改性胶砂混合料基三维间隔织物材料制备及力学性能

戴前天，孙 涛，王桂明，蒋 贺，周吉学

(1.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070；2.珠海春禾新材料研究院有限公司，珠海 519000；3.安徽海螺水泥股份有限公司，芜湖 241000；4.中国铁建二十局集团有限公司，西安 710016)

混凝土帆布(concrete canvas，CC)是一种三维间隔织物增强水泥复合材料[1,2]，具有独特成型方法及优异的性能。三维织物增强水泥复合材料的成型特点是预先将水泥基粉体从三维间隔织物表面空隙中填充到三维织物中[3-5]，通过洒水促使水泥水化，在短时间内硬化形成一层兼具力学性能和耐久性能的薄混凝土层。相比于传统混凝土材料，CC具有使用方便、运用灵活的优点[6,7]。但是，由于混凝土帆布采用粉末填充的制备工艺和洒水硬化的成型方式，导致水泥粉体在三维间隔织物中的均匀性和颗粒堆积密实度较差。因此，凝结硬化后拉伸和弯曲强度较低[8]。

为提升三维间隔织物增强水泥复合材料(Three-dimensional Spacer Fabric Reinforced Cement Composite Material，3DFCM)的力学性能，该文基于自制的超早强速凝快硬胶凝材料(Ultra Early Strength Quick Setting Fast Hardening Cementitious Material，UESQM)，掺入适量砂和玻璃纤维，在优化基体配合比的基础上，研究了砂的粒径、胶砂比以及玻璃纤维体积率对其力学性能的影响。

1 试 验

1.1 原材料

1)胶凝材料：试验所用胶凝材料为自制UESQM，力学性能测试试样尺寸40 mm×40 mm×160 mm，标准养护条件下，不同龄期抗折强度(ff)、抗压强度(fc)数据见表1。

表1 UESQM抗压抗折强度能 /MPa

2)砂：试验所用砂为水洗海砂，细度模数为2.6，表观密度为2 610 kg/m3,堆积密度为1 410 kg/m3。水洗海砂颗粒级配曲线，见图1。

3)玻璃纤维：试验所用玻璃纤维为深圳纤谷科技有限公司生产的长度为6 mm的短切玻璃纤维，基本指标见表2。

4)三维间隔织物：试验所用三维间隔织物为常熟美顺琪纺织科技有限公司生产，涤纶纤维经编，间隔层结构X-90°，厚18 mm。

表2 玻璃纤维基本指标

1.2 方法

试验根据GB/T 17671《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》测试胶砂力学性能；根据ASTM C1185《非石棉纤维水泥平板、屋顶板和板壁墙以及墙板的取样及测试的标准试验方法》和GB/T 1447—2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》等测试3DSFCM的抗拉性能和抗折性能。抗压和抗折试样尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，抗弯试样和抗拉试样尺寸为450 mm×112.5 mm×18 mm。

1.3 试验配合比

试验分别考虑了UESQM与砂的胶砂比(0.4、0.6、0.8)、砂的粒径范围(0.075～1.18 mm、0.075～0.6 mm、0.075～0.3 mm)和玻璃纤维体积率(0.5%、1%、1.5%)，试验配合比见表3。

表3 试验配合比 /g

1.4 三维间隔织物增强水泥复合材料的制备

分别采用Z1组、Z2组和Z3组配合比，在三维间隔织物表面分次平铺胶凝材料，依靠振动方式，辅以外力密实胶凝材料，振动时刷子清扫表面，防止粉末在表面团聚，重复此过程直至三维间隔织物表面孔洞基本被胶凝材料填充密实，称重计算表观密度。

2 结果与分析

2.1 不同粒径对胶凝材料力学性能的影响

在3种粒径范围下，不同胶砂比的胶凝材料抗折抗压测试结果，见图2，图中B/S表示胶砂比。

由图2可知，当B/S=0.4时，A1组除在3 h(0.125 d)龄期时略低于B1组的外，其他龄期强度均最高，7 d抗压强度可达到67.2 MPa，28 d抗压强度较7 d略有下降但仍高于其他组别，B1组7 d抗折强度最高可达到11.7 MPa；当B/S=0.6时，试样的力学性能在7 d后增长较为缓慢，C2组抗压强度和抗折强度各龄期下均最高，28 d抗压强度和抗折强度为63.3 MPa和11.7 MPa；当B/S=0.8时，A3组7 d抗压强度56.7 MPa，C3组7 d和28 d抗压强度分别可达到65.7 MPa和70.5 MPa，C3组7 d和28 d抗折强度分别可达到10.5 MPa和10.3 MPa。

