唐建明，李劍，石磊

（重慶建工第二建設(shè)有限公司，重慶400045）

改性聚丙烯纖維增強(qiáng)磷酸鎂水泥砂漿的力學(xué)性能研究

唐建明，李劍，石磊

（重慶建工第二建設(shè)有限公司，重慶400045）

增強(qiáng)磷酸鎂水泥砂漿（MPCM）的抗彎韌性有利于促進(jìn)其在混凝土路面修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用。為了增強(qiáng)MPCM的抗彎韌性，對(duì)比研究了未處理和硅烷偶聯(lián)劑預(yù)處理的聚丙烯纖維對(duì)MPCM抗彎韌性的影響，分析了預(yù)處理聚丙烯纖維增韌MPCM的機(jī)制。結(jié)果表明，聚丙烯纖維質(zhì)量摻量0.4%時(shí)，MPCM7d抗折強(qiáng)度增大23.5%；6-10mm聚丙烯纖維有利于提高M(jìn)PCM的抗壓強(qiáng)度，而10-19mm聚丙烯纖維更有利于提高M(jìn)PCM的抗折強(qiáng)度；未處理聚丙烯纖維與磷酸鎂水泥（MPC）水化產(chǎn)物之間為物理作用，聚丙烯纖維并未充分發(fā)揮增韌效果；用濃度20%的硅烷偶聯(lián)劑溶液改性處理30～60min有利于改善聚丙烯纖維與MPC水化產(chǎn)物的界面粘結(jié)，使MPC水化產(chǎn)物和預(yù)處理后的聚丙烯纖維產(chǎn)生嵌合作用，顯著地增強(qiáng)了MPCM的抗彎韌性。

磷酸鎂水泥砂漿（MPCM）；聚丙烯纖維；抗彎韌性；力學(xué)性能；表面改性

磷酸鎂水泥砂漿（MPCM）具有凝結(jié)硬化快、早期強(qiáng)度高、體積穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在混凝土路面病害快速修復(fù)和混凝土結(jié)構(gòu)加固等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-4]。但是MPCM具有明顯脆性[5-6]，抗彎韌性較差，制約了MPCM在混凝土路面病害快速修復(fù)中的應(yīng)用。因此，研究人員通過(guò)摻加聚合物乳液或纖維改善MPCM的抗彎韌性。

聚合物乳液可以改善MPCM的抗彎韌性，但是會(huì)導(dǎo)致MPCM各齡期力學(xué)性能和工作性能顯著降低[7-8]。鋼纖維對(duì)混凝土具有較好增韌效果[9]，但會(huì)嚴(yán)重影響MPCM操作性和工作性，同時(shí)也導(dǎo)致其表觀密度顯著增大。碳纖維彈性模量高，可以顯著改善MPCM的韌性，但其價(jià)格昂貴，難以在混凝土路面病害修復(fù)工程中大規(guī)模應(yīng)用。與上述增韌材料相比，聚丙烯纖維價(jià)格低，質(zhì)量輕，較易分散，且抗拉強(qiáng)度和彈性模量高，因而在混凝土工程中應(yīng)用較為廣泛。摻加適量聚丙烯纖維不會(huì)對(duì)MPCM的抗壓強(qiáng)度和工作性產(chǎn)生不利影響，也不會(huì)增加MPCM的表觀密度[10-12]。因此，本文采用聚丙烯纖維來(lái)改善磷酸鎂水泥砂漿（MPCM）的力學(xué)性能，尤其是抗彎韌性，并探討PPF表面改性對(duì)MPCM力學(xué)性能和抗彎韌性的影響。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

重?zé)趸V比表面積230m2/kg，化學(xué)組分見(jiàn)表1。工業(yè)級(jí)磷酸二氫銨：純度≥99%，pH值為4.0～4.5，硼砂純度≥95%，性能指標(biāo)符合《工業(yè)十水合四硼酸二鈉》GB/T537-2007一等品要求；聚丙烯纖維（PPF）：直徑0.042mm，抗拉強(qiáng)度400MPa，彈性模量3500MPa，密度0.91g/cm3，長(zhǎng)度分別為3，6，12，19mm；天然中砂：水洗后烘干，細(xì)度模數(shù)2.7。硅烷偶聯(lián)劑，β甲氧基乙氧基硅烷（牌號(hào)A-172）：色譜純度不小于98%，密度1.035 g/cm3；拌合用水為自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

