聚丙烯纤维改性砂浆力学性能研究

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(湖北省高速公路实业开发有限公司， 湖北 武汉 430051)

聚丙烯纤维改性砂浆力学性能研究

罗炉，雷宗建，颜加俊

(湖北省高速公路实业开发有限公司， 湖北 武汉 430051)

研究了在砂浆中掺入聚丙烯纤维以改善砂浆的各种力学性能，并对改性砂浆的流动性、抗折、抗压、收缩抗裂性能做出了分析。具体研究了不同水灰比和不同聚丙烯纤维掺量对砂浆性能的影响，提出砂浆中聚丙烯纤维掺量的最佳值，此最佳掺量值可以为聚丙烯纤维砂浆在实际工程中的应用提供参考数据。

聚丙烯纤维； 水泥砂浆； 力学性能； 压折比

0 引言

水泥砂浆作为一种砌筑材料，因其抗压强度高、经济耐久、易于维修等特点，在建筑工程、桥梁工程及道路工程中应用广泛，尤其在道路工程中，常作为挡土墙、护面墙、浆砌护坡、截排水沟等圬工防护工程的主要胶凝材料，起到增强结构整体性和改善结构力学性能的作用。虽然水泥砂浆应用优势明显，但大量实体工程应用经验表明，水泥砂浆存在抗拉强度不足、脆性大、抗变形能力差等先天固有缺陷，无法满足复杂砌体结构的力学性能要求，尤其是早期自由微裂纹在荷载及温度等环境因素综合作用下扩展贯通，导致砌筑结构往往在未达到设计强度便出现力学性能衰减，直接影响其使用安全性及整体美观性。

纤维水泥砂浆是通过在传统水泥砂浆中掺加纤维等增强材料，通过利用纤维抗拉强度及柔韧性，起到增强砂浆韧性及抗干缩性、改善砂浆力学性能的一种改性复合材料，目前，以聚丙烯纤维砂浆应用较为普遍。

1 研究内容

聚丙烯纤维是以聚丙烯为主要原料，按一定特殊工艺制造而成的高强度束状单丝纤维，具有强度高、韧性好等特点，其掺入普通水泥砂浆形成的聚丙烯纤维砂浆可有效控制因砂浆塑性收缩、干缩、温度变化等因素引起的微裂纹，防止及抑制裂缝的形成及发展，大大改善水泥砂浆的抗渗性能、抗冲击及抗震能力。

为明确聚丙烯纤维对砂浆力学性能的改善程度及机理，本文以砂浆流动度、抗折强度、抗压强度及折压比为评价指标，通过设置不同试验对比组，对不同掺量下聚丙烯纤维水泥砂浆力学性能进行了试验研究，并以此确定最佳掺量范围，可为聚丙烯纤维水泥砂浆的应用提供数据支撑。

2 水泥砂浆配合比确定

2.1 一般原则

工程中所用水泥砂浆主要根据构造物的部位来确定设计强度等级并选定砂浆配合比，但为保证质量和降低成本，应进行配合比设计。

2.2 设计方案

2.2.1 确定试配强度

为使水泥砂浆强度具有一定的保证率，本文配制强度按设计强度提高15%计算：

fmo=1.15fm

(1)

式中：fmo为砂浆配制强度，MPa；fm为砂浆设计强度，MPa。

2.2.2 计算水泥用量

每立方米水泥砂浆的水泥用量，由下式计算：

(2)

式中：fmo为砂浆配制强度，MPa；fce.k为水泥强度，MPa；a为调整系数。

2.2.3 砂用量

通过堆积密度则可以确定黄砂用量。

2.3 试验原料用量的确定

本文选取水泥砂浆的强度等级为M15，由式(2)计算水泥用量为486 g，通过试验测定砂子的堆积密度为1560 kg/m3，含水量为0.4%，由此确定砂用量为1560 g，通过流动度试验最终确定用水量为213、237和261 g。流动度测定结果见表1。

表1 水灰比与相应的流动度水灰比用水量/g流动度/mm045213203050237212055261228

通过试验得出的流动度均满足要求(≥200)，确定最终材料用量为：水泥用量486 g；用水量213 g(W/C=0.45)、237 g(W/C=0.50)和261 g(W/C=0.55)；砂用量1560 g。

为增强对比性，本文设置了0、0.45、0.90、1.35、1.80 kg/m3这5种聚丙烯纤维掺量，通过与水泥、砂子和水拌和后测定其流动度，然后调整水灰比测定不同掺量聚丙烯纤维水泥砂浆3 d、7 d及28 d龄期的抗压强度和抗折强度，通过试验数据整理分析，明确聚丙烯纤维对砂浆力学性能的改善程度及改善机理。

