賴洋羿 張琦彬 唐軍務(wù)

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聚丙烯纖維對水泥砂漿流動(dòng)度影響試驗(yàn)研究

賴洋羿 張琦彬 唐軍務(wù)

（海軍工程大學(xué)勤務(wù)學(xué)院 天津塘沽 300450)

聚丙烯纖維是一種高強(qiáng)度束裝單絲有機(jī)纖維，水泥砂漿加入該種纖維可有效提高可有效地改善其抗裂、抗沖擊、抗凍及抗疲勞等性能，但水泥砂漿加入聚丙烯纖維后會極大地改變其流動(dòng)性，從而影響其施工性能。本文通過在水泥砂漿中摻入不同長度和摻量的聚丙烯纖維，對流動(dòng)度的變化規(guī)律進(jìn)行了研究分析。為聚丙烯纖維砂漿在實(shí)際工程中的運(yùn)用提供參考數(shù)據(jù)。

聚丙烯纖維；水泥砂漿；摻量；長度；流動(dòng)度

1引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的穩(wěn)步發(fā)展，水泥砂漿的使用也面臨著更新?lián)Q代。普通的水泥砂漿在機(jī)械沖擊或內(nèi)應(yīng)力以及濕度或溫度的作用下容易開裂，從而影響建筑的整體美觀性能。通過在砂漿中加入聚丙烯纖維（PP）制成聚丙烯纖維復(fù)合材料，可以有效的控制砂漿塑性收縮、干縮、溫度變化等微裂痕，防止及抑止裂縫的形成和發(fā)展。聚丙烯纖維大大改善了混凝土的阻裂抗?jié)B性能，可以廣泛運(yùn)用于地下工程防水，工業(yè)民用建筑工程的屋面、墻體、地坪、水池、地下室，以及道路和橋梁等工程中，具有很好的抗裂、防滲、耐磨和保溫性能。單俊鴻[1]等人發(fā)現(xiàn)，摻入聚丙烯纖維會降低混凝土的坍落度，減少的幅度為2.6%~39.3%，當(dāng)摻加膨脹劑時(shí)，混凝土坍落度可以達(dá)到63.6%。崔邵炎[2]等人研究表明，摻加聚丙烯纖維后會使混凝土坍落度損失過大，造成了拌合、運(yùn)輸、澆筑、搗實(shí)和抹面工作困難，必要時(shí)可以保持水膠比不變，增大減水劑用量來彌補(bǔ)坍落度損失。宣衛(wèi)紅[3]通過比較12mm、25mm兩種長度的纖維砂漿與基準(zhǔn)砂漿的流動(dòng)度，發(fā)現(xiàn)摻加纖維的砂漿比基準(zhǔn)砂漿的初始流動(dòng)度要小，纖維長度對新拌砂漿初始流動(dòng)度有一定影響，纖維砂漿初始流動(dòng)度與纖維長度成負(fù)相關(guān)性。目前國內(nèi)對聚丙烯纖維工作性研究較多集中在摻加聚丙烯纖維對混凝土坍落度影響，纖維長度對砂漿流動(dòng)性的研究較少，并且目前尚無考慮時(shí)間引起的纖維砂漿流動(dòng)度損失的研究。

通過研究纖維長度、纖維摻量以及時(shí)間對砂漿流動(dòng)度的影響，得出上述影響因素與砂漿流動(dòng)度的關(guān)系曲線，可以對工程實(shí)際中砂漿流動(dòng)度進(jìn)行有效的預(yù)測和指導(dǎo)。

2試驗(yàn)

2.1原材料與實(shí)驗(yàn)配比

試驗(yàn)所用水泥為唐山市古治區(qū)大安水泥廠生產(chǎn)的強(qiáng)度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)均符合國家規(guī)定。細(xì)骨料為天然河沙，粒徑分布如表1所示。拌合用水為自來水。聚丙烯纖維由河北廊坊大城昊軒建材廠生產(chǎn)，常見的纖維長度有五種，分別為3mm、6mm、9mm、12mm、19mm，纖維具體參數(shù)見表2。

表1 細(xì)骨料級配分布

表2聚丙烯纖維的主要性能參數(shù)

2.2砂漿配合比及編號

水泥砂漿灰砂比是1:1.5，水灰比是0.5，制備基準(zhǔn)砂漿（不含纖維）和摻加0.3%、0.6%、0.9%（質(zhì)量比）的長度分別為3mm、6mm、9mm、12mm、19mm的15組纖維砂漿。

試件編號如下，3mm、6mm、9mm、12mm、19mm分別記為A、B、C、D、E，0.3%、0.6%、0.9%分別記為1、2、3。如SA1代表的是長度3mm摻量為0.3%的試件。不摻纖維的試件記為S0,對應(yīng)的基準(zhǔn)流動(dòng)度為245mm。

2.3試驗(yàn)步驟

2.3.1砂漿初始流動(dòng)度試驗(yàn)

