黃偉

(淮南聯(lián)合大學(xué)建筑工程系，安徽 淮南 232038)

隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，水泥基材料早已成為應(yīng)用范圍最廣、用量最大的建筑材料之一。眾所周知，水泥基材料雖然抗壓強(qiáng)度較高，但其存在抗拉強(qiáng)度低、抗裂性能差、自收縮性大等缺點(diǎn)[1～4]，且隨著抗壓強(qiáng)度的提高，其脆性與干縮問題更加顯著。

為改善水泥基材料脆性與干縮等缺陷，普遍做法是采用摻入纖維來提高水泥基材料的抗裂性能，摻入膨脹劑來改變水泥基材料的變形性能。國內(nèi)外眾多學(xué)者已經(jīng)開展了對聚丙烯纖維砂漿、纖維補(bǔ)償收縮砂漿的力學(xué)性能和干縮變形性能等方面的研究，并取得一定的研究成果。如劉玉瑩等[5]在砂漿中摻入竹纖維，得出不同竹纖維摻量和長度對砂漿工作性、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和干縮率的影響。薛峰等[6]、胡玉慶等[7]、陳波等[8]等對補(bǔ)償收縮砂漿在不同養(yǎng)護(hù)方式下的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出不同養(yǎng)護(hù)溫度、不同養(yǎng)護(hù)齡期、不同約束程度下，補(bǔ)償收縮砂漿比普通砂漿具有更好的抗壓強(qiáng)度和收縮性能。姜正平等[9]對不同養(yǎng)護(hù)條件下膨脹劑對水泥砂漿收縮性影響研究，發(fā)現(xiàn)膨脹劑能顯著降低水泥砂漿的早期收縮。梅愛華[10]用低摻量聚丙烯纖維配制砂漿，測試砂漿的抗折、抗壓、抗?jié)B和收縮率，試驗(yàn)結(jié)果表明在普通水泥砂漿中摻入一定量纖維能顯著提高砂漿的抗裂強(qiáng)度和抗?jié)B性能，降低砂漿收縮率，提高抗壓和抗折強(qiáng)度。孫道勝等[11]使用聚丙烯纖維和膨脹劑雙摻來研究砂漿塑性收縮性能，得出聚丙烯纖維與膨脹劑復(fù)合使用后對砂漿因塑性收縮產(chǎn)生的裂縫數(shù)量和裂縫細(xì)化2個方面均優(yōu)于聚丙烯纖維或膨脹劑的單獨(dú)作用，砂漿抵抗塑性收縮開裂能力顯著提高。鄧宗才等[12]對纖維素纖維砂漿干縮性能進(jìn)行試驗(yàn)，表明摻入適量纖維素纖維可顯著降低水泥砂漿早期干縮的變化速率，大大減少砂漿硬化后期的干縮值。文婧等[13,14]利用聚丙烯纖維和膨脹劑雙摻，同時摻入硅灰粉煤灰對砂漿力學(xué)性能和收縮開裂進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出雙摻能夠提高砂漿強(qiáng)度和抗裂性。

筆者試驗(yàn)研究不同摻量聚丙烯對砂漿的工作性能影響，以其折壓比作為評價指標(biāo)得出聚丙烯纖維的最優(yōu)摻量；然后添加適量膨脹劑配置聚丙烯補(bǔ)償收縮砂漿并測試其力學(xué)性能和變形性能，旨在為聚丙烯補(bǔ)償收縮砂漿在今后建筑工程中的應(yīng)用提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)材料與方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

1)聚丙烯纖維。其物理力學(xué)性能如表1所示。

表1 聚丙烯纖維的物理力學(xué)參數(shù)

2)水泥。采用中聯(lián)牌普通硅酸鹽水泥P·O 42.5。

3)細(xì)集料。采用普通河砂，細(xì)度模數(shù)為2.3的中砂。

4)水。當(dāng)?shù)刈詠硭?/p>

5)外加劑。采用UEA高效低堿膨脹劑。

1.2 試驗(yàn)配合比及試件制備

選取砂漿的基準(zhǔn)配合比為水泥∶水∶砂的質(zhì)量比1∶0.5∶2，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)分成2部分，首先以聚丙烯纖維摻量為變量，采用摻量分別為 0、0.3、0.6、0.9、1.2、1.5kg/m3，制作砂漿抗壓和抗折強(qiáng)度試件，每組做3個，總共6組，共計(jì)36個試件。通過測試得出最佳纖維摻量配置補(bǔ)償收縮纖維砂漿，采用膨脹劑摻量為4%、6%、8%、10%，分別制作3個抗壓試件、3個抗折試件和3個變形測試試件，總共4組，共計(jì)36個試件。

