PP/PVA纤维增强硫铝酸盐水泥基快速修补材料试验研究

2021-08-10张成龙

硅酸盐通报 2021年7期

张成龙，刘漪，张明

(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.武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉 430070； 3.中铁大桥科学研究院有限公司，武汉 430034)

0 引言

近年来，我国经济的快速发展带动交通事业取得了巨大进步，同时对公路桥梁工作性能提出了更高的要求[1]。高频率的行车冲击以及日晒雨淋等恶劣的服役环境容易导致公路桥梁等路面产生不同程度的损坏，进而缩短其服役寿命，降低交通运输效益[2-3]。据报道，我国经历了几十年的基础建设高峰期，未来几年将处于道路维修养护的高峰期，研究性能优异的快速修补材料将带来巨大的经济效益[4-5]。

无机类修补材料如硫铝酸盐水泥、铝酸盐水泥、磷酸盐水泥等快硬早强型水泥是工程实践中常用的修补材料。无机类修补材料相较于有机类修补材料成本低、相容性好，但同时存在界面粘结性能差、柔韧性低、收缩大等缺陷[4]，而纤维的掺入可以显著改善无机类修补材料的缺陷。于俊楠[6]研究了负温环境下钢纤维对于碱激发矿渣快速修补材料收缩性能的影响，发现掺入体积分数(V)为1%的钢纤维在-5 ℃和-10 ℃的养护制度下体积收缩显著降低。肖雪军等[7]通过研究证明体积掺量1%的玄武岩纤维显著提高了道路修补砂浆的抗折强度。而合成纤维中广泛用于提升混凝土性能的聚丙烯(polypropylene， PP)纤维、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol， PVA)纤维对于快速修补材料的影响研究相对较少。PP纤维具有强度高、韧性高、化学性质稳定并且不受酸碱环境腐蚀，同时易在混凝土中均匀分散的特点[8-9]。李文强[10]研究了硅灰、粉煤灰、PP纤维、减水剂对于普通硅酸盐水泥基修补材料的影响。代晓妮[11]通过研究证明了双掺硅灰和聚丙烯纤维提升了水泥混凝土路面快速修补材料的粘结强度。PVA纤维具有高弹性模量、与水泥基体粘结良好、耐酸碱腐蚀等特点[12]。邓新[13]的研究证明PVA纤维能够提高粉煤灰基地聚合物砂浆的早期抗折强度、拉伸韧度和韧性。郭亚栋[14]研究了高温后PVA增强普通硅酸盐水泥基快速修补材料混凝土性能，发现温度超过400 ℃后PVA增强修补材料有效避免了高温爆裂现象，具有更高的安全系数。从以上研究可以看出目前PP纤维、PVA纤维增强快速修补材料的研究相对较少，且大都以普通硅酸盐水泥为基体，缺少PP纤维、PVA纤维对快硬硫铝酸盐水泥基快速修补材料影响的针对性研究。普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥成分存在显著差异，纤维对两种水泥的亲和性与粘结性能可能存在差异；此外普通硅酸盐水泥基材料强度来源于C-S-H凝胶之间的范德华力，而硫铝酸盐水泥基材料强度来源于针状钙矾石晶体的连生和交错网络[15]，纤维对两种水泥基材料的强度及体积稳定性影响亦会有所不同。因而出于实际工程发展需求，有必要研究PP纤维、PVA纤维对早强快硬型硫铝酸盐水泥基快速修补材料性能的影响。

本文主要研究了PP纤维、PVA纤维对于硫铝酸盐水泥基快速修补材料工作性能、力学性能及韧性的影响。单一纤维对材料性能的提升可能存在局限性，本文还设计了PP纤维、PVA纤维复掺方案，探究复掺纤维对于硫铝酸盐水泥基快速修补材料工作性能、力学性能以及韧性的影响，同时研究了最优复掺比例对粘结强度及干燥收缩的影响。