將稱量好的水泥和纖維放入稱量儀器中干拌1min，加入水后，在水泥凈漿攪拌機(jī)中慢攪30s，使纖維充分分散，隨后加入細(xì)骨料快攪1min。隨后迅速地將新拌砂漿分兩次裝入截頭圓錐試模中進(jìn)行流動(dòng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后，用鋼尺測量膠砂底面互相垂直的兩個(gè)方向直徑，計(jì)算平均值，該平均值即為該水量的水泥膠砂流動(dòng)度。具體的方法及儀器均參照GB/T2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測定方法》[4]進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3.2砂漿流動(dòng)度隨時(shí)間變化試驗(yàn)

流動(dòng)度試驗(yàn)按照規(guī)范的要求從膠砂加水開始到測量擴(kuò)散直徑結(jié)束，需要在6min內(nèi)完成。實(shí)際上流動(dòng)度試驗(yàn)大多數(shù)都可以在3min內(nèi)完成，因此取3min作為試驗(yàn)時(shí)間。一次流動(dòng)度損失試驗(yàn)需要進(jìn)行三次流動(dòng)度測試，時(shí)間節(jié)點(diǎn)分別為3min、30min、1h。具體的操作方法及試驗(yàn)儀器與新拌砂漿初始流動(dòng)度試驗(yàn)相同。

2.4試驗(yàn)結(jié)果與分析

具體試驗(yàn)結(jié)果如表3所示

表3流動(dòng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

編號SA1SB1SC1SD1SE1SA2SB2SC2SD2SE2SA3SB3SC3SD3SE3 纖維長度mm369121936912193691219 纖維摻量%0.30.30.30.30.30.60.60.60.60.60.90.90.90.90.9 流動(dòng)度3min239238235233232230230210195190195188172150155 30min/215/207//196/191////// 60min/209/192//182/180//////

2.4.1聚丙烯纖維長度對流動(dòng)度的影響

圖1為單摻3mm、6mm、9mm、12mm、19mm的聚丙烯纖維在0.3%、0.6%、0.9%摻量下的流動(dòng)度變化折線圖。

圖1聚丙烯纖維流動(dòng)度隨長度變化規(guī)律

從圖1折線變化規(guī)律可以看出，由于纖維長度的不同大致形成3種流動(dòng)度變化的趨勢，其中3mm、6mm變化趨勢類似，12mm、19mm變化趨勢類似。根據(jù)走勢將纖維分類，把3mm、6mm稱為短纖維，9mm稱為中纖維，12mm、19mm稱為長纖維。相同摻量下可以得到聚丙烯纖維流動(dòng)度短纖維＞中纖維＞長纖維。由此可見，在相同摻量的情況下，纖維長度越長流動(dòng)度越差，纖維長度與流動(dòng)度呈負(fù)相關(guān)。其原因可能是短纖維的長度和細(xì)骨料直徑相差不大，在砂漿中很難形成骨架結(jié)構(gòu)，而長纖維在水泥基材中分散較好呈亂向均勻分布，可在砂漿中形成三維骨架結(jié)構(gòu)，中纖維介于兩者之間。因此長、中、短三類纖維有各自的流動(dòng)度變化趨勢。

2.4.2聚丙烯纖維摻量對流動(dòng)度的影響

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，得到單摻3mm、6mm、9mm、12mm、19mm的聚丙烯纖維在0.3%、0.6%、0.9%摻量下的流動(dòng)度損失百分比變化規(guī)律，見圖2，其中基準(zhǔn)流動(dòng)度為245mm。

從圖2折線變化規(guī)律可以看出：當(dāng)摻量為0.3%時(shí)，所有長度的纖維流動(dòng)度損失較小，損失率約為5%；當(dāng)摻量為0.6%時(shí)，短纖維流動(dòng)度損失較小，損失率約為6%，中長纖維流動(dòng)度損失明顯，損失率在14~22%之間；當(dāng)摻量為0.9%時(shí)，所有長度的纖維流動(dòng)度損失較大，損失率在20.4%~36.7%之間。由此可見，在相同長度的情況下，聚丙烯纖維摻量與流動(dòng)度呈負(fù)相關(guān)。按照GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》[6]中的8.6條款，普通硅酸鹽水泥進(jìn)行膠砂強(qiáng)度檢測時(shí)，其用水量按0.5水灰比和膠砂流動(dòng)度不小于180mm來確定。當(dāng)摻量為0.9%時(shí)，中長纖維流動(dòng)度低于180mm，在實(shí)際施工中會造成拌合、運(yùn)輸、澆筑等工作困難。

當(dāng)纖維摻量變大，纖維之間間距會變小，更容易形成三維骨架結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步阻礙砂漿的流動(dòng)。纖維間距按照式⑴[6]計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

