尼龙纤维增强水泥砂浆性能的试验研究

马晓杰，吴　芳，李　鹏

(重庆大学材料科学与工程学院，重庆　400045)



尼龙纤维增强水泥砂浆性能的试验研究

马晓杰，吴芳，李鹏

(重庆大学材料科学与工程学院，重庆400045)

本文分析了尼龙纤维的不同体积掺量(0.05%，0.1%，0.2%，0.3%)及不同纤维长度(6mm，12mm，15mm，19mm)对水泥砂浆的抗折强度、抗压强度、韧性(折压比)及干缩性能的影响。结果表明，尼龙纤维的掺入能有效提高砂浆的抗折强度、折压比及降低同龄期下的自由干缩率，但抗压强度变化不很明显，甚至有一定程度的降低。

砂浆； 尼龙纤维； 折压比； 干缩率

1　引　言

普通水泥砂浆存在很多固有缺陷，比如脆性大、韧性差、凝结与硬化过程中收缩大、极限延伸率小等，这些都是水泥砂浆发展的制约因素，进而影响其在工程中的广泛应用。当前，国内外学者一致认为在水泥基材料中掺入纤维是改善上述缺陷的有效手段。我国混凝土领域的著名专家、中国工程院院士吴中伟教授曾经特别强调：水泥基材料向高性能发展的关键就是复合化，而纤维增强则是重中之重[1]。此外，纤维增强改性工艺简单、效果显著、成本低廉而被人们广泛应用[2],而且当其作为增强材料掺入砂浆中时，可以有效提高砂浆的抗拉强度、抗渗性、减少砂浆在硬化过程中产生微裂纹并阻止其扩展，增加砂浆的断裂韧性[3-5]。由此可见,研究纤维增强水泥砂浆对于研制高性能砂浆具有重大意义。

尼龙纤维的弹性模量较低、延性较高, 可有效提高水泥基材料的韧性,同时不影响和易性。其物化稳定性好、抗腐蚀性能优异，使得水泥基材料具有优良的耐久性。与最常用的聚丙烯纤维相比，其抗拉强度要高出30%～50%，因此在掺量相同的前提下尼龙纤维的增强效果要优于聚丙烯纤维。本试验拟通过掺入不同掺量及长度的尼龙纤维来研究纤维掺量及纤维长度对尼龙纤维水泥砂浆力学性能及干缩性能的影响。

2　试　验

2.1试验原材料

水泥：产自重庆富煌水泥厂的42.5R普通硅酸盐水泥；砂：本试验所选用的砂为普通河砂，细度模数为2.5；减水剂：选用重庆科之杰新材料集团有限公司生产的聚羧酸高效减水剂(溶液)，减水率20%；尼龙纤维：美国杜邦尼龙纤维，直径为23μm，长度为6mm、12mm、15mm、19mm，抗拉强度为900MPa，弹性模量为5.17GPa，密度为1.16g/cm3，熔点为224 ℃。

2.2试验方法

抗折、抗压强度与收缩率的测试均参照JGJ70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法》。

试验选取的尼龙纤维长度分别为6mm、12mm、15mm、19mm，各长度纤维的体积掺量分别为0.05%、0.1%、0.2%、0.3%，具体方案如表1所示。其中基本砂浆配合比定为：水胶比=0.4，胶砂比=1∶2.5，减水剂掺量为水泥质量的0.6%。采用水泥胶砂搅拌机搅拌砂浆, 先将水泥、砂和尼龙纤维放入搅拌机内干拌2min,使纤维分散均匀,然后加入水和减水剂，再搅拌2min。