表1 重?zé)齅gO化學(xué)成分（XRF）

MPCM配合比：重?zé)趸V（M）與磷酸二氫銨（P）質(zhì)量比為4∶1，硼砂（B）摻量為重?zé)趸V質(zhì)量的12%，水膠比為W/（M+P+B）=0.16，MPC基體28d抗壓強(qiáng)度60～70MPa；中砂（S）摻量M+P+B=0.5S，即MPC與中砂的質(zhì)量比為1∶2；PPF摻量為質(zhì)量摻量，按照原材料質(zhì)量比PPF/（M+P+B）計(jì)算，摻量范圍0.2%～1.0%。

MPCM試件成型：將重?zé)趸V、磷酸二氫銨、硼砂和中砂干拌3min，然后加入PPF攪拌均勻；加水慢速攪拌10s后快速攪拌3min，然后澆筑成型40mm×40mm×160mm的試件；試件放置在溫度20±2℃，相對(duì)濕度60%～80%的室內(nèi)養(yǎng)護(hù)。

力學(xué)性能測(cè)試：MPCM抗壓和抗折強(qiáng)度參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》GB/T 17671—1999，待MPCM試件養(yǎng)護(hù)到相應(yīng)齡期后測(cè)定。

PPF表面改性：在不同濃度硅烷偶聯(lián)劑溶液中放置一定時(shí)間后取出，在40℃烘箱中晾干后待用。

圖1 PPF對(duì)MPCM抗壓強(qiáng)度的影響

2 結(jié)果與討論

2.1 PPF摻量對(duì)MPCM抗壓強(qiáng)度的影響

首先研究了PPF摻量對(duì)MPCM抗壓強(qiáng)度的影響。由于MPCM的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)主要在7d齡期以前，此后MPCM抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，因此主要測(cè)試了PPF摻量對(duì)MPCM的2h、1d和7d抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。

根據(jù)圖1，隨著PPF摻量增加，MPCM各齡期的抗壓強(qiáng)度均比未摻加PPF時(shí)有所增加，尤其是PPF摻量達(dá)到0.6%以后，MPCM的2h和1d抗壓強(qiáng)度顯著增長(zhǎng)。以6mmPPF為例，PPF摻量0.6%時(shí)，MPCM的2h、1d和7d抗壓強(qiáng)度分別比未摻加PPF的同齡期的MPCM試件增長(zhǎng)28.9%、12.8%、6.0%。PPF摻量0.4%～0.8%時(shí)更有利于提高M(jìn)PCM的抗壓強(qiáng)度。然而，當(dāng)PPF摻量增加到1.0%時(shí)，摻加12mm和19mmPPF的MPCM的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。

除了摻量，PPF長(zhǎng)度也會(huì)對(duì)MPCM的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生影響。根據(jù)圖1，長(zhǎng)度6mm的PPF更有利于提高M(jìn)PCM的2h、1d和7d抗壓強(qiáng)度，其次是長(zhǎng)度3mmPPF。而摻加長(zhǎng)度12mm和19mm的PPF時(shí)，隨著PPF摻量的增加，抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度明顯小于摻加6mmPPF的MPCM，PPF摻量較高時(shí)甚至還導(dǎo)致MPCM抗壓強(qiáng)度下降。這主要是由于隨著長(zhǎng)度增加，PPF在MPCM基體中分散性降低，PPF分散不均勻?qū)е翸PCM基體產(chǎn)生更多缺陷，導(dǎo)致MPCM抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

2.2 PPF摻量對(duì)MPCM抗折強(qiáng)度的影響

由于MPCM的抗壓強(qiáng)度很高，摻加PPF的主要目的是提高M(jìn)PCM的抗折強(qiáng)度，從而增強(qiáng)其抗彎韌性。PPF對(duì)MPCM的2h、1d和7d抗折強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖2。