⑴

式中： S?????????----纖維平均間距；

d?????????----纖維的直徑；

P?????????----纖維體積率的百分?jǐn)?shù)。

表4 纖維間距計(jì)算表

注：SA1摻量為0.3%，SA2摻量為0.6%，SA3摻量為0.9%，均為質(zhì)量比。

均需要換算成體積比。

由表4可知，隨著摻量逐漸增大，纖維間距隨之變小，更加容易形成三維骨架結(jié)構(gòu)。纖維摻量為0.6%以上時(shí)，纖維間距變化不大。此外，由于纖維通過摩擦力對砂漿的擴(kuò)散起阻礙作用，因此纖維摻量變大流動(dòng)度減小。圖2中12mm摻量為0.9%的流動(dòng)度出現(xiàn)峰值，與預(yù)期結(jié)果不相吻合，其原因是在攪拌過程中沒有徹底拌勻，造成聚丙烯纖維分散不徹底，在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了纖維成團(tuán)的現(xiàn)象，因此該流動(dòng)度損失較大，在實(shí)際工程中應(yīng)使用有效的方法將纖維分散均勻，避免造成一些施工和質(zhì)量問題。

2.4.3砂漿流動(dòng)度隨時(shí)間變化規(guī)律

當(dāng)摻量為0.9%時(shí)，新拌砂漿流動(dòng)度小于180mm，不滿足規(guī)范所規(guī)定的施工標(biāo)準(zhǔn)，因此僅考慮0.3%和0.6%兩種摻量。根據(jù)2.4.1的分析結(jié)果選取長短纖維各一種，參照表3數(shù)據(jù)將單摻6mm、12mm的聚丙烯纖維在0.3%、0.6%摻量下的砂漿流動(dòng)度損失隨時(shí)間變化繪制為圖3。

圖3聚丙烯纖維流動(dòng)度隨時(shí)間變化規(guī)律

從圖3可以看出，砂漿流動(dòng)度隨時(shí)間呈線性負(fù)相關(guān)，因此流動(dòng)度隨時(shí)間變化有較強(qiáng)的可預(yù)測性，可以通過新拌砂漿流動(dòng)度來推斷拌合時(shí)間是否滿足施工要求。經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，30min流動(dòng)度損失在5.48~8.61%之間，1h流動(dòng)度損失10.61~13.88%之間。因此在砂漿成型后1h內(nèi)時(shí)，砂漿流動(dòng)性依然保持較好。在2h以后，觀察砂漿表面呈現(xiàn)出板結(jié)硬化的趨勢，無法進(jìn)行流動(dòng)度測定試驗(yàn)。

3結(jié)論

聚丙烯纖維長度與流動(dòng)度呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)纖維長于12mm或者短于6mm時(shí)長度對流動(dòng)度影響較小，纖維長度在6~12mm時(shí)對流動(dòng)度影響較大。

聚丙烯纖維摻量與流動(dòng)度呈負(fù)相關(guān)，摻量較低時(shí)纖維長度對流動(dòng)度影響較小。摻量較高時(shí)纖維長度對流動(dòng)度有明顯的影響，聚丙烯纖維質(zhì)量比一般不能超過0.9%。

砂漿拌合時(shí)間與流動(dòng)度呈線性負(fù)相關(guān),可以通過新拌砂漿流動(dòng)度推斷某拌合時(shí)間的流動(dòng)度。經(jīng)計(jì)算自然環(huán)境下新拌砂漿1h內(nèi)流動(dòng)性損失較小，滿足施工的要求。2h以后，砂漿表面出現(xiàn)硬化的趨勢，流動(dòng)度難以滿足施工所需的要求。

[1]單俊鴻,周明凱,李北星.聚丙烯纖維混凝土在橋面鋪裝中的應(yīng)用與施工[J].施工技術(shù),2005,34（11）：78-8.

[2]崔紹炎.聚丙烯纖維混凝土在泵站流道中的應(yīng)用[J].山西建筑,2007, 33（1）：167-168.

[3]宣衛(wèi)紅,趙暉.聚丙烯纖維的長度對新拌砂漿工作性能的影響及其機(jī)理分析[J].混凝土,2007,266（12）：110-112.

[4]GB/T2419—2005,水泥膠砂流動(dòng)度測定方法[S].2005.

[5]GB175—2007,通用硅酸鹽水泥[S].2005.

[6]克倫歇爾H,內(nèi)維爾A,等.纖維間距和纖維比表面積[C]//纖維增強(qiáng)水泥與混凝土：國際材料與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合會1975年會議論文集（第一冊）.楊順喜,沈榮熹,等譯.北京：中國建筑工業(yè)出版社,1980.

賴洋羿（1995-），男，江西贛州人，碩士，研究方向?yàn)楹Ｑ蠼Y(jié)構(gòu)物運(yùn)用工程。

張琦彬（1975-），男，浙江臺州人，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楹７澜Y(jié)構(gòu)工程。

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1007-6344（2017）03-0012-01