合成纤维特征参数对砂浆流变行为的影响

阳知乾，张倩倩，刘建忠，林 玮，崔 巩

（1.江苏省建筑科学研究院有限公司 高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏 南京 210008；2.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 211103）

0 引言

在过去的几十年里，国内外的众多学者关注着纤维对混凝土硬化后力学性能及耐久性能的提升作用并取得了丰富的研究成果[1-2].纤维混凝土设计通常也是从满足力学性能及耐久性要求出发，然而在满足这些性能要求的同时，往往纤维混凝土的工作性能无法达到施工要求.目前关于纤维对混凝土工作性影响研究报道较少，但仅有的一些研究结果均表明加入纤维后会导致混凝土的工作性能降低[3-4].Ferrrara[4]等人的研究表明纤维长度增大和掺量增加导致混凝土坍落度和扩展度明显降低.Joung[5]等人研究结果表明纤维形状对混凝土工作性能影响显著.BanfillPFG[6-9]等人尝试建立坍落度与屈服应力之间有本质关联，Martinie[10]通过计算机模拟技术探讨了各种类型钢纤维纤维掺量对浆体屈服应力的影响机制.然而目前关于纤维对砂浆混凝土流变性能的影响，从试验研究与计算机模拟均主要考虑钢纤维，对合成纤维很少涉及，主要是由于合成纤维在拌合过程中容易卷曲变形，难以保持其原有形态，给理论描述与计算机模拟均带来困难.

基于流变学原理，采用流变性能科学表征混凝土的工作性能，探究合成纤维特征参数对砂浆流变行为的影响机制，为纤维混凝土的工作性能设计提供依据.

1 试验

1.1 原材料

江南小野田水泥有限公司生产的P II52.5硅酸盐水泥，密度3.13 g/cm3；普通河砂，细度模数2.6；聚羧酸系高性能减水剂、消泡剂及纤维均为江苏苏博特新材料股份有限公司产品，其中纤维具体特征参数见表1.

1.2 试验方法

试验中涉及砂浆含气量、流动性、以及流变性能测试.砂浆含气量通过测试砂浆的容重来间接评价.砂浆流动性参考GB/T 2419-2005水泥胶砂流动度测定方法.

砂浆流变性能测试采用冰岛ConTec公司生产的Viscometer 5砂浆混凝土流变仪，选择M-130测试系统，测试程序见图1.砂浆流变性能的剪切速率范围在0.1～0.5 rpm之间，通过测试剪切速率从0.5 rpm下降到0.1 rpm过程中的剪切应力变化，采集下降过程中7个分段的剪切应力并分段取平均值，进而根据Bingham模型进行拟合，得到砂浆屈服应力和塑性粘度.

表1 纤维特征参数Tab.1 Characteristic parametersof fibers

2 试验结果与分析

试验中固定砂浆水胶比为0.35，砂胶比为1.2，减水剂用量0.4%.研究纤维直径、长度、截面形状、表面特征如物理形貌、油剂等对砂浆流变行为的影响.纤维特征参数对砂浆流变行为的试验结果见表2.

结合表2和图2中纤维长度对流变性能的影响结果可以发现，纤维越长，相同含气量时砂浆流动性越差，屈服应力越高，粘度也略有增加.PP1-PP4纤维长度分别为5 mm、6mm、10mm和12mm，其它特征参数相同.掺入PP1和PP3增加了砂浆的含气量，且两者含气量相当.随着纤维长度从5mm增加到10mm，流动度从305mm降低至275mm，屈服应力和塑性粘度也分别增加了17%和5%.PP2和PP4以及PVA1和PVA2纤维同样具有类似的效果.以上结果均表明纤维长度对屈服应力的影响比对塑性粘度的影响显著.纤维长度的增加，会导致纤维之间更易搭接，形成纤维“骨架”结构，增加了浆体开始流动需克服的阻力以及流动过程中的阻力，因此砂浆屈服应力显著增加，塑性粘度也有所提高.

表2 砂浆新拌性能Tab.2 Fresh propertiesofmortar

2.2 纤维直径对流变的影响

图3为纤维直径对砂浆流变性能的影响，结合表2中结果可以看出：纤维直径对砂浆流变性能有明显作用，纤维直径越小，流动度越小，屈服应力和塑性粘度越大.PVA2和PVA3的纤维长度均为12mm，直径分别为13.9 m和26.2 m，其它特征参数相同.两种纤维掺量为0.1%时，对砂浆含气量的影响类似；然而纤维直径减小，砂浆流动度大幅度降低，屈服应力和塑性粘度均显著提高.减小纤维直径意味着增加纤维根数，导致搭接的纤维数目增大，纤维“骨架”结构密实，因而导致浆体流动阻力增大，进而增加了砂浆屈服应力和塑性粘度.此外，减小纤维直径也意味着提高了纤维与砂浆接触的面积，接触面积的增加导致纤维表面包裹的浆体量增多，砂浆中富余浆体厚度降低，因而进一步增加了砂浆屈服应力和塑性粘度.

