改性聚丙烯纤维增强磷酸镁水泥砂浆的力学性能研究

唐建明，李剑，石磊

（重庆建工第二建设有限公司，重庆400045）

改性聚丙烯纤维增强磷酸镁水泥砂浆的力学性能研究

唐建明，李剑，石磊

（重庆建工第二建设有限公司，重庆400045）

增强磷酸镁水泥砂浆（MPCM）的抗弯韧性有利于促进其在混凝土路面修复领域的应用。为了增强MPCM的抗弯韧性，对比研究了未处理和硅烷偶联剂预处理的聚丙烯纤维对MPCM抗弯韧性的影响，分析了预处理聚丙烯纤维增韧MPCM的机制。结果表明，聚丙烯纤维质量掺量0.4%时，MPCM7d抗折强度增大23.5%；6-10mm聚丙烯纤维有利于提高MPCM的抗压强度，而10-19mm聚丙烯纤维更有利于提高MPCM的抗折强度；未处理聚丙烯纤维与磷酸镁水泥（MPC）水化产物之间为物理作用，聚丙烯纤维并未充分发挥增韧效果；用浓度20%的硅烷偶联剂溶液改性处理30～60min有利于改善聚丙烯纤维与MPC水化产物的界面粘结，使MPC水化产物和预处理后的聚丙烯纤维产生嵌合作用，显著地增强了MPCM的抗弯韧性。

磷酸镁水泥砂浆（MPCM）；聚丙烯纤维；抗弯韧性；力学性能；表面改性

磷酸镁水泥砂浆（MPCM）具有凝结硬化快、早期强度高、体积稳定性好等诸多优点，在混凝土路面病害快速修复和混凝土结构加固等领域具有广阔的应用前景[1-4]。但是MPCM具有明显脆性[5-6]，抗弯韧性较差，制约了MPCM在混凝土路面病害快速修复中的应用。因此，研究人员通过掺加聚合物乳液或纤维改善MPCM的抗弯韧性。

聚合物乳液可以改善MPCM的抗弯韧性，但是会导致MPCM各龄期力学性能和工作性能显著降低[7-8]。钢纤维对混凝土具有较好增韧效果[9]，但会严重影响MPCM操作性和工作性，同时也导致其表观密度显著增大。碳纤维弹性模量高，可以显著改善MPCM的韧性，但其价格昂贵，难以在混凝土路面病害修复工程中大规模应用。与上述增韧材料相比，聚丙烯纤维价格低，质量轻，较易分散，且抗拉强度和弹性模量高，因而在混凝土工程中应用较为广泛。掺加适量聚丙烯纤维不会对MPCM的抗压强度和工作性产生不利影响，也不会增加MPCM的表观密度[10-12]。因此，本文采用聚丙烯纤维来改善磷酸镁水泥砂浆（MPCM）的力学性能，尤其是抗弯韧性，并探讨PPF表面改性对MPCM力学性能和抗弯韧性的影响。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

重烧氧化镁比表面积230m2/kg，化学组分见表1。工业级磷酸二氢铵：纯度≥99%，pH值为4.0～4.5，硼砂纯度≥95%，性能指标符合《工业十水合四硼酸二钠》GB/T537-2007一等品要求；聚丙烯纤维（PPF）：直径0.042mm，抗拉强度400MPa，弹性模量3500MPa，密度0.91g/cm3，长度分别为3，6，12，19mm；天然中砂：水洗后烘干，细度模数2.7。硅烷偶联剂，β甲氧基乙氧基硅烷（牌号A-172）：色谱纯度不小于98%，密度1.035 g/cm3；拌合用水为自来水。

1.2 试验方法

表1 重烧MgO化学成分（XRF）

MPCM配合比：重烧氧化镁（M）与磷酸二氢铵（P）质量比为4∶1，硼砂（B）掺量为重烧氧化镁质量的12%，水胶比为W/（M+P+B）=0.16，MPC基体28d抗压强度60～70MPa；中砂（S）掺量M+P+B=0.5S，即MPC与中砂的质量比为1∶2；PPF掺量为质量掺量，按照原材料质量比PPF/（M+P+B）计算，掺量范围0.2%～1.0%。

MPCM试件成型：将重烧氧化镁、磷酸二氢铵、硼砂和中砂干拌3min，然后加入PPF搅拌均匀；加水慢速搅拌10s后快速搅拌3min，然后浇筑成型40mm×40mm×160mm的试件；试件放置在温度20±2℃，相对湿度60%～80%的室内养护。