1 实验

1.1 原材料

选用胶凝材料包括42.5级快硬早强型硫铝酸盐水泥(sulphoaluminate cement， SAC)，42.5级普通硅酸盐水泥(ordinary Portland cement， OPC)，Ⅱ级粉煤灰(fly ash， FA)，硅灰(silica fume， SF)。各胶凝材料的化学组成如表1所示。减水剂采用SD-600P-D型高效聚羧酸减水剂(superplasticizer， Sp)。缓凝剂采用分析纯四硼酸钠(Na2B4O7·10H2O)，纯度≥99.5%(质量分数)。选用分析纯碳酸锂(Li2CO3)作为促凝剂，纯度≥98.0%(质量分数)。砂为白色石英砂，粒度分别为212～380 μm、550～2 360 μm，SiO2含量≥98.0%(质量分数)。试验用水为自来水。选用的PP纤维和PVA纤维具体性能参数见表2。

表1 胶凝材料的化学组成Table 1 Chemical compositions of cementitious materials

表2 PP和PVA纤维的性能参数Table 2 Performance parameters of PP and PVA fibers

1.2 样品制备

1.2.1 配合比设计

为了研究聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维两种纤维掺入参数(掺加方式与掺量)对硫铝酸盐水泥基快速修补材料性能的影响，选用的基础配合比如下：(1)胶凝材料由SAC、OPC、SF、FA按质量分数(以m表示)配制，各组分质量比为m(SAC) ∶m(OPC) ∶m(SF) ∶m(FA)=74 ∶13 ∶5 ∶8；(2)按胶凝材料质量计，外加剂添加量分别为：m(Sp)=1.0%，m(Na2B4O7·10H2O)=0.74%，m(Li2CO3)=0.037%；(3)水灰比为0.23，砂胶比为1 ∶1。表3和表4分别为纤维单掺与复掺配合比设计，其中纤维以体积比计算。

表3 快速修补材料纤维单掺配合比Table 3 Single fiber mix ratio for rapid repair material

表4 快速修补材料纤维复掺配合比Table 4 Compound ratio for rapid repair material

1.2.2 试件制备

设置一组素混凝土与0.1%、0.2%、0.3%三种体积掺量的PP纤维和PVA纤维单掺组，试件类型分别为F0、PP1、PP2、PP3、PVA1、PVA2、PVA3。复掺组总体积掺量为0.2%，试件类型分别为Mix1、Mix2、Mix3、Mix4、Mix5。快速修补材料砂浆(以下简称试件或砂浆)的制备遵循以下流程：将胶凝材料与砂子依次加入搅拌机中搅拌60 s，使干料混合均匀；然后加入水与减水剂，低速搅拌120 s；最后缓慢均匀加入纤维，高速搅拌240 s，完成。根据不同测试标准制备相应尺寸的试件，试件振捣流程为：先在模具中加入一半的纤维混凝土，放置振动台上振动30 s后将模具装满，再振动30 s后取下。装模2 h后在温度为(20±2) ℃，相对湿度为95%的条件下养护至4 h、1 d、28 d。

1.3 测试方法

参照GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》[16]测定砂浆流动度。将搅拌好的砂浆分两层迅速装入跳桌台面上的试模内，擦去桌面上的砂浆，将截锥圆模垂直向上提起并立刻开动跳桌，在(25±1) s完成25次跳动后测量相互垂直两个方向的直径，计算的平均值即为水泥胶砂流动度。

参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》[17]制备尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的试件，每组成型3个。成型2 h后脱模，将试件放入室温为(20±2) ℃的养护室水箱中进行养护，养护至相应龄期后参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》测定试件的抗折强度与抗压强度。

以新旧混凝土试件的抗折强度表征快速修补材料的粘结强度。采用42.5级普通硅酸盐水泥以0.35的水胶比、1 ∶3的胶砂比制备尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的试件作为标准试件。养护28 d后从中间分割，将一半标准试件放入砂浆试模中，与新的修补材料砂浆成型，制备新老砂浆界面粘结试件，每组试样制备3个。养护至相应龄期后测得的抗折强度即为粘结强度。