表1　试验方案

3　结果与讨论

3.1抗折强度试验结果与分析

根据表1所列试验方案，测试水泥砂浆3d和28d的抗折强度。

3.1.1纤维掺量对砂浆抗折强度的影响

图1和图2为纤维掺量对砂浆3d、28d抗折强度影响的曲线。

图1和图2表明，掺入尼龙纤维可以显著提高砂浆的早期抗折强度。在3d龄期时，15mm长度纤维在掺量0.1%时砂浆的抗折强度达到最大值，比空白试样提高了15.19%，之后随着掺量的进一步增加抗折强度开始下降，掺量为0.2%和0.3%时分别比空白试样提高了9.74%和4.44%。6mm、12mm、19mm这三种长度的纤维均在掺量为0.2%时砂浆的抗折强度达到最大值，分别比空白试样提高了13.75%、10.17%、18.77%，之后随着掺量的进一步增加抗折强度均开始下降。28d龄期时，抗折强度的变化不如3d明显，对于四种长度的纤维，砂浆抗折强度都随掺量的增加先上升后降低，其中6mm、15mm、19mm长度的纤维在掺量0.1%时达到峰值，比空白试样分别提高了11.34%、10.26%、6.37%，之后随着掺量的继续增加砂浆抗折强度略微下降，掺量为0.2%时比空白试样分别提高了6.69%、9.72%、5.29%。12mm长度纤维在掺量为0.2%时砂浆抗折强度达到峰值，比空白试样提高了10.04%，之后随着掺量进一步增加砂浆抗折强度急剧下降。这是因为砂浆的抗折强度和砂浆内部的微裂缝有很大关系，掺入尼龙纤维后，由于纤维的三维乱向分布，抑制了微裂缝的形成与发展，从而提高了砂浆的抗折强度[6]。但是纤维掺量过大时，纤维难以均匀分布而结团，从而导致基体局部缺陷，纤维无法发挥桥接裂缝的作用而导致砂浆抗折强度下降[7]。由此可见，如果纤维掺量恰当，将会显著提高砂浆的抗折强度，所以从提高砂浆抗折强度的角度出发，本试验范围内各长度纤维的最佳掺量为0.2%。

图1　纤维掺量对砂浆3 d抗折强度的影响Fig.1　Effect of fiber content on flexural strength of 3 d

图2　纤维掺量对砂浆28 d抗折强度的影响Fig.2　Effect of fiber content on flexural strength of 28 d

3.1.2纤维长度对砂浆抗折强度的影响

图3和图4为纤维长度对砂浆3d、28d抗折强度影响的曲线。

图3　纤维长度对砂浆3 d抗折强度的影响Fig.3　 Effect of fiber length on flexural strength of 3 d

图4　纤维长度对砂浆28 d抗折强度的Fig.4　Effect of fiber length on flexural strength of 28 d

从图3和图4总体变化趋势来看，在不同纤维水平掺量下，水泥砂浆抗折强度基本上随着纤维长度的增加呈现出“波浪式”的变化规律，且在6mm和15mm长度下达到较为理想的增强效果。3d龄期时，6mm和15mm两种长度纤维在四种掺量下，试件抗折强度基本相当，且较为理想。虽然在0.2%和0.3%两种掺量下，19mm纤维砂浆的抗折强度比15mm有所提升，但掺量为0.05%和0.1%时，19mm纤维砂浆的抗折强度均有较大幅度下降。到28d龄期，在0.2%掺量下，抗折强度随纤维长度变化相对平缓；而当纤维掺量为0.05%、0.1%和0.3%时，抗折强度随着纤维长度的增加呈现出明显的“波浪形”变化趋势，且分别在长度为6mm和15mm时，抗折强度达到较大值。综上所述，从提高砂浆抗折强度方面考虑，最适宜的纤维长度为6mm和15mm。

3.2抗压强度试验结果与分析

根据表1所列试验方案，测试水泥砂浆3d和28d的抗压强度。

3.2.1纤维掺量对砂浆抗压强度的影响

图5和图6为纤维掺量对砂浆3d、28d抗压强度影响的曲线。

从图5和图6的变化趋势可以看出，各长度纤维在不同掺量下对砂浆抗压强度提高的贡献微乎其微，甚至在28d龄期时表现出较为显著的负面影响。3d龄期时，长度为15mm和19mm的纤维对砂浆抗压强度的提高相对明显，分别在0.1%和0.2%的掺量达到峰值，但相对空白试件仅仅提高了5.23%和8.52%，而其余试件的抗压强度基本都小于空白组。龄期为28d时，试件抗压强度的下降更为明显，虽然掺量增加到0.3%时，四种长度纤维砂浆的抗压强度均有一定程度的增加，但6mm和19mm长度的纤维砂浆抗压强度仍低于空白组，另外两种长度的纤维砂浆也仅仅比空白组提高了1.71%和6.14%。因此，综合来看，尼龙纤维对水泥砂浆的抗压强度起到的是负面影响，从提高砂浆抗压强度的角度出发，不建议掺入尼龙纤维。这是因为尼龙纤维的弹模远低于水泥砂浆，因此掺入之后会降低砂浆的抗压强度；其次，将尼龙纤维掺入砂浆后，会在纤维与砂浆之间产生薄弱界面；最后，掺入尼龙纤维，会增加砂浆的含气量，这也导致砂浆抗压强度的下降[8]。

图5　纤维掺量对砂浆3 d抗压强度的影响Fig.5　Effect of fiber content on compressive strength of 3 d

图6　纤维掺量对砂浆28 d抗压强度的影响Fig.6　Effect of fiber content on compressive strength of 28 d