2.3 纤维掺量对流变的影响

PVA纤维掺量对砂浆流变行为的影响见图4和表2.结果表明：增加纤维掺量显著降低砂浆流动度，增加屈服应力和塑性粘度.PVA5纤维掺量从0%增加了0.3%，砂浆含气量逐渐增大，砂浆流动度则从305 mm降低至210 mm，屈服应力和塑性粘度也分别增加了119%和79%.增加纤维掺量意味纤维根数、纤维与浆体接触面积显著增大，因此导致砂浆流变性能随掺量增加而变差.

2.4 纤维表、截面特征对流变的影响

此外，纤维表观也是影响砂浆性能的重要因素.考虑纤维截面形状以及纤维表面特征对砂浆流变性能的影响，结果见图4和表2.PP1和PP5的纤维截面分别为圆形和三角形，相同掺量时，掺加三角形截面纤维的砂浆屈服应力高于掺加圆形截面纤维的砂浆，而流动度和塑性粘度基本相同.与圆形截面纤维相比，三角形截面纤维与浆体间摩擦阻力更大，因而导致浆体流动阻力增加；当相同体积掺量时，三角形截面纤维与浆体接触面积大于圆形截面纤维，导致了纤维与浆体接触面积增加，对砂浆流变性能也将产生负面影响.图1中已表明了纤维越短对流变性能的影响越小.PP1和PP5纤维的长度仅为5 mm，因此可认为是由于纤维长度因素，导致了纤维截面形貌对砂浆流变影响不显著.PVA3、PVA4和PVA5 3种纤维的表观状态分别为表面光滑、表面粗糙化以及表面含油剂，此外3种纤维的直径、长度和截面形状也略有差异.从试验结果来看，表面油剂对砂浆引气的影响要高于其他特征参数；尽管表面粗造化处理会导致纤维与浆体间摩擦力增大，以及肾形纤维会增加纤维与浆体间的接触面积，但纤维直径对砂浆流变性能的影响要比其他参数显著.PVA4表面经过粗糙化处理，但是由于其直径明显大于其它纤维，因此掺入 PVA4后，砂浆的流动度仅从310 mm减小到300mm，且屈服应力和塑性粘度增加幅度较小.

2.5 纤维引气对流变的影响

表2中结果显示掺入纤维后将导致砂浆含气量增大，然而增加含气量必然导致砂浆流动度降低，屈服应力和塑性粘度增加.因此本研究通过掺加消泡剂，考察含气量相同时，纤维对流变性能的影响（见图6）.掺入适当消泡剂后，控制PP2-XP的含气量与基准砂浆近似.比较PP2和PP2-XP砂浆的流变性能发现，消除含气量的影响后，掺入0.1%的6mmPP2对砂浆流变性能的影响较小，流动度仅从310mm降低到300mm，明显高于PP2砂浆；屈服应力和塑性粘度的增幅也明显低于PP2砂浆.因此，可认为纤维对流变性能的影响与纤维的引气作用密切相关.为降低纤维对流变性能的负面作用，可适当掺入一定量消泡剂，控制砂浆/混凝土含气量.

3 结论

1）增加纤维长度导致纤维之间易搭接，形成纤维“骨架”结构，增加了浆体开始流动需克服的阻力以及流动过程中的阻力，导致砂浆流动性越差，屈服应力越高，塑性粘度略有增加.

2）减小纤维直径和增加掺量均增加纤维根数以及纤维与浆体作用面积，增加了浆体流动阻力以及降低了富余浆体厚度，导致砂浆屈服应力和塑性粘度显著增大.

3）纤维表观对砂浆流变性能有一定影响.与圆形截面纤维相比，三角形截面纤维与浆体摩擦阻力更强且接触面积更大，导致砂浆的流动性更差；表面含油剂的纤维会导致砂浆含气量大幅度增加.

4）纤维对砂浆流变性能的影响与其引气作用密切相关，掺入纤维增加了砂浆含气量，消除多余的含气量可减小纤维对砂浆流变性能的负面作用.

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