，碩士，工程師，建筑材料與工程專業(yè)，主要從事建筑材料的研究與測(cè)試工作。