力学性能测试：MPCM抗压和抗折强度参照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》GB/T 17671—1999，待MPCM试件养护到相应龄期后测定。

PPF表面改性：在不同浓度硅烷偶联剂溶液中放置一定时间后取出，在40℃烘箱中晾干后待用。

图1 PPF对MPCM抗压强度的影响

2 结果与讨论

2.1 PPF掺量对MPCM抗压强度的影响

首先研究了PPF掺量对MPCM抗压强度的影响。由于MPCM的抗压强度增长主要在7d龄期以前，此后MPCM抗压强度增长缓慢，因此主要测试了PPF掺量对MPCM的2h、1d和7d抗压强度的影响，结果见图1。

根据图1，随着PPF掺量增加，MPCM各龄期的抗压强度均比未掺加PPF时有所增加，尤其是PPF掺量达到0.6%以后，MPCM的2h和1d抗压强度显著增长。以6mmPPF为例，PPF掺量0.6%时，MPCM的2h、1d和7d抗压强度分别比未掺加PPF的同龄期的MPCM试件增长28.9%、12.8%、6.0%。PPF掺量0.4%～0.8%时更有利于提高MPCM的抗压强度。然而，当PPF掺量增加到1.0%时，掺加12mm和19mmPPF的MPCM的抗压强度呈现逐渐下降的趋势。

除了掺量，PPF长度也会对MPCM的抗压强度产生影响。根据图1，长度6mm的PPF更有利于提高MPCM的2h、1d和7d抗压强度，其次是长度3mmPPF。而掺加长度12mm和19mm的PPF时，随着PPF掺量的增加，抗压强度的增长幅度明显小于掺加6mmPPF的MPCM，PPF掺量较高时甚至还导致MPCM抗压强度下降。这主要是由于随着长度增加，PPF在MPCM基体中分散性降低，PPF分散不均匀导致MPCM基体产生更多缺陷，导致MPCM抗压强度逐渐降低。

2.2 PPF掺量对MPCM抗折强度的影响

由于MPCM的抗压强度很高，掺加PPF的主要目的是提高MPCM的抗折强度，从而增强其抗弯韧性。PPF对MPCM的2h、1d和7d抗折强度的影响见图2。

根据图2，PPF掺量0.2%时，PPF长度对MPCM抗折强度的影响无显著差异；PPF掺量0.4%时，长度12mmPPF对MPCM抗折强度的增强作用更为显著；PPF掺量达到0.6%时，长度12mm和19mm的PPF对MPCM抗折强度增强效果最好。12mmPPF掺量为0.6%时，MPCM的2h、1d和7d抗折强度相比于未掺加PPF时分别增大了60.0%，43.3%和36.5%。PPF掺量较少时，PPF的分散性相对较好，长度较大的PPF更容易相互搭接形成网络，在弯曲力作用下，长纤维从MPCM基体中拔出时消耗的能量更大，因此PPF掺量较小时长纤维增强MPCM抗折强度的效果较好。随着PPF掺量增加，19mmPPF由于分散更为困难，对MPCM抗折强度的增强效果不显著，且会导致MPCM流动性显著降低；采用3mmPPF时，虽然短纤维分散较为容易，但是难以形成良好搭接网络，MPCM抗折强度增长幅度相对较小；相比较而言，12mm长PPF更有利于提高抗折强度。综合考虑PPF掺量对MPCM制备成本以及力学性能和工作性的影响，宜选用长度3～12mm的PPF混杂，适宜掺量为0.4%～0.6%。

图2 PPF对MPCM抗折强度的影响

2.3 表面处理PPF对MPCM力学性能的影响

PPF可以显著提高MPCM的抗折强度，但是MPCM试件弯曲断裂断面上的PPF基本为脱黏拔出，PPF表面看不到粘附或包裹MPC水化产物，说明PPF和MPCM基体之间主要依靠物理作用，而这种物理作用也造成PPF不能充分发挥其增韧效果。

为了改善PPF与MPCM基体的界面粘结，论文采用硅烷偶联剂对PPF进行表面处理，希望能有效发挥PPF的增韧效果，与其他表面处理方式相比，采用硅烷偶联剂处理不会对PPF本体产生损伤，同时处理后的PPF可以直接掺加到砂浆或混凝土中，无需清洗等后处理措施。制备MPCM试件时，3mm、6mm和12mm的PPF按照质量比1∶1∶1混杂，采用混杂PPF后，当PPF质量掺量为0.6%时，MPCM不同龄期抗压和抗折强度比掺加单一长度PPF时提高幅度为5%～15%。

