李磊，楊毅，謝順

（1.沈陽砼行建筑材料科技有限公司，遼寧 沈陽 110000；2.沈陽建筑大學(xué)，遼寧 沈陽 110000；3.沈陽建筑大學(xué) 建筑科技發(fā)展工程公司，遼寧 沈陽 110000）

磷酸鎂水泥基修補(bǔ)材料（Magnesium phosphate cementbased repairing materials，MPCRM）具有小時(shí)強(qiáng)度高、收縮小、粘結(jié)強(qiáng)度高和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于混凝土道面的維修工程中。與普通硅酸鹽水泥基修補(bǔ)材料（PORM）和硫鋁酸鹽水泥基修補(bǔ)材料（SACRM）相比，MPCRM 修補(bǔ)材料也同樣表現(xiàn)出明顯的脆性，這對(duì)其在混凝土道面快速維修中的應(yīng)用產(chǎn)生較大的障礙。鋼纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度，其彈性模量與水泥基材料接近，二者能夠發(fā)揮較好的協(xié)同作用，對(duì)于水泥基修補(bǔ)材料的韌性提升具有顯著的效果。已有研究者通過鋼纖維來改性磷酸鎂水泥（MPC）的性能，李振等[1]的研究結(jié)果表明，微細(xì)鋼纖維能大幅度提高M(jìn)PC 的抗彎和抗壓強(qiáng)度。汪宏濤等[2]的研究也表明，鋼纖維對(duì)MPC 砂漿的抗折和抗壓強(qiáng)度有較大的提高作用。Feng 等[3]發(fā)現(xiàn)，鋼纖維的不同端鉤形狀可提高鋼纖維MPC 砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。目前已有的研究均圍繞鋼纖維改性MPC 的力學(xué)性能和粘結(jié)性能，但對(duì)MPC 的韌性研究報(bào)道較少。為了研究鋼纖維對(duì)MPCMR 韌性的影響規(guī)律，本文對(duì)鋼纖維MPCMR 進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗沖擊試驗(yàn)和彎拉試驗(yàn)，采用折壓比、抗沖擊韌性和彎曲韌性對(duì)MPCMR 的韌性進(jìn)行了分析，并與PORM 和SACRM進(jìn)行對(duì)比分析，為鋼纖維MPCRM 在工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料與配合比

氧化鎂：海城華宇集團(tuán)生產(chǎn)，電熔鎂砂，煅燒溫度2000 ℃以上，氧化鎂含量98.6%，經(jīng)過球磨機(jī)粉磨成氧化鎂粉，比表面積和表觀密度分別為223 m2/kg 和3.45 g/cm3，化學(xué)成分見表1。鋼纖維：端鉤型微細(xì)鋼纖維，長度13 mm，直徑0.23 mm，密度7.8 g/cm3，抗拉強(qiáng)度2860 MPa。水泥：唐山冀東生產(chǎn)，P·O42.5 水泥；硫鋁酸鹽水泥：唐山北極熊生產(chǎn)，42.5 級(jí)快凝快硬硫鋁酸鹽水泥（SAC）。磷酸二氫銨：工業(yè)級(jí)，NH4H2PO4含量≥99%。硼砂：工業(yè)級(jí)，Na2B4O7·4H2O 含量≥97%。石英砂：20～140 目，連續(xù)級(jí)配。碎石：5～20 mm 連續(xù)級(jí)配石灰?guī)r碎石，壓碎指標(biāo)2.0%。減水劑：聚羧酸粉體減水劑，減水率≥28%。修補(bǔ)材料的配合比見表2，其中PORM、SACRM 各摻2.2 g 減水劑。

表1 氧化鎂粉的化學(xué)成分 %

表2 修補(bǔ)材料配合比 g

1.2 試驗(yàn)方法

抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度采用40 mm×40 mm×160 mm 試件，參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂檢驗(yàn)方法（ISO 法）》進(jìn)行測(cè)試。