3 聚丙烯纤维水泥试验

3.1 聚丙烯纤维水泥砂浆流动度试验

1) 试验目的： 以流动度为测试指标确定合理范围内聚丙烯纤维砂浆的最佳配比。

2) 主要仪器设备: 水泥胶砂搅拌机；水泥胶砂流动度测定仪；试模:截锥圆模；天平:称量为1000 g，精度为1 g；捣棒、卡尺、模套、料勺、小刀等。

3) 试验方法和步骤: 试验方法与普通水泥砂浆流动度测试方法一致，试验结果如表2所示。

3.2 水泥砂浆试件抗折与抗压试验

3.2.1 抗折强度试验

将成型的试件放入试验仪器(图1)上测定其抗折强度，试验数据整理如表3～表5所示。

表2 不同掺量聚丙烯纤维砂浆流动度试验结果水灰比不同掺量(kg·m-3)时的流动度/mm0045090135180045203188151113105050212194157128118055228205173131125

图1 抗折试验仪

表3 不同掺量聚丙烯纤维砂浆不同龄期抗折强度(水灰比=0．45)掺量/(kg·m-3)抗折强度/MPa3d7d28d0 397485545045412490552090455538575135432524550180426515518

表4 不同掺量聚丙烯纤维砂浆不同龄期抗折强度(水灰比=0．50)掺量/(kg·m-3)抗折强度/MPa3d7d28d0 420488550045426495557090480565595135445520573180418507535

表5 不同掺量聚丙烯纤维砂浆不同龄期抗折强度(水灰比=0．55)掺量/(kg·m-3)抗折强度/MPa3d7d28d0 405480537045412497542090475532560135455518551180427499524

3.2.2 抗压强度试验

将成型的试件放入抗压试验仪(图2)上测定其抗压强度，试验结果如表6～表8所示。

图2 抗压试验仪

表6 不同掺量聚丙烯纤维砂浆不同龄期抗压强度(水灰比=0．45)掺量/(kg·m-3)抗压强度/MPa3d7d28d0 9．5412．5817．480459．2712．3817．160909．6012．7517．651359．7513．0817．981809．9813．4318．28

表7 不同掺量聚丙烯纤维砂浆不同龄期抗压强度(水灰比=0．50)掺量/(kg·m-3)抗压强度/MPa3d7d28d0 9．612．817．50459．412．617．270909．69213．0517．791359．8613．3918．1218010．0613．5418．6

表8 不同掺量聚丙烯纤维砂浆不同龄期抗压强度(水灰比=0．55)掺量/(kg·m-3)抗压强度/MPa3d7d28d0 9．3212．5017．270459．2012．2217．090909．5012．6417．391359．6613．0317．791809．8813．2618．17

4 试验结果分析

4.1 聚丙烯纤维掺量对水泥砂浆流动性能的影响

聚丙烯纤维水泥砂浆在不同水灰比条件下的流动度随聚丙烯纤维掺量的变化规律如图3所示。

试验结果表明： 无论何种水灰比，砂浆流动度均随着聚丙烯纤维掺量的增加而逐渐降低，主要是由于经拌和后的聚丙烯纤维在砂浆中成网状结构分布，一定程度阻碍了拌和物流动，导致砂浆粘滞力增大，流动性降低；同时，聚丙烯纤维比表面积大，增加了水泥浆体吸附量，导致自由浆体数量减少，流动性降低。

图3 流动度变化曲线图

4.2 聚丙烯纤维掺量对水泥砂浆抗折强度的影响

成型40 mm×40 mm×160 mm的标准棱柱体试件，在标准养护温度和湿度条件下分别养护3 d、7 d和28 d，按规范试验方法测得抗折强度随聚丙烯纤维掺量变化规律如图4～图6所示。

图4 3 d抗折强度

图5 7 d抗折强度

图6 28 d抗折强度

试验结果表明： 水灰比一定时，水泥砂浆3 d、7 d及28 d抗折强度随聚丙烯纤维掺量的增加先增大后减小，当其掺量为0.90 kg/m3时，砂浆的抗折强度达到最大，表明聚丙烯纤维的掺加可显著提高砂浆抗折强度，其中最佳掺量下3 d、7 d及28 d强度(以水灰比=0.55为例)分别较未掺加时提高了17.3%、10.8%及4.3%。

分析原因可知，普通水泥砂浆强度主要来自于水泥浆与细集料界面结合强度，纤维的加入一定程度改善了水泥砂浆的脆性，提高了其韧性，大大增强了水泥浆和集料界面的粘结强度，进而提高了水泥砂浆抗折强度；同时由于聚丙烯纤维在砂浆中均匀分布可起到物理配筋作用，阻止了裂纹的形成与扩展，提高了砂浆破坏极限强度。但当纤维掺量超过一定范围后，由于纤维易在砂浆中结团分布，无法充分发挥其加筋作用，导致抗折强度降低。因此，综合性能改善程度及材料应用成本，以抗折强度作为评价指标的聚丙烯纤维掺量宜控制在0.90 kg/m3。

