呂　峰,錢俊懿,劉　定,湯邵青

(武漢輕工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430023)

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劍麻纖維增強水泥砂漿試驗性能研究

呂峰,錢俊懿,劉定,湯邵青

(武漢輕工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430023)

摘要：通過設置對比試驗組，主要對比分析了不同長度及摻量下的劍麻纖維對普通水泥砂漿的流動度值、抗折強度及抗?jié)B性能的影響，并深入研究了其作用機理。試驗結(jié)果表明：劍麻纖維的長度與摻入量對普通水泥砂漿的物理性能有顯著影響，摻量為4.5 kg/m3且長度為10 mm的劍麻纖維能使水泥砂漿具有更好的流動度，28 d劍麻纖維水泥砂漿的抗折強度提高了29.5%,抗?jié)B性能提高了45.9%，可滿足實際工程的需要。

關(guān)鍵詞：劍麻纖維；水泥砂漿；抗折強度；抗?jié)B性能

1引言

長期以來，水泥砂漿具有許多良好的性能而被廣泛使用在建筑中，成為使用最廣的建筑材料之一，但它也存在著許多缺點，如抗折強度低、抗沖擊性和抗?jié)B性差、易開裂等[1]。近年來，很多研究者對其進行了深入研究，同濟大學王培民與劉恩貴采用SAE乳膠粉對水泥砂漿的減水性、引氣性、保水性、力學強度等物理性能的影響進行了研究，史巍與張雄等研究了橡膠粉對水泥砂漿的隔聲功能的影響，孫振平與葉丹玫等則研究了聚合物改性水泥砂漿含氣量對力學性能的影響。纖維增強水泥砂漿因具有一系列優(yōu)越的力學性能而受到廣泛關(guān)注，胡海濤采用短切芳綸纖維、趙玉宵采用玄武巖纖維、徐松林采用鋼纖維等來水泥砂漿以改善其物理性能，并取得了許多研究成果。劍麻纖維是一種綠色植物纖維，具有質(zhì)地堅硬、抗拉強度高、耐腐蝕等眾多優(yōu)點[2]，有著廣泛的應用前景，但目前采用劍麻纖維作為改性材料來改善水泥砂漿的物理性能的研究還較少。故本文將嘗試通過采用不同長度的劍麻纖維及改變其摻入量來研究其對普通水泥砂漿的力學性能的影響，以獲得最佳摻量與最佳長度時具有良好的流動度、抗折強度與抗?jié)B性能，滿足實際工程的需要，為劍麻纖維水泥砂漿的研究與應用提供指導。

2材料與方法

2.1　試驗原材料

為了獲得劍麻纖維長度與摻量兩個變量對水泥砂漿性能的影響，本次試驗須保證其他試驗材料及試驗條件相同，以排除其它因素的干擾，以下選擇的試驗原材料均符合水泥砂漿試驗規(guī)程的相關(guān)要求：

(1)水：采用飲用清潔水,水中不得含有不溶性雜質(zhì)，pH值需控制在6—8 左右。

(2)水泥：采用湖北黃石市生產(chǎn)的華新堡壘牌P.O.42.5普通硅酸鹽水泥,其化學成分如表1所示。

表1　水泥的化學成分　/%

(3)細集料：采用廈門艾思歐標準砂有限公司根據(jù)GB/T17671-1999 idtSO679:1989生產(chǎn)的ISO標準砂。其技術(shù)指標如表2所示。

表2　ISO標準砂技術(shù)指標

(4)劍麻纖維：采用廣西劍麻集團生產(chǎn)的劍麻纖維，由于劍麻纖維是天然纖維，劍麻的直徑有大有小，其特征參數(shù)如表3所示。本次試驗采用8±1 mm長的劍麻纖維，將劍麻纖維放入1%濃度的NaOH的溶液中浸泡處理30±1 min后，再進行清洗晾干,以消除劍麻纖維重的雜質(zhì)對試驗的干擾。