参照JC/T 603—2004《水泥胶砂干缩试验方法》[18]进行干燥收缩测试。按照试验配方制备尺寸为25 mm×25 mm×280 mm的试件，养护2 h后脱模并且测量试件基长，养护至相应龄期后测试试件的收缩率。收缩率按式(1)计算：

(1)

式中：S为收缩率，%；L1为试件养护后的长度，mm；L0为试件基长，mm；L为金属侧头长度，mm。

采用扫描电子显微镜(SEM)观察样品的微观形貌。将样品烘干至恒重后对其进行镀铂处理后放入测试仪器中进行观测。

2 结果与讨论

2.1 单掺纤维对砂浆性能的影响

2.1.1 流动度

图1为单掺PP、PVA纤维对硫铝酸盐水泥基快速修补材料流动度的影响规律。由图1可知，未掺纤维空白样(F0)流动度为260 mm，随着V(PP)由0.1%增加至0.3%，试件的流动度减小至250 mm；PVA纤维的掺入对流动度的影响较大，当V(PVA)=0.3%时，试件的流动度降低至180 mm，较空白样减小了大约30.8%。结果表明，纤维(PP和PVA)的掺入导致流动度下降，原因在于纤维与水泥基体之间形成了一定的团聚网络结构，阻碍了砂浆流动, 多位研究者已经证明了此现象[19-20]；此外，可以观察到PVA纤维对流动度的影响大于PP纤维，这是由于PVA纤维含有亲水性羟基，使其表面能够吸附和保留部分游离水，因此流动度随着PVA纤维掺量的增加大幅减小[21]。

图1 单掺纤维砂浆流动度Fig.1 Fluidity of mortar with single fiber

2.1.2 力学性能

图2(a)反映了单掺PP、PVA纤维时各龄期(2 h、4 h、1 d、28 d)试件的抗折强度。由图2(a)可知，空白样(F0)养护2 h、4 h、1 d及28 d抗折强度分别为3.8 MPa、4.6 MPa、7.8 MPa、13.3 MPa。单独掺加PP纤维或PVA纤维有利于试件抗折强度的增长，尤其利于早期抗折强度的发展。其中，当V(PP)=0.2%时，各龄期抗折强度分别提高了47.4%、65.2%、64.1%和16.5%；当V(PP)增加至0.3%时，试件各龄期抗折强度增长幅度有所降低，养护28 d后试件抗折强度与空白样基本相当。不同于PP纤维，当V(PVA)由0.1%增加至0.3%时，试件各龄期抗折强度呈小幅递增的趋势，其中28 d抗折强度分别提高了3.0%，5.2%，7.5%。

图2(b)为单掺PP、PVA纤维对试件抗压强度的影响，从图2(b)中可以看出，空白样(F0)各龄期抗压强度分别为25.4 MPa、37.2 MPa、51.3 MPa、81.3 MPa。随着V(PP)从0.1%增加至0.3%，试件各龄期抗压强度均无明显提升，其中V(PP)=0.2%时试件各龄期抗压强度分别为26.5 MPa、39.7 MPa、51.4 MPa、81.8 MPa，与空白样抗压强度相当。不同于PP纤维，随着V(PVA)由0.1%增加至0.3%，试件各龄期抗压强度呈明显递增的趋势，28 d抗压强度分别达到81.9 MPa、84.3 MPa、89.8 MPa，较空白样分别增长了1.0%、3.7%、10.5%。当V(PVA)=0.2%时，试件各龄期的抗压强度分别为28.1 MPa、44.6 MPa、56.6 MPa、84.3 MPa，较空白样增幅分别为10.6%、19.9%、10.3%和3.7%。