抗沖擊性能按照ACI544 委員會(huì)推薦的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試[4]，對(duì)水泥基修補(bǔ)材料在沖擊荷載作用下遭破壞時(shí)吸收能量的能力表示為韌性，采用抗沖擊韌性系數(shù)C和抗沖擊延性比β 作為評(píng)價(jià)水泥基修補(bǔ)材料韌性的指標(biāo)[5]。β值和C 值按下式計(jì)算。

由式（2）和式（3）可得：

式中：WRMi——鋼纖維摻量為i 時(shí)水泥基修補(bǔ)材料的沖擊功，J；

N2，RMi——鋼纖維摻量為i 時(shí)水泥基修補(bǔ)材料的沖擊破壞次數(shù)；

WRM0——鋼纖維摻量為0 時(shí)水泥基修補(bǔ)材料的沖擊功，J；

N2，RM0——鋼纖維摻量為0 時(shí)水泥基修補(bǔ)材料的沖擊破壞次數(shù)；

N——沖擊次數(shù)；

N1——初始開裂次數(shù)；

N2——試件最終破壞次數(shù)；

m——沖擊鋼球的質(zhì)量，kg；

g——重力加速度，9.8 N/kg；

h——沖擊鋼球的下落高度，m。

彎曲韌性試驗(yàn)參考CECS 13：2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的四點(diǎn)加載法，本試驗(yàn)鋼纖維長度小于40 mm，故試件大小為100 mm×100 mm×400 mm，每組3 個(gè)試件，試件表面擦凈后，無偏心放置在WDW-200 電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)裝置臺(tái)上，采用位移控制的加載方式，加載速度為0.2 mm/min，位移傳感器放置在試件的跨中，采用TDS-540 靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀采集荷載和撓度數(shù)據(jù)，試驗(yàn)加載示意見圖1。

圖1 彎曲韌性試驗(yàn)加載示意

本研究采用剩余強(qiáng)度法[6]對(duì)水泥基修補(bǔ)材料的彎曲韌性進(jìn)行評(píng)價(jià)，該方法建議用剩余強(qiáng)度SAR和相對(duì)剩余強(qiáng)度SIR評(píng)價(jià)彎曲韌性，其計(jì)算方法為：

式中：P0.5、P1.0、P1.5、P2.0——撓度分別為0.5、1.0、1.5、2.0 mm 對(duì)應(yīng)的荷載，kN；

L、b、h——支座間距、截面寬度和截面高度，mm；

fm——試驗(yàn)構(gòu)件的極限彎拉強(qiáng)度，MPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 折壓比

對(duì)水泥基修補(bǔ)材料的韌性評(píng)價(jià)目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，工程界常用韌性系數(shù)——折壓比（修補(bǔ)材料的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比），反映水泥基材料的韌性（抗變形性能），韌性系數(shù)越大，抗變形能力愈好，反之則愈差[7-8]。各試驗(yàn)組的折壓比試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 各試驗(yàn)組的折壓比試驗(yàn)結(jié)果

由表3 可以看出，鋼纖維的摻量增加，MPCRM 的抗壓和抗折強(qiáng)度提高，折壓比提高。當(dāng)鋼纖維的體積摻量為1.6%時(shí)，MPCRM 的抗壓強(qiáng)度最高，當(dāng)鋼纖維體積的摻量為1.2%時(shí)，MPCRM 的抗折強(qiáng)度最高，與鋼纖維摻量為MPCRM-0 時(shí)相比，MPCRM-1.2 抗壓和抗折強(qiáng)度分別提高了64.7%、213.9%，可以看出鋼纖維對(duì)MPCRM 抗折強(qiáng)度提高效果更明顯。

當(dāng)鋼纖維的體積摻量為1.2%時(shí)，MPCRM 折壓比最大，MPCRM-1.2 比MPCRM-0 的折壓比提高了83.3%，SACRM-1.2 比SACRM-0 的折壓比提高了45.5%，PORM-1.2 比PORM-0 的折壓比提高了54.5%，可以看出相同的鋼纖維摻量對(duì)MPCRM 的折壓比提高效果更明顯。