综上所述，当B/S=0.6时，粒径在0.075～0.3 mm，其抗压抗折强度均高于其他胶砂比组；当B/S=0.4时，粒径在0.075～1.18 mm和0.075～0.6 mm组，其抗折抗压强度均高于B/S=0.6和B/S=0.8，两种粒径范围组抗压抗折强度。

2.2 玻璃纤维体积率对胶砂混合料力学性能的影响

图3为3种粒径范围下，玻璃纤维体积率对胶砂混合料抗折、抗压强度的影响。

由图3可知，固定B/S=0.4，D组随着玻璃纤维体积率的增加，胶砂混合料的抗压性能随之降低，抗折强度先增加后减少，D1组7 d和28 d抗折强度分别为10.7 MPa和11.5 MPa，对比未加玻璃纤维组，分别增加了9.2%和6.4%；E3组7 d和28 d抗折强度12.1 MPa和12.4 MPa，对比未加玻璃纤维组，分别增加了3.5%和11.7%；F组各龄期抗压强度均低于未掺加玻璃纤维组，抗折强度随着纤维掺量的增加而增长，F3组7 d和28 d抗折强度分别为11.7 MPa和12.3 MPa，相较于未掺加玻璃纤维组分别增长了10.2%和4.9%。

综上所述，玻璃纤维在早期对胶砂混合料抗折性能提升不明显，随着龄期的增加，玻璃纤维能够显著提高此种胶砂混合料的抗折性能但其抗压性能反而有略微降低，考虑到此种胶砂混合料填充于三维间隔织物中，玻璃纤维能够缓解三维间隔织物隔层中的胶砂混合料洒水硬化后断裂脱落现象，本实验在粒径0.075～1.18 mm、0.075～0.6 mm和0.075～0.3 mm下的最佳玻璃纤维体积掺量分别为0.5%、0.5%和1.5%。

2.3 三维间隔织物增强水泥复合材料力学性能

表4所示为3DSFCM的力学性能测试结果。由表4可知，3种粒径范围试样的抗弯强度分别为2.2 MPa、2.6 MPa和4.1 MPa，Z2组的抗弯性能最高可达到4.1 MPa，Z3组和Z1组的试样高于混凝土帆布的2.4 MPa。Z2组抗拉强度最高可达到7.0 MPa，高于Z1组和Z3组的3.3 MPa和4.2 MPa，但3组别抗拉强度均高于混凝土帆布的0.72 MPa。

表4 抗弯抗拉性能

3 结 论

a.不同粒径条件下，B/S对胶凝材料力学性能的影响不同，粒径在0.075～1.18 mm，最佳B/S=0.4；粒径在0.075～0.6 mm，最佳B/S=0.4；粒径在0.075～0.3 mm，最佳B/S=0.6。

b.玻璃纤维在早期对胶砂混合料抗折性能提升不明显，随着龄期的增加，玻璃纤维能够显著提高此种胶砂混合料的抗折性能，粒径0.075～0.6 mm、B/S=0.4、玻璃纤维体积率1.5%组，28 d抗折强度最高可达到12.4 MPa，但玻璃纤维会降低抗压强度，此组配合比下，28 d抗压强度仅仅有54.1 MPa低于未加玻璃纤维组的57.6 MPa。

c.超早强速凝快硬材料内掺砂粒径范围0.075～0.6 mm、胶砂比0.6和玻璃纤维体积率1.5%制备的三维间隔织物增强水泥复合材料抗拉强度为3.3 MPa、7.0 MPa,抗弯强度为4.1 MPa优于传统混凝土帆布的0.72 MPa抗拉强度和2.4 MPa抗弯强度。