图2 单掺纤维砂浆的力学性能Fig.2 Mechanical properties of mortar with single fiber

纤维对于抗压、抗折强度的影响是流动度、纤维掺量及纤维物理性质等多方面因素共同影响的结果。由以上分析可知，随着PP纤维体积掺量的增加，砂浆的抗折强度显著增加，而各龄期抗压强度均无明显提升。周学军[22]、姚文杰[23]等在普通硅酸盐水泥基混凝土中得出了相似的结论。这是由于PP纤维易在砂浆中分散，在浆体中乱向分布，起到骨架桥接的作用，延缓了裂缝拓展，因而提高了抗折强度[22]。PP纤维与水泥基底粘附性差[24]，界面间隙大。图3是单掺纤维砂浆水化28 d后的SEM照片，从图3(a)中可以看到经过28 d水化的PP纤维表面仍然光滑，没有水化产物附着；此外PP纤维是低模量纤维，控制基体裂纹拓展的效果相对较差，而硫铝酸盐水泥基修补材料抗压强度较高，在基体受到较大压力时纤维几乎不能阻挡裂纹的拓展，因而对抗压强度影响很小[25]。当V(PP)达到0.3%时，各龄期抗折强度增长幅度降低，这是由于纤维过量会导致分布不均以及取向不佳，抗折强度因此出现降低趋势[26]。随着PVA纤维体积掺量的增加，试件抗折及抗压强度仅随掺量增加小幅增长，抗折强度最大增幅为7.5%，抗压强度增最大增幅10.5%。从图3(b)可以看出PVA纤维表面有水化产物附着，与基体结合紧密。Li等[15]报道了PVA纤维较PP纤维与SAC有更高的粘结强度，张正[27]、王彦平[28]等报道了PVA纤维作为高弹性模量、高抗拉强度纤维对砂浆抗折、抗压强度提升效果显著，而试验中PVA纤维对抗折强度的提升却并不理想，增强效果甚至不如同掺量下的PP纤维。这是由于PVA纤维的掺入导致流动度大幅减小，进而使砂浆水化程度不均[29]，气孔率增加[30]，削弱了PVA纤维对抗折强度的提升效果。同时以上问题对抗压强度也有很大影响，王彦平等[28]报道了1.5 kg/m3的PVA纤维使修补砂浆的抗压强度提升了31.0%，而试验中最大增幅仅10.5%，可见流动度的变化引起孔隙率增加等问题对砂浆力学性能影响很大。

图3 水化28 d后单掺纤维砂浆的微观形貌Fig.3 SEM images of mortar with single doping fiber after 28 d of hydration

2.1.3 韧性

通过上述分析可知：经28 d养护后，PP纤维对试件的抗折强度提升效果明显，V(PP)=0.2%时提升最多，较空白样提升16.5%；PVA纤维对试件的抗压强度提升效果明显，V(PVA)=0.3%时提升最多，增幅约10.5%。大量文献资料表明[29,31-33]，折压比能在一定程度上反映水泥基材料的韧性，折压比越大，韧性越好。图4为单掺纤维砂浆的折压比。

研究者们已经证明分散的纤维可以有效地阻止裂纹的偏转及微裂纹的扩展，在拔出时消耗大量的断裂能，因而对砂浆起到增韧作用[34]。从图4可以看出单掺PP纤维或PVA纤维时砂浆折压比的发展规律存在很大差异。单掺PP纤维试件各个龄期的折压比较空白样(F0)均有提高，其中PP2较F0各龄期折压比分别提高了41.6%、54.0%、63.8%、15.2%，这是由于PP纤维疏水性大，很容易在水泥基体中分散均匀，有效提升试件的抗折强度[8]。单掺PVA纤维时对砂浆折压比的影响不大，各掺量下折压比与空白样在图中呈交错状态，只有PVA2各龄期折压比均位于空白样之上，各龄期折压比较F0分别提高了5.4%、4.8%、2.0%、1.2%。这是由于PVA纤维拥有更高的弹性模量与抗拉强度[12]，能更好控制裂纹的拓展，同时提高了试件的抗折强度与抗压强度，因而对折压比提升效果不明显。