聚丙烯纖維水泥砂漿的制作方法參考《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗(yàn)方法》(GB/T 1346-2001)，先將水泥、砂子放入攪拌機(jī)內(nèi)攪拌90s，將聚丙烯纖維摻入其中攪拌90s，最后加水?dāng)嚢?0s。將攪拌均勻的水泥砂漿注入砂漿三聯(lián)試件中制作3個尺寸為70.7mm ×70.7mm×70.7mm和40mm×40mm×160mm試件，根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081)的方法對水泥砂漿試件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

1.3 試件測試

圖1 砂漿試件抗壓和抗折試驗(yàn)圖

砂漿試件成型后放置在溫度(20±1)℃，相對濕度為95%的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至實(shí)驗(yàn)齡期，對于補(bǔ)償收縮砂漿前7d用濕布覆蓋，保持試件充分濕潤。采用微機(jī)控制電液伺服萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)WAW-1000進(jìn)行砂漿抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，加載速度控制在1.5kN/s。采用微機(jī)控制電子抗折試驗(yàn)機(jī)YDW-10進(jìn)行砂漿抗折試驗(yàn)，采用BC-176型立式砂漿收縮儀測定補(bǔ)償收縮砂漿的變形，砂漿試件抗壓和抗折試驗(yàn)加載如圖1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 聚丙烯纖維摻量對砂漿沉入度的影響

圖2 不同纖維摻量的砂漿沉入度

不同聚丙烯纖維摻量的砂漿沉入度如圖2所示。由圖2可知，隨著聚丙烯纖維摻量的增大，砂漿的沉入度均呈現(xiàn)減小的趨勢。主要是聚丙烯纖維在砂漿中呈現(xiàn)三維雜亂分布，增加砂漿稠度儀下沉的阻力；另一方面，聚丙烯纖維具有一定的吸水率，隨著纖維摻量的增加，降低了水膠比，導(dǎo)致砂漿稠度的增加。

2.2 聚丙烯纖維摻量對砂漿力學(xué)性能及破壞特征分析

不同摻量聚丙烯纖維砂漿力學(xué)性能如表2所示。由表2可知，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期28d時，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，砂漿抗壓強(qiáng)度先減小再增大，然后又降低。當(dāng)聚丙烯纖維摻量為 0.3kg/m3時，由于聚丙烯纖維過少，沒有形成纖維增強(qiáng)效應(yīng)，與素砂漿相比，強(qiáng)度略有降低；當(dāng)聚丙烯摻量為0.9kg/m3時，砂漿抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值45.3MPa；隨著纖維摻量的進(jìn)一步增加，由于聚丙烯纖維結(jié)團(tuán)，在砂漿內(nèi)部形成過多的缺陷，造成砂漿抗壓強(qiáng)度逐漸降低。隨著聚丙烯纖維摻量的增加，砂漿抗折強(qiáng)度是先增大后減小，與抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律基本一致。通過分析砂漿的折壓比可知聚丙烯纖維摻量為0.9kg/m3時，砂漿的折壓比最大，表明砂漿具有較好的柔性變形能力。

表2 不同摻量聚丙烯纖維砂漿力學(xué)性能

砂漿試件抗折破壞如圖3所示。由圖3可知，素砂漿試件抗折試驗(yàn)時，試件直接從中間斷裂；摻入聚丙烯纖維后，抗折試件破壞裂縫較小，試件仍保持較好的完整性，呈現(xiàn)“裂而不斷”現(xiàn)象，表明聚丙烯纖維的摻入可以顯著提高砂漿的抗裂性能。

2.3 聚丙烯和膨脹劑對砂漿力學(xué)性能的影響

圖3 砂漿試件抗折破壞圖

圖4 不同膨脹劑摻量的砂漿強(qiáng)度

圖5 不同膨脹劑摻量的砂漿變形曲線

利用聚丙烯和膨脹劑可以配置防滲抗裂砂漿，筆者選擇聚丙烯摻量為0.9kg/m3，改變膨脹劑摻量(0、4%、6%、8%、10%和12%)來配制補(bǔ)償收縮聚丙烯砂漿，砂漿試件養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，分析該種多相復(fù)合材料對砂漿力學(xué)性能的影響。

