钢纤维对聚合物水泥砂浆力学性能的影响＊

孟 玮，邓云飞，孙 强

（南京理工大学泰州科技学院 土木工程学院，江苏 泰州 225300）

1 聚合物砂浆的研究现状

20世纪80年代至今，关于聚合物改性砂浆的问题一直被很多中外学者所关注和研究，国内外众多学者对聚合物改性砂浆的认识和应用也都进行了大量的探索性研究，并在其领域取得了丰硕的研究成果。

1923年Creson第一个申请了聚合物改性水泥体系的专利，1932年Band提出了关于人造橡胶改性水泥砂浆和混凝土的专利申请［1］。自此以后，有更多的国家根据实际工程的需求，拉开了聚合物改性水泥砂浆研究的帷幕。如利用丁苯乳胶、氯丁乳胶、树脂等对水泥砂浆和混凝土进行改性。20世纪80年代以来，随着对聚合物砂浆研究的成果的大量出现，人们开始对聚合物改性水泥基材料机理方面进行研究。

聚合物砂浆在日本早已商品化，从19世纪70年代开始至今，工程应用领域已经离不开聚合物砂浆的使用。在日本开展了大量关于聚合物在改性砂浆过程中性能的应用和研究。与此同时，还研制了新型的液体树脂，促进了聚合物砂浆的发展，大大地改善了材料的粘结强度。为了弥补聚合物改性砂浆强度方面的不足，可以掺入钢纤维、碳纤维、玻璃纤维等人造纤维来改善其性能。

我国从20世纪90年代起开始尝试研究将聚合物水泥砂浆应用于公路工程当中，并逐步深入研究聚合物在砂浆改性方面的应用。例如掺入丁苯胶乳、氯丁胶乳、天然乳胶、氯偏胶乳、丙烯酸醋共聚胶乳等聚合物来对砂浆进行改性，并将其使用在一些特殊的工程应用上，比如外墙防潮、喷涂、工程防漏等方面。

利用纤维增强来改善混凝土强度的技术，现在在国内外已经有较多相关的研究成果［2－3］。不少学者研究了将纤维混凝土、高强混凝土以及自密实混凝土3种技术融合在一起的技术，并将其成功应用于实际工程当中。但是国内外关于用钢纤维来改善砂浆性能的研究尚且不多。本文的目的，旨在通过对钢纤维掺量的调整来探究其对聚合物水泥砂浆力学性能的影响。

2 试验材料及设备

2.1 试验材料

试验采用无锡水泥厂生产的P.O42.5硅酸盐水泥，密度为3.10g／cm3，各项指标满足 GB 175—2007中的相关标准。表1所示为其主要化学成分，表2所示为其力学性能相关指标。试验中水泥强度不低于42.5MPa，水灰比不大于0.5。

表1 水泥原料的化学组成Table 1 Composition of cement

表2 水泥力学性能指标Table 2 Mechanical properties of cement

试验中的砂采用普通河砂。为了避免河砂中的含水量过高影响试验的效果，提前将河砂在烤箱内作了烘干处理，温度控制在105℃（±5℃），冷却。根据《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》对河砂进行测量，最终测得河砂的表面密度为2.66g／cm3，泥含量满足相关要求。试验用砂经直径为0.002 5m的筛子筛除，测得其细度模数Mx＝2.4。

为了制得品质稳定、使用方便和高效的聚合物改性水泥砂浆，试验选用的聚合物为苏州中材非金属矿工业设计研究院研制的聚合物乳液（以下简称A乳液）。

文中采用的钢纤维，表面洁净，没有锈蚀，呈分散分布，没有粘结成团现象，平均长度为0.04m，单根钢纤维丝的最低抗拉强度为800MPa，如图1所示。钢纤维掺入到聚合物砂浆后，在搅拌过程中，要注意使钢纤维分布均匀，防止大量沉底。

图1 钢纤维Fig.1 Steel fiber

试验使用的主要仪器如表3所示。其他仪器有水泥凝结时间测定仪、振实台、试模、套模、下料漏斗、圆钵、圆铲、金属刮平直尺等。

表3 主要仪器Table 3 Main instruments

2.2 试件养护

试件养护按《聚合物改性水泥砂浆试验规程》（DL／T 5126—2001）规定进行［3］。将试模放入雾室或养护箱（温度（20±1）℃，相对湿度大于90%），进行20～24h的养护处理之后，将试模取出。脱模过程中要避免损坏试件，针对硬化时间较长的水泥，可酌情考虑延长脱模时间，并作好脱模时间的记录。脱模后，立刻放入水槽中进行养护，水温应当保持在（20±1）℃，养护用水高出试件顶部5mm左右，试件之间的摆放距离保持在5mm左右，养护至龄期后即停止养护。每个养护池只养护同类型的水泥试件，不允许在养护期间全部换水。

3 试验结果

试验分组：在水灰比、聚灰比、灰砂比、流动度、养护方法等保持不变的情况下，将钢纤维掺量／砂子用量从1%变化至10%，养护至7d及28d龄期，研究不同龄期下聚合物砂浆的力学性能。试验配合比如表4所示，各龄期下砂浆力学性能变化情况如图2至图5所示。

表4 聚合物水泥砂浆配合比Table 4 Mortar mixture of polymer cement

图2 7d龄期下不同钢纤维掺量的聚合物砂浆抗折强度影响Fig.2 Effect of 7dsteel fiber volumes on the flexural strength of motar

图3 7d龄期下不同钢纤维掺量的聚合物砂浆力学抗压强度影响Fig.3 Effect of 7dsteel fiber volumes on the compressive strength of motar

图4 不同钢纤维掺量对28d龄期下聚合物砂浆抗折强度影响Fig.4 Effect of steel fiber volumes on the flexural strength of 28dmotar

图5 不同钢纤维掺量对28d龄期下聚合物砂浆抗压强度影响Fig.5 Effect of steel fiber volumes on the compressive strength of 28dmotar

由图2和图4可得，在7d龄期和28d龄期，随着钢纤维掺加量的增加，聚合物砂浆的抗折强度随之也有稳步的提高，但28d龄期的抗折强度相对于7d龄期的抗折强度并无明显提高。由图3及图5可得，28d龄期的聚合物水泥砂浆的抗压强度较7d龄期的砂浆抗压强度有10%左右的提高，但是随着养护时间的继续增长，并没有较大幅度的提高。在7d龄期和28d龄期条件下，当钢纤维掺加量／砂用量达到4%左右时，聚合物水泥砂浆的抗压强度分别达到最大，而超过此值后继续增加钢纤维掺量对抗压强度的提高并无多大贡献。

分析数据，主要原因是试件内部钢纤维的分布具有乱向性，砂浆内部细小裂缝的扩展将会被钢纤维阻碍，能够有效地阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成，一些宏观裂缝的形成也会被钢纤维的联结所抑制，砂浆的力学性能会得到改善。然而，钢纤维的掺入对于砂浆力学性能的影响，也可以类同于钢筋的配筋率对钢筋混凝土强度的影响。超过了一定的掺加率，对于复合材料性能的改变，并不一定一直都起到积极的作用。

4 结论

从文中试验数据可以看出：

（1）在7d及28d龄期时，钢纤维掺量是砂子用量的4%范围内，钢纤维的掺入对砂浆的抗压强度的显著提高有帮助。超过此范围，砂浆的抗压强度随着钢纤维掺量的增加并无明显改善。

（2）在7d及28d龄期时，钢纤维的掺入，可以稳步提高砂浆的抗折强度。与没有掺入钢纤维的砂浆相比，强度提高大约23%左右。

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