表3　劍麻纖維技術(shù)指標

(5)減水劑：試驗采用TH-W5高效減水劑，主要以β-磺酸甲醛縮合物為主，復合多種輔助材料，其性能符合國家標準GB 8076—1997高效減水劑一等品指標。

2.2　流動度測定試驗方法

流動度是衡量砂漿和易性的重要指標，而砂漿和易性直接影響了其拌合物是否便于施工，并保證質(zhì)量均勻的綜合性質(zhì)，故良好的流動度是砂漿獲得良好性能的前提。

按GB/T 2419-2005《水泥膠砂流動度測定方法》測定砂漿的流動度。采用浙江產(chǎn)NLD-3型水泥膠砂流動度測定儀來測定劍麻纖維水泥砂漿的流動度，跳桌頻率設定為每秒一次，在25±1 s內(nèi)完成25次跳動[3]。

2.3　抗折強度測定試驗方法

試件采用40 mm×40 mm×160 mm棱柱體三聯(lián)模制備，試件成型后用PE膜覆蓋以防止水分蒸發(fā)，并將試模置于(20±3)℃下標準養(yǎng)護(24±2)h后拆模，拆模后立即放入溫度為(20±2)℃的水中分別養(yǎng)護至3 d、7 d及28 d進行抗折強度試驗[3]。

2.4　抗?jié)B性能試驗方法

根據(jù)文獻[4]中的試驗方法,將拌合物裝入尺寸為Φ60×Φ80×30的試模中，用金屬棒插搗以趕出試模內(nèi)部氣泡，待充分插搗后刮出多余砂漿，抹平表面，養(yǎng)護成型。待養(yǎng)護1 d后，將成型試件放進溫度20±2 ℃，相對濕度95%的標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d。將密封好的試件安裝在抗?jié)B儀上，記錄試驗開始的時間，后將水壓加到1.2 MPa，并保持試驗在此恒壓下壓足24 h。然后降壓，從套模中取出試件。若在恒壓過程中，有試件端面出現(xiàn)滲水，則記錄此出水時間并停止對該試件加壓，該試件的滲水高度即為試件的高度；對沒有出現(xiàn)滲水現(xiàn)象的試件，將試件放在壓力機上，沿縱截面將試件劈成兩半，待看清水痕后(約2—3 nin)，用筆標出水痕，即為滲水輪廓，沿底邊劃十等分，量出各等分點處的滲水高度，取各等分點滲水高度的平均值作為該試件的滲水高度；表面滲水的試件，其滲透高度即為試件本身高度。以l組6個試件測試值的平均值作為試驗結(jié)果。

3結(jié)果與分析

3.1　劍麻纖維最佳摻量試驗

本類試驗中控制劍麻纖維長度與膠砂比值保持不變，改變劍麻纖維的摻量，以獲得具有較好流動度及抗折強度的劍麻纖維最佳摻量。采用的劍麻長度均為8 mm。為研究劍麻纖維對水泥砂漿性能的影響，設置一組不加劍麻纖維的普通砂漿試驗組作為基準對比組。

3.1.1流動度測定試驗

在攪拌試驗過程中，發(fā)現(xiàn)加入劍麻纖維的水泥砂漿的泌水現(xiàn)象有不同表現(xiàn)，當劍麻纖維摻量大于4.5 kg/m3時，劍麻纖維水泥砂漿幾乎不發(fā)生泌水現(xiàn)象。劍麻纖維水泥砂漿的流動度測定結(jié)果如表4所示。

表4　流動度檢測結(jié)果　/mm

可以看出，隨著劍麻纖維摻量由小增大，劍麻砂漿的流動度值出現(xiàn)先下降后增大，且各區(qū)間變化幅度各有不同。表明：適量的劍麻纖維可對水泥砂漿流動度產(chǎn)生積極作用，為使劍麻砂漿獲得較好的流動度可使用適量的劍麻纖維。因為在按照等質(zhì)量比以劍麻纖維取代砂的情況下，劍麻纖維具有更大的體積比和表面積比，且劍麻纖維自身的腔體結(jié)構(gòu)使其的單位質(zhì)量吸水能力較砂要大，所以在摻量為1.5 kg/m3及3.0 kg/m3時，均能大幅度降低砂漿的流動度。當摻量為6.0kg/m3時，由于劍麻纖維量過大，吸收水分過多，網(wǎng)狀分布過于密集，使得集料單位面積的水泥膠覆蓋率過小，拌合物流動性過差。而在摻量為4.5 kg/m3時，由于劍麻纖維摻入砂漿后，雖進一步減少了水泥砂漿的表面析水，同時劍麻纖維在砂漿中的網(wǎng)狀分布也有效地阻止了流動性，獲得了較為理想的流動度。