根據(jù)圖2，PPF摻量0.2%時(shí)，PPF長(zhǎng)度對(duì)MPCM抗折強(qiáng)度的影響無(wú)顯著差異；PPF摻量0.4%時(shí)，長(zhǎng)度12mmPPF對(duì)MPCM抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)作用更為顯著；PPF摻量達(dá)到0.6%時(shí)，長(zhǎng)度12mm和19mm的PPF對(duì)MPCM抗折強(qiáng)度增強(qiáng)效果最好。12mmPPF摻量為0.6%時(shí)，MPCM的2h、1d和7d抗折強(qiáng)度相比于未摻加PPF時(shí)分別增大了60.0%，43.3%和36.5%。PPF摻量較少時(shí)，PPF的分散性相對(duì)較好，長(zhǎng)度較大的PPF更容易相互搭接形成網(wǎng)絡(luò)，在彎曲力作用下，長(zhǎng)纖維從MPCM基體中拔出時(shí)消耗的能量更大，因此PPF摻量較小時(shí)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)MPCM抗折強(qiáng)度的效果較好。隨著PPF摻量增加，19mmPPF由于分散更為困難，對(duì)MPCM抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)效果不顯著，且會(huì)導(dǎo)致MPCM流動(dòng)性顯著降低；采用3mmPPF時(shí)，雖然短纖維分散較為容易，但是難以形成良好搭接網(wǎng)絡(luò)，MPCM抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度相對(duì)較??；相比較而言，12mm長(zhǎng)PPF更有利于提高抗折強(qiáng)度。綜合考慮PPF摻量對(duì)MPCM制備成本以及力學(xué)性能和工作性的影響，宜選用長(zhǎng)度3～12mm的PPF混雜，適宜摻量為0.4%～0.6%。

圖2 PPF對(duì)MPCM抗折強(qiáng)度的影響

2.3 表面處理PPF對(duì)MPCM力學(xué)性能的影響

PPF可以顯著提高M(jìn)PCM的抗折強(qiáng)度，但是MPCM試件彎曲斷裂斷面上的PPF基本為脫黏拔出，PPF表面看不到粘附或包裹MPC水化產(chǎn)物，說(shuō)明PPF和MPCM基體之間主要依靠物理作用，而這種物理作用也造成PPF不能充分發(fā)揮其增韌效果。

為了改善PPF與MPCM基體的界面粘結(jié)，論文采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)PPF進(jìn)行表面處理，希望能有效發(fā)揮PPF的增韌效果，與其他表面處理方式相比，采用硅烷偶聯(lián)劑處理不會(huì)對(duì)PPF本體產(chǎn)生損傷，同時(shí)處理后的PPF可以直接摻加到砂漿或混凝土中，無(wú)需清洗等后處理措施。制備MPCM試件時(shí)，3mm、6mm和12mm的PPF按照質(zhì)量比1∶1∶1混雜，采用混雜PPF后，當(dāng)PPF質(zhì)量摻量為0.6%時(shí)，MPCM不同齡期抗壓和抗折強(qiáng)度比摻加單一長(zhǎng)度PPF時(shí)提高幅度為5%～15%。

2.3.1 改性溶液濃度的影響

選用濃度從5%～50%的硅烷偶聯(lián)劑溶液，溫度為20±1℃，浸泡時(shí)間60min，研究浸泡溶液濃度PPF對(duì)MPCM抗彎韌性的影響（用折壓比反映抗彎韌性雖然不夠全面，但是測(cè)試方法更簡(jiǎn)單），試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 PPF預(yù)處理溶液濃度對(duì)MPCM抗彎韌性的影響