图4 单掺纤维砂浆的折压比Fig.4 Flexural-compressive ratio of mortar with single fiber

2.2 复掺纤维对砂浆性能的影响

前述研究结果显示，PP纤维的掺入能显著提高试件的抗折强度，但对工作性能以及抗压强度影响有限；PVA纤维的掺入有利于抗压强度的发展，但工作性能却显著降低。进一步考察复掺纤维制备快速修补材料，以期发挥两种纤维的协同效应。综合考虑PP纤维和PVA纤维对流动度、强度以及韧性的影响规律，选取复掺纤维体积总量为0.2%，进一步研究纤维复掺对硫铝酸盐水泥基快速修补材料性能的影响规律，复掺试件的配合比设计见表4。

2.2.1 复掺纤维对砂浆流动度的影响

图5为PP、PVA纤维复掺对砂浆流动度的影响规律。由图5可知，PP、PVA纤维复掺会降低砂浆的流动度，复掺组流动度分别为250 mm、240 mm、230 mm、220 mm、205 mm，随PP纤维体积掺量的逐渐减少以及PVA纤维体积掺量的逐渐增加，流动度逐渐减小。前述研究结果表明PP纤维对砂浆流动度的影响较小，而PVA纤维的掺入则逐步减小砂浆的流动度。因此，PP、PVA纤维复掺对流动度的影响规律与PVA单掺纤维的影响规律密切相关。

图5 复掺纤维砂浆的流动度Fig.5 Fluidity of mortar with compound fiber

2.2.2 复掺纤维对砂浆强度的影响

图6(a)为PP、PVA纤维复掺时试件的抗折强度。如图6(a)所示，当纤维总体积掺量为0.2%时，试件的抗折强度随复掺体系中PVA纤维掺量的增大而呈先增大后减小的发展趋势。此外，纤维复掺体系各试件(Mix2、Mix3、Mix4)的各龄期抗折强度均优于PVA单掺试件，尤其在早龄期(2 h和4 h)。其中，试件Mix2各龄期强度均优于其他复掺试件以及空白样，其2 h、4 h、1 d、28 d抗折强度分别达到了6.3 MPa、10.0 MPa、13.1 MPa及15.8 MPa，较F0分别提升65.8%、117.4%、67.9%、18.8%，显著提高了试件早期抗折强度，并且对于后期抗折强度也有一定的提升。主要原因在于PP纤维的掺入改善了单掺PVA时流动度大幅减小、气孔率增加的状况，有助于PVA纤维充分分散。同时PP纤维与PVA纤维共同形成桥接网络，改善了单掺PP纤维弹性模量低、抗拉强度低的状况，能够更好地延缓裂纹的发展[35]。PP与PVA纤维充分发挥了混杂协同效应，最终提高了试件的抗折强度。

图6(b)是复掺纤维体积掺量对抗压强度的影响，纤维复掺整体对于抗压强度的提升有限，各组抗压强度相差较小，其中Mix2各龄期强度分别达到了27.3 MPa、42.9 MPa、54.2 MPa、83.7MPa。纤维复掺4 h抗压强度分别为39.7 MPa、42.9 MPa、43.3 MPa、43.8 MPa、44.6 MPa，1 d强度分别为51.4 MPa、54.2 MPa、54.5 MPa、55.2 MPa、56.6 MPa。可以看出随着PVA纤维体积掺量的逐渐增大，试件各龄期的抗压强度逐渐增大。这是因为相较于PP纤维，PVA纤维对抗压强度的提升效果明显。由Mix2、Mix3、Mix4各龄期的抗压强度变化规律可以看出，PVA纤维掺量占比越大时，试件的抗压强度越高。因此，PP纤维和PVA纤维复掺时，PVA纤维的相对含量对抗压强度的提高占主导作用。

