尼龙纤维分布情况对砂浆性能的影响研究

摘 要：文章以梯度分布和均匀分布两种方式来掺加尼龙纤维，制做高性能砂浆。对比了两种纤维分布方式对砂浆抗裂性能的不同影响效果。研究结果表明：在砂浆中掺加尼龙纤维可以明显提高水泥砂浆的抗冲击性能、抗压强度、抗弯强度和抗折强度，且尼龙纤维掺量越大，水泥砂浆试块的初裂和终裂冲击次数也越大。采用相同体积掺量的尼龙纤维，尼龙纤维梯度分布与均匀分布相比，更好的增大了水泥砂浆的抗冲击性能、抗压强度、抗弯强度和抗折强度，提高了材料的塑性变形，这为改善水泥基材料的脆性提供了一个有效的方法。

关键词：砂浆；尼龙纤维；梯度分布；均匀分布；抗裂性能

水泥砂浆有良好的施工性，但是存在抗裂性能差，若构件中存在大量的干缩裂纹和温差裂纹，这些裂纹随之间变化，终究会发展成大裂缝，从而影响砂浆的性能，在预拌砂浆中加入尼龙纤维能提高砂浆的抗裂性能。文章通过在水泥砂浆中掺加一定量的尼龙纤维，将其结构按照使用环境的需求呈梯度分布，探索梯度结构对水泥砂浆的抗折、抗压强度和抗冲击性能的影响，使尼龙纤维增强的水泥砂浆可以用在某些特殊的领域。

1 试验研究概况

1.1 原材料

本试验选用42.5普通硅酸盐水泥，标准砂，和长8mm尼龙纤维。

1.2 性能测试方法

本试验试件尺寸为40×40×160mm，各组试样成型完毕后，均采用标准养护，24h后拆模，再放入室温为20±2℃的水中养护到规定天数，按以下所列方式测试其力学性能。

抗折试验在KZJ-6电动抗折试验机上进行，4层梯度分布试样的梯度方向为垂直受力方向，即第1、2层在受拉区，第3、4层在受压区，使富纤维层在受拉区，如图1所示。

用做完抗折试验后得到的半块试样进行抗压强度测定，抗压试验采用YE-30液压式压力实验机。试验时将试样放在抗压夹具内，普通试样的成型面应与受压面垂直，纤维梯度分布的试样成型面应与受压面平行，即梯度方向为垂直受力方向，受压面积为40mm×40mm。将抗压夹具连同试样置于抗压实验机上、下台面之间，下台板球轴应通过试件受压面中心。开动机器，使试件在加荷开始后20～40秒内破坏。记录每个试件的破坏荷载P，抗压强度按下式计算：

2 试验结果与分析

2.1 纤维最佳掺量的确定

本试验中胶砂比取1：2.5，水灰比为0.44，掺加0.8%的萘系高效减水剂。首先确定尼龙纤维掺量最佳掺量，对综合考虑经济性和材料性能，尼龙纤维掺量取0～2.0kg·m-3，抗折、抗压性能指标随掺量变化如表1～2。

从表1中可以看出7天和28天龄期的尼龙纤维砂浆的抗折强度随纤维掺量的变化均表现出相同的规律：即均先随纤维掺量的增大而提高；在纤维掺量达到某个数值——最佳掺量时，抗折强度却随掺量的增大而降低，表现为负增强效应。本试验条件下，尼龙纤维的最佳掺量约为1.0 kg·m-3，在此掺量下7天和28天龄期的抗折强度分别比空白试样增长了23.93%、8.68%。3天时水泥水化程度不同，所以水泥砂浆3天抗折强度没有明显规律可循。

从表2中可以看出尼龙纤维砂浆的3天、7天和28天抗压强度随纤维掺量的变化均表现出相同的规律：即均先随纤维掺量的增大而降低，表现为负增强效应，在纤维掺量达到某个数值时，负增强效应变大，本试验条件下，尼龙纤维掺量大于1.0 kg·m-3时，负增强效应显著，在此掺量下3天、7天和28天龄期的抗压强度分别是空白试样的99.57%、99.61%和89.04%。

2.2 纤维梯度分布试样的制备及性能分析

尼龙纤维梯度分布试样的制备：在空白试样配比基础上外加尼龙纤维，纤维总掺量为1.0kg/m3，各层掺量为：第1层为水泥质量的2kg/m3，第2层为1.5kg/m3，第3层为0.5 kg/m3，第4层为0。试件制作时，将已拌好的4份砂浆依次注入模具，各层浇注时间间隔不能超过30 s，注入每层料浆后振动7s，最后振动20s，在此过程中，各层间组分相互渗透、扩散形成梯度分布。

取不含纤维的空白试样，均匀掺加1.0kg/m3尼龙纤维的试样和尼龙纤维梯度分布试样的抗折、抗压强度，抗冲击性能列于表1。

从表3可知，与空白试样1#相比，掺入尼龙纤维的2#、3#两组抗折强度明显地增大。均匀掺加1.0kg/m3尼龙纤维的2#试样能使砂浆抗折强度增长5.69%，而同等掺量时尼龙纤维梯度分布的3#试样抗折强度增长了9.99%，3#试样比2#试样增长率高，因此纤维梯度分布比均匀分布对抗折强度的增强效果更好一些。尼龙纤维梯度分布时抗压强度的下降程度比均匀分布的明显，下降了29.76%，分析其原因可能是成型面不平整，以及内部各层间界面结合不良造成的。

3#试样的冲击延性指标最大，说明该试样在受冲击变形时保持的强度并且不产生破裂的能力最大，即试样从屈服到破坏之间的变形能力最大。从试验结果得知，纤维的掺入大幅度地提高了水泥砂浆的初裂、终裂冲击次数和冲击延性。相比较而言，尼龙纤维掺入水泥砂浆时梯度分布比均匀分布能更显著地提高砂浆的冲击延性。原因是：在相同掺量时，梯度分布的试样受力面比均匀分布的试样含有更多的纤维，如图2所示。尼龙纤维的分散性和方向性好，纤维在砂浆的方向与裂缝垂直，能最大发挥纤维的阻裂效应从纤维在抗冲击过程中的能耗机理分析。

根据复合材料力学理论，纤维不仅能够转移荷载，还能与基体界面粘合，当沿着纤维方向承受拉力时，外力通过基体传递给纤维，使纤维砂浆复合材料的抗拉强度和冲击延性有所提高，从而改善水泥基材料的性能。本试验中，在相同纤维含量下，纤维的梯度分布，明显地增加了受拉区的纤维含量，在承受最大拉应力部位，梯度分布的纤维含量是均匀分布的2倍。

3 结语

（1）尼龙纤维的掺入可以明显提高水泥砂浆的抗冲击性能、抗压强度、抗弯强度和抗折强度，且尼龙纤维掺量越大，水泥砂浆试块的初裂和终裂冲击次数也越大。

（2）采用相同体积掺量的尼龙纤维，尼龙纤维梯度分布与均匀分布相比，更好的增大了水泥砂浆的抗冲击性能、抗压强度、抗弯强度和抗折强度，提高了材料的塑性变形，这为改善水泥基材料的脆性提供了一个有效的方法。

参考文献

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