3.2.2纤维长度对砂浆抗压强度的影响

图7和图8为纤维长度对砂浆3d、28d抗压强度影响的曲线。

图7　纤维长度对砂浆3 d抗压强度的影响Fig.7　Effect of fiber length on compressive strength of 3 d

图8　纤维长度对砂浆28 d抗压强度的影响Fig.8　Effect of fiber length on compressive strength of 28 d

图7和图8显示了尼龙纤维水泥砂浆在四种纤维掺量下3d和28d抗压强度随纤维长度的变化规律。整体来看，对于各个水平掺量，随纤维长度的增加，砂浆抗压强度的提高并不明显，多数试件的抗压强度都不及空白组，有的甚至远远低于空白组。

3.3折压比试验结果与分析

砂浆的折压比，即抗折强度与抗压强度的比值，用来反映砂浆的另一个重要指标—韧性，折压比与韧性成正相关[9]。根据前面做出的抗折强度与抗压强度数据绘制出纤维掺量及纤维长度对砂浆3d、28d折压比影响的曲线，如图9～12。

3.3.1纤维掺量对砂浆折压比的影响

图9　纤维掺量对砂浆3 d折压比的影响Fig.9　Effect of fiber content on flexural-compressive ratio of 3 d

图10　纤维掺量对砂浆28 d折压比的影响Fig.10　Effect of fiber content on flexural-compressive ratio of 28 d

图9和图10表明，四种长度的纤维随着掺量的增加，砂浆的折压比都呈现出先增大后减小的规律，即都存在一个峰值。3d龄期时，四种长度的纤维随着掺量的增加，砂浆的折压比均成逐渐上升趋势，当纤维掺量达到0.2%时，6mm、12mm、15mm、19mm这四种长度纤维砂浆的折压比均达到峰值，分别比空白试件高了26.84%、21.58%、18.42%、9.47%，当纤维掺量继续增加到0.3%时，四种长度纤维砂浆的折压比均比之前有所降低，但仍高于空白试件。28d龄期时，12mm和19mm两种长度的纤维在掺量为0.1%时砂浆的折压比达到峰值，分别比空白试件高了14.29%、20.88%；6mm和15mm两种长度的纤维在掺入量为0.2%时砂浆的折压比达到峰值，分别比空白试件提高了28.02%、19.78%，除了12mm长度纤维在掺量0.05%时折压比低于空白组，其余试件的折压比均高于空白组。由以上分析可知，对于砂浆的折压比而言，本试验范围内各长度纤维的最佳掺量为0.1%和0.2%。

图11　纤维长度对砂浆3 d折压比的影响Fig.11　Effect of fiber length on flexural-compressive ratio of 3 d

图12　纤维长度对砂浆28 d折压比的影响Fig.12　Effect of fiber length on flexural-compressive ratio of 28 d

从图11和图12可以看出，在各个纤维掺量下，水泥砂浆3d折压比基本上随着纤维长度的增加呈现出先增大后减小的趋势，而28d的折压比随着纤维长度的增加呈现出“波浪式”的变化规律。对于3d龄期而言，0.05%、0.1%、0.2%这三种水平掺量当纤维长度为6mm时，砂浆的折压比均达到峰值，之后随着纤维长度的增加，折压比逐渐降低；掺量为0.3%时，虽然砂浆折压比的最大值出现在15mm处，但纤维长度为6mm时砂浆折压比依然比空白组高了6.32%。28d龄期时，四种水平掺量的纤维，在纤维长度为6mm时，砂浆均表现出了较高的折压比。综上，从纤维长度方面考虑，砂浆折压比最适宜的纤维长度为6mm。

3.4自由干缩试验结果与分析

根据表1中的试验方案及JGJ70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法》成型砂浆试件，分别测试试件的初始长度以及3d、7d、14d、28d的长度，再计算出每组试件对应的干缩率。图13～20为不同纤维掺量及不同纤维长度砂浆干缩率随龄期变化的曲线。

图13　纤维长度为6 mm时不同纤维掺量砂浆收缩率随龄期变化的曲线Fig.13　Curve of shrinkage rate of different content fiber reinforced mortar over age changes when the fiber length is 6 mm

图14　纤维长度为12 mm时不同纤维掺量砂浆收缩率随龄期变化的曲线Fig.14　Curve of shrinkage rate of different content fiber reinforced mortar over age changes when the fiber length is 12 mm

图15　纤维长度为15 mm时不同纤维掺量砂浆收缩率随龄期变化的曲线Fig.15　Curve of shrinkage rate of different content fiber reinforced mortar over age changes when the fiber length is 15 mm

图16　纤维长度为19 mm时不同纤维掺量砂浆收缩率随龄期变化的曲线Fig.16　Curve of shrinkage rate of different content fiber reinforced mortar over age changes when the fiber length is 19 mm