3.1.2抗折強度測定試驗

圖1　不同纖維摻量下的水泥砂漿抗折試驗

劍麻纖維水泥砂漿抗折強度檢測結(jié)果如下圖1所示。從圖1中可明顯看到，劍麻纖維可有效提高水泥砂漿的抗折強度，在3個齡期內(nèi)，不同劍麻摻量下的水泥砂漿有不同程度的影響。劍麻摻量為1.5kg/m3時，抗折強度提高最多時期出現(xiàn)在7d-28d；摻量為3kg/m3時，3d至7d期間抗折強度增幅最大；而摻量為4.5 kg/m3時，3齡期均具有較良好的抗折強度，3—7d強度也有較大提高。對比普通水泥砂漿抗折強度，劍麻纖維水泥砂漿隨著劍麻摻量在一定范圍內(nèi)(0—4.5 kg/m3)的增加，3個齡期內(nèi)水泥砂漿的抗折強度均有提高。本次試驗中，28 d劍麻摻量為4.5 kg/m3試驗組獲得最大抗折強度，比基準組抗折強度提高25.2%。這是由于劍麻纖維在水泥砂漿中以任意形式分布在三維空間內(nèi)，劍麻纖維中纖維素纖維表面的大量羥基可以與水泥水化產(chǎn)物中的大量羥基基團發(fā)生化學作用而形成氫鍵提高了抗折性能[5]。同時，纖維素纖維能夠有效的提供諸如粘著強度和抗拉強度等關(guān)鍵性質(zhì)所需的平衡從而增強了水泥砂漿的抗折性能。而對于摻量為6 kg/m3試驗組,3個齡期的抗折強服均大大低于普通水泥砂漿，且抗折強度值很小。這是由于過多的劍麻纖維使得水泥膠不能充分包裹纖維表面與集料表面，黏結(jié)不充分，并且大量的劍麻纖維不能均勻分開分布于空間砂漿內(nèi)，在攪拌時容易成團，降低了砂漿內(nèi)部密實度，降低了材料的連續(xù)性，增大了內(nèi)部缺陷，從而降低了砂漿的抗折強度。

3.1.3抗?jié)B性能實驗

不同摻量的劍麻纖維下的，28 d劍麻纖維水泥砂漿抗?jié)B性能的滲入高度測定值如表5所示。

表5　滲入高度　/mm

從上表5可知道，隨著劍麻摻量的增加，水泥砂漿的抗?jié)B性能不斷提高，但提高幅度越來越緩，當繼續(xù)增加劍麻摻量時，水泥砂漿的滲入高度不降反增。說明適量的劍麻纖維可有效改善水泥砂漿的滲入高度，提高水泥砂漿的抗?jié)B性能，為使水泥砂漿獲得較好的抗?jié)B性能應摻入適量的劍麻纖維。本次試驗中，28 d劍麻纖維為4.5 kg/m3的水泥砂漿的抗?jié)B性能提高了40%。這是因為水泥砂漿內(nèi)部孔隙率、孔分布和孔特征是影響水泥砂漿抗?jié)B性的主要因素，而適量的劍麻纖維以任意形式分布在砂漿內(nèi)部三維空間內(nèi)，形成的多向支撐體系能減少砂漿的泌水，降低砂漿中的孔隙率，并減少砂漿的塑性收縮裂縫，而能大幅度提高砂漿的抗?jié)B性。同時，劍麻纖維能有效地降低砂漿中的毛細孔隙率，避免了連通毛細孔的形成，提高了水泥砂漿的抗?jié)B性。當劍麻纖維過量時，纖維不能均勻分布于內(nèi)部，結(jié)團現(xiàn)象嚴重，不僅沒能降低砂漿中的孔隙率，反而由于水泥膠包裹黏結(jié)不充分而使得內(nèi)部缺陷增大，毛細孔隙率增大，抗?jié)B性能表弱。