2.3.1 改性溶液浓度的影响

选用浓度从5%～50%的硅烷偶联剂溶液，温度为20±1℃，浸泡时间60min，研究浸泡溶液浓度PPF对MPCM抗弯韧性的影响（用折压比反映抗弯韧性虽然不够全面，但是测试方法更简单），试验结果见表2。

表2 PPF预处理溶液浓度对MPCM抗弯韧性的影响

根据表2，随着硅烷偶联剂水溶液浓度的升高，MPCM试件各龄期压折比逐渐降低；当浓度超过40%后，MPCM的压折比反而有所增大；PPF表面处理时，硅烷偶联剂适宜浓度为20%～30%，适度提高表面处理溶液浓度，有利于改善MPCM的抗弯韧性。掺加经过浓度20%的硅烷偶联剂水溶液浸泡60min的PPF，与掺加未处理PPF时相比，MPCM试件的2h、1d和7d抗折强度分别提高27.3%、16.7%和13.5%，说明掺加经过较高浓度的硅烷偶联剂预处理的PPF后，既可以提高MPCM的抗压强度，也可以显著增强MPCM的抗弯韧性。

2.3.2 改性溶液浸泡时间的影响

采用20%硅烷偶联剂溶液浸泡PPF，温度为20±1℃，研究PPF浸泡时间对MPCM抗压和抗折强度的影响，试验结果见表3。

表3 PPF预处理时间对MPCM抗弯韧性的影响

根据表3，采用表面处理的PPF，当处理时间为60min时，MPCM试件的折压比达到最小值；相比于掺加未处理PPF的试件，掺加预处理PPF的MPCM试件的2h、1d和7d抗折强度的增长幅度分别为26%、16.9%和15.8%。随着PPF在预处理溶液中浸泡时间的延长，MPCM的抗压和抗折强度表现出先升高后降低的趋势，表明在预处理溶液中浸泡时间过长反而不利于发挥PPF的增韧效果。因此PPF在预处理溶液中浸泡时间宜为30～60min。

3 结论

（1）掺加未处理PPF虽然可以显著增强MPCM的抗折强度，但是试件断裂时，PPF大多被整体拔出，MPCM水化产物与PPF之间主要是物理作用，PPF尚未充分发挥增韧作用。

（2）PPF长度对MPCM抗压和抗折强度的影响有所差异，掺加3～6mm的PPF有利于改善MPCM的抗压强度，而掺加6～12mm的PPF有利于改善MPCM的抗折强度，掺加3～12mm的混杂PPF更有利于提高MPCM力学性能。

（3）在浓度20%的硅烷偶联剂水溶液中浸泡30～60min的PPF可以显著增强MPCM的抗折强度和抗弯韧性，MPCM压折比显著降低。

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责任编辑：孙苏，李红

Study on Mechanical Properties of Modified Polypropylene Fibers Reinforced Magnesium Phosphate Cement Mortar

The flexuraltoughness ofmagnesium phosphate cementmortar（MPCM）can boostits application in reinforcing and repairing concrete structure.To toughen MPCM,the effects of untreated and pretreated PPF on the mechanicalproperties of MPCMare studied,with the toughening mechanism of PPF analyzed.The results show thatwith 0.6%of PPF the flexuralstrength of MPCMis increased by 43.3%;PPF with a length of3-6mm is more conducive to improve the compressive strength of MPCM,and the length of 6-12mm is propitious to improve the flexuralstrength of MPCM.The properties of MPCM toughened by PPF are not much improved because of physicalbond between untreated PPF and hydration products of MPC.Pretreated PPF immersed in 20%silane coupling agent for 30～60min help to promote the interface bonding between PPF and hydration products of MPC.Based on chimericalreaction between hydration products and pretreated PPF,the mechanicaland toughening properties of MPCMare significantly improved.

Magnesium phosphate cementmortar（MPCM）;polypropylene fiber（PPF）;flexuraltoughness;mechanicalproperties;surface treatment

TU526

A

1671-9107（2017）02-0041-04

10.3969/j.issn.1671-9107.2017.02.041

2016-12-08

唐建明（1969-），男，重庆人，本科，工程师，主要从事建筑施工管理工作。