图6 复掺纤维砂浆的力学性能Fig.6 Mechanical properties of mortar with compound fiber

2.2.3 复掺纤维对砂浆韧性的影响

复掺纤维体积掺量对砂浆折压比的影响如图7所示。可以看出，两种纤维复掺时(Mix2、Mix3、Mix4)折压比明显高于空白样(F0)与单掺PVA纤维(Mix5)，其中Mix2各龄期折压比较空白样分别提高54.0%、87.9%、59.2%、15.3%。由Mix2、Mix3、Mix4各龄期的折压比变化规律可以看出，PP纤维和PVA纤维复掺时，PP 纤维体积所占比重越大，折压比越高，说明PP纤维对折压比的影响占主导作用。且两种纤维复掺时，早期的抗折强度得到明显提高，而早期的抗压强度仅略微提高，随着龄期的增长，至28 d时各组折压比提升有限，代表试件后期韧性提升有限。后期韧性低仍是水泥基材料不可避免的局限性[36]。

图7 复掺纤维砂浆的折压比Fig.7 Flexural-compressive ratio of mortar with compound fiber

2.2.4 复掺纤维对砂浆粘结性能与收缩性能的影响

粘结性能与收缩性能是快速修补材料的重要指标，因为修补时要确保能够将装置和沥青路面牢固结合，共同承受车辆的冲击作用，因而快速修补材料需要较好的粘结性能。同时体积收缩会导致产生裂缝，进而降低粘结性能并减少使用寿命，所以提升快速修补材料的体积稳定性也极其重要。基于对纤维复掺快速修补材料砂浆基本性能的研究，综合考虑流动性、强度以及韧性三个方面的因素，探究纤维体积掺量为0.2%、V(PP) ∶V(PVA)=3 ∶1时对快速修补材料砂浆粘结性能与干燥收缩的影响。

快速修补材料F0和Mix2各龄期粘结强度如图8所示，空白样在2 h、4 h、1 d、28 d时粘结强度分别为1.6 MPa、2.0 MPa、2.8 MPa、4.8 MPa，Mix2则分别达到了2.1 MPa、2.8 MPa、3.7 MPa、5.6 MPa，较空白样分别提高了31.3%、40.0%、32.1%、16.7%。可以看出复掺纤维后粘结性能显著优于不掺纤维的砂浆，这首先是由于纤维可以降低界面渗水而提高粘结强度[37]，在使用普通砂浆时，界面上的水灰比会由于渗水而增加，导致界面上产生许多孔隙从而降低粘结强度。纤维的掺入可以显著减少界面处的收缩裂缝，增大修补材料与旧混凝土的接触面积，进而提高粘结强度。此外水泥水化产物中含有—OH基团，可以与PVA纤维的—CHOH基团形成牢固的氢键，导致试件粘结强度的提高。PP纤维则会被水泥浆体紧密包裹，在水泥硬化后产生界面粘结，有效阻止硬化基体遭到破坏时被拔出，从而提高粘结强度。

图8 不同龄期的粘结强度Fig.8 Bonding strength of rapid repair material at different ages

表5是快速修补材料F0和Mix2砂浆的干燥收缩率，可以看出复掺纤维后砂浆的干燥收缩率大大减小，2 h、4 h、1 d、28 d干燥收缩率分别为0.14×10-4、0.23×10-4、0.56×10-4、2.73×10-4，较空白样分别减小了54.8%、48.9%、31.7%和24.6%。一方面由于PP纤维的憎水特性使其可以均匀分散在水泥浆体中，并在水泥浆体中相互桥连，撑托骨料，使水泥浆体更加均匀，降低了水泥浆体的析水，使得水化更加充分，抑制了由于失水干燥而产生的收缩；另一方面由于PVA纤维非环形、不规则的截面有助于与砂浆基体之间产生良好的界面键合力，从抵抗开裂和拉力方面约束了砂浆的收缩[38]。