3.2　劍麻纖維最佳長度試驗

類同以上試驗，本類試驗中控制劍麻纖維摻量與膠砂比值保持不變，僅僅改變劍麻纖維的長度，以獲得具有較好流動度、抗折強度及抗?jié)B性能的劍麻纖維最佳長度。以上面試驗結(jié)果為試驗基礎，即劍麻纖維的摻量選為4.5 kg/m3，采用的劍麻長度分別為0 mm、5 mm、10 mm、15 mm及20 mm。

3.2.1流動度測定試驗

本試驗中不同長度的劍麻纖維下的水泥砂漿的流動度測定結(jié)果如表6所示。

表6　流動度檢測結(jié)果　/mm

從上表6可以發(fā)現(xiàn)，隨著劍麻纖維長度的增長，砂漿的流動度逐漸減小，當長度大于一定值時，劍麻砂漿的流動度出現(xiàn)急劇減小而不符合實驗的要求。表明：適當長度的劍麻纖維能有效減小水泥砂漿拌合物的流動性，為獲得較好的流動度，可選擇適當長度的劍麻纖維。這是由于較短的劍麻纖維，無法形成有效的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，反而在拌合物集料間充當了一定的潤滑作用，減小了集料間的黏結(jié)作用和摩阻力，增大了水泥砂漿的流動度；當劍麻纖維增長時，劍麻纖維形成了一定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，阻止了水泥砂漿的流，降低了砂漿的流動度；當劍麻纖維長度過長時，纖維自身會發(fā)生一定程度的卷曲，相互纏繞而使得分散不均，流動度測定時，不僅阻止了集料的流動，自身也不能有效流動，從而大大降低了砂漿的流動度。

3.2.2抗折強度測定試驗

3個齡期的劍麻纖維水泥砂漿抗折強度檢測結(jié)果如圖2所示。

圖2　不同纖維長度下的水泥砂漿抗折試驗

從圖2可以看出，隨著劍麻纖維長度的增長，3個齡期的劍麻纖維水泥砂漿的抗折強度普遍呈先提高后降低趨勢。表明：劍麻纖維的長度影響砂漿的抗折強度，適當長度的纖維能較大的提高砂漿的抗折強度。本試驗中，當劍麻纖維長度為10 mm時，可使得砂漿的28 d抗折強度提高29.5%。這是因為劍麻纖維較短時，劍麻纖維與材料界面的有效接觸面積較小，黏結(jié)強度較小，容易出現(xiàn)滑移而被拔出；隨著纖維長度的增長，有效接觸面積增大，而由纖維素纖維與水泥水化產(chǎn)物物理硬化作用產(chǎn)生的黏結(jié)力進一步增大，在砂漿基體間形成的有效作用增大，分擔了一部分拉力，從而提高了砂漿的抗折強度；當劍麻長度過大時，由于纖維自身產(chǎn)生的卷曲及成團現(xiàn)象，使得砂漿中的劍麻纖維無法有效的發(fā)揮抗拉作用，甚至由于增大了局部缺陷反而降低了砂漿的抗折強度。

3.3.3抗?jié)B性能試驗

在不同長度的劍麻纖維下，28d的劍麻纖維水泥砂漿試件的滲入高度測定結(jié)果如表7所示。

表7　滲入高度　/mm

由上表7可知，隨著劍麻纖維長度的增加，砂漿滲入高度先降低后升高，當劍麻纖維長度為10 mm時，砂漿的滲入高度值達到最小，抗?jié)B性能達到最佳。這表明：適當長度的劍麻纖維對砂漿的抗?jié)B性能有一定的改善作用，為獲得較好的抗?jié)B性能，可以在普通砂漿中加入適當長度的劍麻纖維。本次試驗中，長度為10 mm的劍麻纖維有效降低了砂漿的滲入高度達45.9%。這是因為長度不大于10 mm時，隨著纖維長度的增加，纖維能更有效地填充砂漿內(nèi)