分析原因：根據(jù)以往的研究表明[1-3]，鋼纖維與磷酸鎂水泥的化學(xué)粘結(jié)力要比硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥高約40%，當(dāng)構(gòu)件受到彎拉時(shí)，鋼纖維可以與MPCRM 具有更好的要咬合力，發(fā)揮更好的協(xié)同作用，對(duì)MPCRM 的抗折強(qiáng)度和折壓比提高具有更好的效果。

2.2 抗沖擊韌性（見表4）

表4 各試驗(yàn)組的抗沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果

由表4 可以看出，不摻鋼纖維的水泥基修補(bǔ)材料初裂次數(shù)與破壞次數(shù)基本一致，即出現(xiàn)裂縫就破壞，韌性較差。隨著鋼纖維的體積摻量增加，MPCRM 的初裂次數(shù)和破壞次數(shù)先增加后降低，摻量為1.6%達(dá)到最大值，分別為MPCRM-0 的11.28倍和14.84 倍。

鋼纖維的摻入可以明顯提高M(jìn)PCRM 的抗沖擊韌性，當(dāng)鋼纖維摻量為1.6%時(shí)，抗沖擊韌性系數(shù)達(dá)到最大值，為14.84，是MPCRM-0 的14.84 倍，當(dāng)鋼纖維的體積摻量為1.2%時(shí)，抗沖擊延性比β 達(dá)到最大值，為37.11，是MPCRM-0的倍18.56 倍，鋼纖的體積維摻量在1.2%～1.6%時(shí)，MPCRM的抗沖擊韌性最佳，鋼纖維摻量大于1.6%時(shí)，抗沖擊韌性有所降低，這是由于鋼纖維的比表面積增大，嚴(yán)重影響了MPCRM 的工作性能，漿體無法完全包裹鋼纖維，造成局部存在缺陷，降低了鋼纖維的三維亂向的僑聯(lián)搭接效果，導(dǎo)致試件的吸收沖擊能減少。

鋼纖維摻量為1.2%時(shí)，SACRM 的抗沖擊延性比β 是SACRM-0 的10.10 倍，PORM 的抗沖擊延性比β 是PORM-0的4.19 倍，SACRM、PORM 的抗沖擊延性比β 與MPCRM 相比分別降低了55.35%、59.71%，說明鋼纖維對(duì)MPCRM 的抗沖擊韌性提高效果要比SACRM 和PORM 更明顯。

試件的沖擊破壞是基體在低應(yīng)變條件下的疲勞損傷破壞，每次沖擊大概發(fā)生在1 ms 之內(nèi)，在快速的低應(yīng)變條件下，鋼纖維與普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥基體很容易出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，從而降低了鋼纖維阻止裂縫發(fā)展的效果，而磷酸鎂水泥水化初期pH 值較低，鋼纖維中的鐵離子大量溶出與溶液中的磷酸鎂形成化學(xué)結(jié)合，形成機(jī)械鍵槽咬合力，且磷酸鎂水泥水膠比較小，在水泥與鋼纖維的界面過渡區(qū)更為致密，在快速低應(yīng)變條件下很難發(fā)生界面滑移現(xiàn)象，能充分發(fā)揮鋼纖維耗能的作用。