不同膨脹劑摻量的砂漿抗壓和抗折強(qiáng)度結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著聚丙烯砂漿中膨脹劑摻量的增加，其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先降低后增加再降低的趨勢。當(dāng)膨脹劑摻量為8%時，其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)砂漿分別提高了13.1%和4.2%，表明聚丙烯纖維的摻入在砂漿內(nèi)部亂向分布起到了均勻的約束作用，能夠消耗一定摻量膨脹劑在砂漿內(nèi)部的膨脹能，從而改善砂漿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。適量的聚丙烯纖維和膨脹劑復(fù)合使用，能夠相互取長補(bǔ)短，更好地發(fā)揮各自的優(yōu)勢，達(dá)到了最佳復(fù)合效應(yīng)。當(dāng)膨脹劑摻量進(jìn)一步增加時，砂漿強(qiáng)度又出現(xiàn)降低，主要是補(bǔ)償收縮砂漿試件在自由條件下，過多的膨脹能超過纖維的約束力，使得砂漿試件在膨脹能的作用下發(fā)生自由變形，導(dǎo)致砂漿內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，從而影響其力學(xué)性能。

2.4 聚丙烯和膨脹劑對砂漿的變形性能分析

采用BC-176型立式砂漿收縮儀，對不同膨脹劑摻量的聚丙烯補(bǔ)償收縮砂漿試件膨脹變形進(jìn)行測試。

依據(jù)《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T702009)中砂漿收縮試驗(yàn)，使用立式砂漿收縮儀對試件的變形值進(jìn)行測定。砂漿在自然干燥狀態(tài)下試件收縮變形率為：

(1)

式中：εt為相應(yīng)t天時砂漿試件自然干燥收縮變形率；L0為試件成型后7d的長度，mm；L為試件的長度，160mm；Lt為相應(yīng)t天時試件的實(shí)測長度，mm。

不同膨脹劑摻量砂漿變形曲線如圖5所示。由圖5可知，膨脹劑摻量為0時，砂漿初期干燥收縮變形較大，主要是由于初期養(yǎng)護(hù)時砂漿水化反應(yīng)大，水分損失快、內(nèi)部的相對濕度下降迅速，從而降低了水泥的水化速率和水化程度，其收縮變形增大。摻入膨脹劑后，膨脹劑依靠自身的化學(xué)反應(yīng)以及其與水泥中的其他成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生一定的微膨脹來補(bǔ)償砂漿的早期收縮。隨著膨脹劑摻量的不斷增加，聚丙烯補(bǔ)償收縮砂漿早期膨脹率逐漸增大，膨脹劑水化反應(yīng)產(chǎn)生的微膨脹能夠有效地控制漿體的回縮率[2]，這是因?yàn)閁EA型膨脹劑與水發(fā)生水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物鈣礬石和C-S-H凝膠正好有效填充砂漿原內(nèi)部孔隙中，使砂漿產(chǎn)生微膨脹，更加密實(shí)緊致。此外由于聚丙烯纖維的摻入，在砂漿內(nèi)部形成的亂向分布也對砂漿起到了一定的約束作用，當(dāng)砂漿微膨脹達(dá)到一定程度時，聚丙烯纖維將會產(chǎn)生拉應(yīng)力從而約束砂漿的膨脹變形，消耗砂漿內(nèi)部多余的膨脹能，有效提高砂漿的抗變形能力。從圖5中曲線變化趨勢還可以看出，摻入膨脹劑后砂漿的膨脹變形主要在7～14d時自由變形率達(dá)到最大。膨脹劑摻量為10%，養(yǎng)護(hù)第14天時，砂漿的最大變形率達(dá)到7.25×10-4，隨后變形率逐漸降低，主要是因?yàn)榕蛎泟┰谏皾{中產(chǎn)生膨脹能受到聚丙烯纖維的約束作用以及水泥漿體強(qiáng)度增長限制，使得砂漿變形逐漸減小，28d后逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)論

1)聚丙烯纖維摻入后在砂漿內(nèi)部呈現(xiàn)三維網(wǎng)狀形態(tài)，對砂漿拌合物流動性具有一定的增稠作用，隨著纖維摻量的增加，砂漿沉入度逐漸減小。

2)聚丙烯纖維摻入對砂漿抗壓強(qiáng)度影響不明顯，但對砂漿的抗折強(qiáng)度有明顯改善；當(dāng)纖維摻量為0.9kg/m3，砂漿折壓比達(dá)到最大，表明此時聚丙烯纖維砂漿具有較好的柔性變形能力。

3)隨著膨脹劑摻量的增加，補(bǔ)償收縮聚丙烯砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先降低、后增加、再降低的趨勢，綜合砂漿力學(xué)性能和變形性能試驗(yàn)，得出聚丙烯摻量為0.9kg/m3和膨脹劑摻量為8%雙摻時，配置砂漿的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到最佳。