部的空隙，減少了砂漿內(nèi)部空隙的數(shù)量和大小，增加了砂漿基體的密實性，提高了砂漿的抗?jié)B性能；當劍麻纖維長度超過10mm時，由于一部分劍麻纖維自身會發(fā)生一定程度的卷曲，分布不均勻而出現(xiàn)結(jié)團現(xiàn)象，且隨著纖維長度的增加，這種卷曲及不均勻結(jié)團現(xiàn)象越嚴重，導致砂漿基體局部孔隙率增多，內(nèi)部缺陷增大，從而導致砂漿密實度降低，降低了砂漿的抗?jié)B性能。

4結(jié)論

通過設置對比試驗研究，表明劍麻纖維的長度與摻量對水泥砂漿的流動度、抗折強度及抗?jié)B性能等物理性能有不同程度的影響，主要結(jié)論如下。

(1)劍麻纖維的摻量對砂漿的性能有較大的影響，適量的劍麻纖維可改善水泥砂漿的流動度、提高抗折強度及抗?jié)B性能。當劍麻纖維長度為8 mm，摻量為4.5 kg/m3時，28 d砂漿的抗折強度比普通砂漿提高了25.2%，抗?jié)B性能提高了40%；

(2)劍麻纖維的長度也影響了砂漿的綜合性能，保持纖維最佳摻量不變時，適當?shù)膭β槔w維長度也能有效提高砂漿的抗折強度及抗?jié)B性能。當劍麻纖維的長度為10 mm時，28 d砂漿的抗折強度比普通砂漿提高了29.5%，抗?jié)B性能提高了45.9%。

本試驗研究結(jié)果表明劍麻纖維水泥砂漿明顯提高了普通水泥砂漿的抗折強度與抗?jié)B性能，可滿足工程應用的需要，具有一定的借鑒作用。

參考文獻：

[1]田穎, 趙帥, 李國忠. 芳綸纖維改性水泥砂漿的性能研究[J]. 江蘇建材, 2008(1)：16-18.

[2]李國忠, 田穎, 趙帥. 芳綸纖維砂漿的抗折強度與抗塑性收縮開裂[J]. 建筑材料學報, 2009,12(1)：93-95.

[3]GB/T 2419-2005,水泥膠砂流動度測定方法[S].

[4]尹明千. 聚丙烯纖維對砂漿抗?jié)B性能的影響[J]. 建筑技術(shù), 2011,42(6)：549-551.

[5]覃峰, 黃瓊念, 包惠明，等. 劍麻纖維水泥混凝土性能試驗研究[J]. 新型建筑材料, 2008, 35(4)：47-50.

Research on test property and mechanism of sisal fiber reinforced cement mortar

LVFeng,QIANJun-yi,LIUDing，TANGShao-qing

(School of Civil Engineering and Architecture Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China)

Abstract：By setting the contrast test of the sisal fiber cement concrete and ordinary cement mortar with different length and content of sisal fibers, main analysis was made on the influence of fluidity, flexural strength and permeability resistance, and further study on its mechanism. The test showed that its length and content could make remarkable effect on the physical properties of ordinary cement mortar. When its dosage was 4.5 kg/m3and length was 10 mm, sisal fiber cement concrete has had a better fluidity than cement mortar, and 28d’s flexural strength increased by 29.5%, permeability resistance increased by 45.9%, meeting the need of practical engineering.

Key words：sisal fiber; cement mortar; flexural strength; permeability resistance

DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2015.02.026 10.3969/j.issn.2095-7386.2015.02.025

文章編號：2095-7386(2015)02-0116-06 2095-7386(2015)02-0112-04

基金項目：湖北省教育廳人文社科研究項目(14Y035)；武漢輕工大學研究生教育創(chuàng)新計劃項目(2014cx009). 國家軟科學研究項目(2012GXS4B056)”;國家糧食行業(yè)公益性項目(201413002-2).

通信作者：張葵(1966-)，女，教授，E-mail:k.ZHANGwhpu.edu.cn. 祁華清(1965-)，男，博士，教授，E-mail:qihuaqing@sohu.com.

作者簡介：孫正正(1990-)，男，碩士研究生，E-mail:whpusuzz@163.com. 王倩(1987-)，女，碩士研究生，E-mail:wqlv317@126.com.

收稿日期：2015-01-27. 2015-01-27.

中圖分類號：TU 528.58

文獻標識碼：A