根據(jù)表2，隨著硅烷偶聯(lián)劑水溶液濃度的升高，MPCM試件各齡期壓折比逐漸降低；當(dāng)濃度超過(guò)40%后，MPCM的壓折比反而有所增大；PPF表面處理時(shí)，硅烷偶聯(lián)劑適宜濃度為20%～30%，適度提高表面處理溶液濃度，有利于改善MPCM的抗彎韌性。摻加經(jīng)過(guò)濃度20%的硅烷偶聯(lián)劑水溶液浸泡60min的PPF，與摻加未處理PPF時(shí)相比，MPCM試件的2h、1d和7d抗折強(qiáng)度分別提高27.3%、16.7%和13.5%，說(shuō)明摻加經(jīng)過(guò)較高濃度的硅烷偶聯(lián)劑預(yù)處理的PPF后，既可以提高M(jìn)PCM的抗壓強(qiáng)度，也可以顯著增強(qiáng)MPCM的抗彎韌性。

2.3.2 改性溶液浸泡時(shí)間的影響

采用20%硅烷偶聯(lián)劑溶液浸泡PPF，溫度為20±1℃，研究PPF浸泡時(shí)間對(duì)MPCM抗壓和抗折強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 PPF預(yù)處理時(shí)間對(duì)MPCM抗彎韌性的影響

根據(jù)表3，采用表面處理的PPF，當(dāng)處理時(shí)間為60min時(shí)，MPCM試件的折壓比達(dá)到最小值；相比于摻加未處理PPF的試件，摻加預(yù)處理PPF的MPCM試件的2h、1d和7d抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度分別為26%、16.9%和15.8%。隨著PPF在預(yù)處理溶液中浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，MPCM的抗壓和抗折強(qiáng)度表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，表明在預(yù)處理溶液中浸泡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)反而不利于發(fā)揮PPF的增韌效果。因此PPF在預(yù)處理溶液中浸泡時(shí)間宜為30～60min。

3 結(jié)論

（1）摻加未處理PPF雖然可以顯著增強(qiáng)MPCM的抗折強(qiáng)度，但是試件斷裂時(shí)，PPF大多被整體拔出，MPCM水化產(chǎn)物與PPF之間主要是物理作用，PPF尚未充分發(fā)揮增韌作用。

（2）PPF長(zhǎng)度對(duì)MPCM抗壓和抗折強(qiáng)度的影響有所差異，摻加3～6mm的PPF有利于改善MPCM的抗壓強(qiáng)度，而摻加6～12mm的PPF有利于改善MPCM的抗折強(qiáng)度，摻加3～12mm的混雜PPF更有利于提高M(jìn)PCM力學(xué)性能。

（3）在濃度20%的硅烷偶聯(lián)劑水溶液中浸泡30～60min的PPF可以顯著增強(qiáng)MPCM的抗折強(qiáng)度和抗彎韌性，MPCM壓折比顯著降低。

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責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Study on Mechanical Properties of Modified Polypropylene Fibers Reinforced Magnesium Phosphate Cement Mortar

The flexuraltoughness ofmagnesium phosphate cementmortar（MPCM）can boostits application in reinforcing and repairing concrete structure.To toughen MPCM,the effects of untreated and pretreated PPF on the mechanicalproperties of MPCMare studied,with the toughening mechanism of PPF analyzed.The results show thatwith 0.6%of PPF the flexuralstrength of MPCMis increased by 43.3%;PPF with a length of3-6mm is more conducive to improve the compressive strength of MPCM,and the length of 6-12mm is propitious to improve the flexuralstrength of MPCM.The properties of MPCM toughened by PPF are not much improved because of physicalbond between untreated PPF and hydration products of MPC.Pretreated PPF immersed in 20%silane coupling agent for 30～60min help to promote the interface bonding between PPF and hydration products of MPC.Based on chimericalreaction between hydration products and pretreated PPF,the mechanicaland toughening properties of MPCMare significantly improved.

Magnesium phosphate cementmortar（MPCM）;polypropylene fiber（PPF）;flexuraltoughness;mechanicalproperties;surface treatment

TU526

A

1671-9107（2017）02-0041-04

10.3969/j.issn.1671-9107.2017.02.041

2016-12-08

唐建明（1969-），男，重慶人，本科，工程師，主要從事建筑施工管理工作。