4.3 聚丙烯纤维掺量对水泥砂浆抗压强度的影响

抗压强度试验是指将砂浆制成试件，在标准养护温度和相对湿度为60%～80%的条件下养护3 d、7 d和28 d，按规定方法测得单位面积上所承受的压力。试验结果如图7～图9所示。

图7 3 d抗压强度

图8 7 d抗压强度

图9 28 d抗压强度

试验结果表明：

1) 水灰比一定时，砂浆3 d、7 d及28 d抗压强度均随聚丙烯纤维掺量的增加先减小后增大，在掺量为0.45 kg/m3时最小，在0.45～0.90 kg/m3范围内强度可上升到素砂浆抗压强度值，掺量进一步增加时，砂浆强度呈线性增长。分析原因可知，聚丙烯纤维掺量较少时，砂浆强度主要依靠水泥浆粘结强度提供，此时纤维在砂浆中零散分布，加筋作用并不明显，反而因其比较面积较大，加大了水泥浆的裹附量，提供粘结强度的有效水泥浆减少，粘结强度下降；当纤维掺量逐渐增大时，砂浆强度由水泥浆粘结强度与纤维加筋作用共同体现，抵抗破坏荷载能力逐渐增强，极限抗压强度增加。

2) 聚丙烯纤维掺量一定时，砂浆3 d、7 d及28 d强度随着水灰比的增加先增大后减小，在水灰比为0.50时达到峰值，表明纤维与水泥砂浆的平均粘结强度与水泥砂浆本体性能相关，一定程度减少了砂浆的泌水和离析，使砂浆的整体性能得到改善，稠度得以提高，但水灰比过大，纤维对水化反应促进作用反而降低。

3) 在实际工程应用中，砂浆抗压强度一般可满足设计要求，综合考虑纤维对砂浆抗压强度的改善程度，建议纤维掺量应控制在0.90 kg/m3以上，水灰比控制在0.50左右。

4.4 聚丙烯纤维掺量对水泥砂浆其它性能的影响

折压强度比是表征砂浆韧性的重要指标，将聚丙烯纤维水泥砂浆28 d抗压强度及抗折强度换算成折压强度比，结果如图10所示。

图10 折压比随聚丙烯纤维掺量变化规律

试验结果表明： 当水灰比一定时，随着聚丙烯纤维掺量的增加，试件的折压比先增大后减小，在掺量为0.90 kg/m3时达到最大。分析原因可知，当纤维掺量处于合理范围时，纤维分散性较好，砂浆与纤维形成一个良好的纤维砂浆界面，当试件承受纵向荷载时，界面会将荷载传递给纤维，减少砂浆基体的荷载作用力，有效地增加抗折强度；当纤维掺量过大时，纤维分散性较差造成纤维结团，产生应力集中现象，造成纤维砂浆抗折强度降低。

5 主要研究结论

本文试验研究了不同水灰比、不同聚丙烯纤维掺量对水泥砂浆强度影响规律，得到主要结论如下：

1) 聚丙烯纤维对于水泥砂浆流动性影响较大，纤维掺量越大，砂浆流动性越差，为保证砂浆稠度，纤维掺量应控制在合理范围内。

2) 水灰比一定时，水泥砂浆抗折强度随聚丙烯纤维掺量先增大后减小，在掺量达到0.90 kg/m3时达到最大。

3) 水灰比一定时，纤维掺量在0.45～0.9 kg/ m3范围内可达到素砂浆抗压强度标准，但砂浆抗压强度应综合考虑水灰比和聚丙烯纤维掺量的影响，建议M10砂浆水灰比控制在0.50左右，纤维掺量控制在0.9 kg/m3。

4) 水灰比一定时，水泥砂浆折压比随聚丙烯纤维掺量的增加先增大后减小，在掺量为0.90 kg/m3时达到最大，此掺量下的砂浆整体柔韧性最佳。

5) 水泥砂浆中掺入聚丙烯纤维能显著提高砂浆的韧性，有效抑制砂浆中裂纹的产生和发展，具有良好的抗裂性能，综合考虑聚丙烯纤维对砂浆强度的改善程度，建议聚丙烯纤维最佳掺量宜控制在0.9 kg/m3。

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1008-844X(2017)03-0062-05

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A

2016-12-13

罗 炉(1988-)，男，硕士研究生，主要从事道路新材料研发工作。