2.3 彎曲韌性

2.3.1 荷載-撓度曲線

不同摻量的鋼纖維MPCRM 荷載-跨中撓度曲線如圖2所示。

圖2 不同摻量的鋼纖維MPCRM 荷載-跨中撓度曲線

由圖2 可以看出，鋼纖維的摻入明顯改變了MPCRM 試件的斷裂行為，未摻纖維時(shí)為明顯脆性斷裂，即試件開裂后立即破壞，摻入纖維后則為韌性斷裂。隨著鋼纖維的體積摻量增加，MPCRM 試件的開裂荷載和峰值荷載均提高，與不摻鋼纖維的MPCRM-0 試件相比，鋼纖維體積摻量為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%的MPCRM 試件的開裂荷載分別提高了19.5%、54.0%、84.0%、95.9%、100.2%，峰值荷載分別提高了19.5%、54.0%、86.5%、109.2%、112.8%，鋼纖的體積摻量為1.2%、1.6%和2.0%的MPCRM 開裂后荷載出現(xiàn)明顯的二次強(qiáng)化現(xiàn)象。殘余荷載[9]（摻鋼纖維MPCRM 試件的峰值荷載后與MPCRM-0 試件峰值荷載相等的荷載值）對(duì)應(yīng)的撓度反映了達(dá)到峰值荷載后的殘余承載能力，隨著鋼纖體積摻量增加，MPCRM 的殘余承載能力先提高后降低，鋼纖維體積摻量為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%和2.0%的MPCRM 試件的殘余荷載對(duì)應(yīng)的跨中撓度分別為0.56、1.01、2.13、2.59、2.48 mm，而不摻鋼纖維的MPCRM-0 試件跨中撓度僅為0.13 mm。

不同水泥類別的鋼纖維修補(bǔ)材料荷載-跨中撓度曲線如圖3 所示。

圖3 不同水泥類別的鋼纖維修補(bǔ)材料荷載-跨中撓度曲線

由圖3 可以看出，當(dāng)鋼纖維的體積摻量為1.2%時(shí)，與PORM、SACRM 相比，MPCRM 的初裂荷載分別提高了18.0%、22.1%，峰值荷載分別提高了15.7%、19.6%，荷載撓度曲線更加飽滿，MPCRM 初裂后，二次強(qiáng)化更明顯，說明MPCRM 具有更好的韌性。這主要也是由于MPCRM 與鋼纖維的握裹力要高于PORM 和SACRM，初裂后MPCRM 與纖維的協(xié)同效果更明顯，裂縫無序擴(kuò)展時(shí)具有更好的裂縫捕捉能力，這也與壓折比和抗沖擊韌性的結(jié)論相一致。

2.3.2 彎曲韌性評(píng)價(jià)

各修補(bǔ)材料的相對(duì)剩余強(qiáng)度如表5 所示。

表5 修補(bǔ)材料的相對(duì)剩余強(qiáng)度 %

由表5 可見，隨著鋼纖維的摻量增加，MPCRM 的相對(duì)剩余強(qiáng)度先提高后降低，說明隨著鋼纖維的體積摻量增加MPCRM 的彎曲韌性先增大后減少，這與圖2 中的荷載-撓度曲線的飽滿程度相匹配，當(dāng)鋼纖維的體積摻量為1.6%時(shí)，MPCRM 的彎曲韌性最佳，MPCRM-1.6 的相對(duì)剩余強(qiáng)度最大，為88.78%，比PORM-1.2 和SACRM-1.2 分別增加了9.11%和12.35%。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)鋼纖維的體積摻量為1.2%時(shí)，MPCRM 折壓比達(dá)到最大值，為0.22；與PORM 和SACRM 相比，鋼纖維對(duì)MPCRM的折壓比提高效果更明顯。

（2）鋼纖維的摻入可以明顯提高M(jìn)PCRM 的抗沖擊韌性，鋼纖維的體積摻量為1.2%～1.6%時(shí)，MPCRM 的抗沖擊韌性最佳。

（3）隨著鋼纖維的體積摻量增加，MPCRM 試件的彎曲開裂荷載和峰值荷載均提高；鋼纖維體積摻量為0、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%的MPCRM 試件的殘余荷載對(duì)應(yīng)的跨中撓度分別為0.13、0.56、1.01、2.13、2.59、2.48 mm。

（4）與鋼纖維PORM 試件和鋼纖維SACRM 試件相比，鋼纖維MPCRM 的荷載-撓度曲線更加飽滿，二次強(qiáng)化更明顯；當(dāng)鋼纖維的體積摻量為1.6%時(shí)，MPCRM 的相對(duì)剩余強(qiáng)度達(dá)到了最大值，為88.78%。

（5）在制備鋼纖維增強(qiáng)水泥基修補(bǔ)材料時(shí)，鋼纖維對(duì)MPCRM 韌性提高具有更好的效果。