从图13～20可以看出，尼龙纤维的掺入可以大大提高砂浆的抗干缩性能。掺入尼龙纤维的砂浆在各个龄期下的干缩率都小于空白试件，且随着龄期的增加这种差别越来越明显。由图13～16可以看出，不管是哪种长度的纤维，在同一龄期下，干缩率均随着掺量的增加而减小；从图17～20可以看出，不管纤维以何种水平掺量掺入，在同一龄期下，干缩率基本上随着纤维长度的增加而减小。因此，从改善砂浆干缩率方面考虑，最佳的纤维掺量为0.3%，最佳纤维长度为19mm。但是，如果纤维掺量过高、长度过长，将增加纤维均匀分布的难度，容易在砂浆中形成新的薄弱区域，且导致新拌砂浆施工和易性差，因此最终确定尼龙纤维的适宜掺量为0.2%、长度为15mm。

加入尼龙纤维可以减小砂浆的干缩率，原因有以下几点：首先加入的纤维可以挤压甚至堵塞砂浆内部的毛细管，有效遏制了毛细管内部的水分迁移，减少了水分的散失，大大降低了毛细管失水形成的张力，即使有一定的收缩应力，尼龙纤维也可以起到很好的传递应力的作用[10,11]。其次，由于尼龙纤维的弹性模量较低，加入到水泥砂浆后，会降低硬化砂浆的弹性模量，从而减小了砂浆内部的收缩应力。最后，加入的纤维可以有效抑制微裂缝的形成和发展[12]。这些综合因素导致了尼龙纤维砂浆的干缩率减小。

图17　纤维掺量为0.05%时不同长度纤维增强砂浆的收缩率随龄期变化的曲线 Fig.17　Curve of shrinkage rate of different length fiber reinforced mortar over age changes when the fiber content is 0.05%

图18　纤维掺量为0.1%时不同长度纤维增强砂浆的收缩率随龄期变化的曲线Fig.18　Curve of shrinkage rate of different length fiber reinforced mortar over age changes when the fiber content is 0.1%

图19　纤维掺量为0.2%时不同长度纤维增强砂浆的收缩率随龄期变化的曲线Fig.19　Curve of shrinkage rate of different length fiber reinforced mortar over age changes when the fiber content is 0.2%

图20　纤维掺量为0.3%时不同长度纤维增强砂浆的收缩率随龄期变化的曲线Fig.20　Curve of shrinkage rate of different length fiber reinforced mortar over age changes when the fiber content is 0.3%

4　结　论

(1)尼龙纤维对砂浆抗折强度有着明显的增强作用，特别是3d强度增强效果尤为显著。对于砂浆的抗折强度而言，本试验范围内尼龙纤维的最佳掺量为0.2%，最适宜的纤维长度为6mm和15mm；

(2)尼龙纤维对砂浆抗压强度提高的贡献微乎其微，甚至表现出较为显著的负面影响。从提高砂浆抗压强度的角度出发，不建议掺入尼龙纤维；

(3)尼龙纤维对于提高砂浆的折压比(韧性)效果显著，最佳掺量为0.1%和0.2%，适宜的纤维长度为6mm；

(4)尼龙纤维对提高砂浆的抗干缩性能作用非常明显。掺入尼龙纤维的砂浆在各个龄期下的干缩率都小于空白试件，且随着龄期的增加这种差别越来越明显。在改善砂浆干缩率这一方面，考虑到纤维分散均匀、施工和易性等因素，确定尼龙纤维的适宜掺量为0.2%、长度为15mm。

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PropertiesofNylonFiberReinforcedCementMortar

MA Xiao-jie,WU Fang,LI Peng

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering，ChongqingUniversity，Chongqing400045，China)

Theeffectofdifferentvolumecontentofnylonfiber(0.05%, 0.1%, 0.2%, 0.3%)anddifferentfiberlength(6mm, 12mm, 15mm, 19mm)onflexuralstrength,compressivestrength,toughness(flexural-compressiveratio)andshrinkagerateofcementmortarwereanalyzed.Thetestresultsshowedthatnylonfibercouldimprovetheflexuralstrengthandflexural-compressiveratioofcementmortareffectively.Apartfromthis,nylonfibercouldreducetheshrinkageratioofmortarunderthesameage.Butithadlittleeffectonthecompressivestrength,evenhadacertaindegreeofreduction.

mortar;nylonfiber;flexural-compressiveratio;shrinkagerate

马晓杰(1990-)，男，硕士研究生.主要从事纤维增强砂浆的配制及其性能方面的研究.

TQ172

A

1001-1625(2016)01-0328-08