玄武岩纤维对水泥基复合材料抗裂性能的影响

＊徐剑 崔春亮 王立庄

（中交路桥华南工程有限公司 广东 528400）

玄武岩纤维是一种新兴的绿色纤维，凭借其诸多优点成为各种纤维的替代材料[1-3]，纯水泥基材料一般具有脆性大、极限应变小、易开裂、抗冲强度差、抗拉抗弯强度低等弊端，因此，使用纤维是提高水泥基材料性能的主要途径[4-5]。

图1 广东佛山地铁2号线林岳段施工现场

在进行建筑工程防水施工时，屋面防水施工一直是给建筑企业带来难度的主要部分。本文针对广东佛山地铁2号线林岳段屋面防水层使用的水泥基复合材料进行系统研究，研究了玄武岩纤维、硅灰以及纤维素醚对于屋面防水层用砂浆的各种性能影响，利用正交试验方法，研究各影响因素之间的关系，最终确定了一个最优配比并在项目中应用。

1.实验部分

(1)实验原材料与设备

水泥（P.O42.5R，四川双马）；机制砂（广东佛山地铁2号线林岳段项目部）；玄武岩纤维（四川拓鑫）；纤维素醚（龙湖科技）；聚羧酸减水剂（减水率25%）。

(2)实验流程及性能测试

主要步骤：①将水泥、机制砂、纤维、硅灰、外加剂等按正交配比加至水泥胶砂搅拌机中搅拌至均匀，成型；②在模具中振实成型，养护结束后对砂浆进行性能检测；③设置单因素实验，进一步研究单因素对砂浆的影响程度；④优化配比应用验证。

设计合理配比，采用L9（34）设计实验配比表头如表1所示。

表1 L9（34）正交实验表头

根据JCT 951-2005水泥砂浆抗裂性能试验方法，设计实验用原材料的配合比为：水泥:砂:水=1:1.5:0.5（质量比），聚羧酸减水剂1.5%，减水率25%。

(3)砂浆性能检测方法

①砂浆抗开裂性能检测

将搅拌均匀的砂浆填至模具，放置干燥抗裂试验器中吹风24h，风速保持1.5m/s，在试样中随机取3cm×3cm面积，再采集面积内试样开裂裂缝个数。

②砂浆抗折、抗压强度性能检测

参照水泥胶砂强度检验方法GBT17671-1999成型试块，试块尺寸为40mm×40mm×160mm。

2.结果与分析

(1)正交配比设计对砂浆性能的影响

①抗折、抗压强度分析结果

根据正交试验设计原则，以28d抗折、抗压强度为评价指标，测试结果见表2。

表2 抗折、抗压强度实验结果分析

由表2分析可知，28d抗折、抗压强度中，硅灰的用量为主要影响因素，纤维用量、纤维长度、纤维素醚依次减轻，28d抗折强度最优组合为纤维长度18mm，纤维掺量0.5%，纤维素醚0.6%，硅灰6%。说明硅灰的微集料填充效应和高火山灰活性增强纤维与砂浆基体的黏结强度效果显著，极大地提高了水泥基体与玄武岩纤维之间的界面粘结力，纤维与砂浆界面的黏结性能直接影响砂浆的抗折强度和剪切黏结强 度[5-6]。28d抗压强度最优组合为纤维长度6mm，纤维掺量0.1%，纤维素醚0.2%，硅灰6%。说明除硅灰用量以外，纤维的用量对砂浆力学性能也有影响，基体掺入短纤维后，分散在水泥基体的短纤维可以更好地抵抗由于界面挤压力产生的环向拉应力，进一步改善纤维和基体间的界面性能，提高纤维束与基体间的摩擦力[7-8]。

②抗开裂性能分析结果

按照实验步骤24h后取出被吹试样，采用随机取样方法，在试样中取3cm×3cm面积，再采集面积内试样开裂裂缝个数，3cm×3cm面积内的砂浆裂缝个数极差分析结果见表3所示。

表3 开裂实验结果分析

由表3分析可知，纤维长度为抗开裂性能的主要影响因素，纤维用量、纤维素醚用量、硅灰依次减轻，最优组合为纤维长度6mm，纤维掺量0.1%，纤维素醚掺量0.4%，硅灰掺量6%。本文选用的纤维长度为6mm、12mm、18mm，假设纤维在砂浆中自然而均匀分布，则相同质量掺量时，纤维长度越短，纤维的根数越多，极差分析中选定的纤维长度优水平为a1，说明短纤维的掺入，形成更密集的网状搭接，相对来说更利于失水率的降低，进一步降低砂浆的开裂程度。

③流动性能分析结果

使用砂浆稠度仪测试砂浆流动度，测试数据如表4。

表4 流动性能实验结果分析

续表

由表4分析可知，纤维素醚的掺量是砂浆流动性能的主要影响因素，纤维长度、硅灰用量、纤维用量对砂浆流动度的影响依次递减，纤维素醚可以增加砂浆的保水性，是一种保水增稠剂[9]，有助于保证砂浆里的自由水不被大量损耗，防止砂浆分层与离析，并且加入纤维素醚越多，砂浆越稠，掺量较小时，砂浆流动度增大。极差分析里，纤维素醚的优水平选定为c1。

(2)纤维素醚对砂浆性能的影响

综合考虑砂浆的抗折强度、抗压强度、失水率、抗开裂性能以及流动性能，选定正交实验中的最优配比为第A4组。由于纤维素醚对砂浆的性能影响很大，因此以第A4组为基底，研究纤维素醚的掺量对砂浆性能的影响，实验配比及结果如表5所示。

表5 纤维素醚的掺量对砂浆性能的影响结果

由表5可看出，纤维素醚是一种保水增稠剂[9]，随纤维素醚掺入量增加，砂浆变得粘稠，随掺入纤维素醚用量增加，砂浆抗折、抗压强度先增大后减小，表明随纤维素醚掺量增加，砂浆的保水性上升，砂浆相对不容易产生开裂，其中C2的抗压强度达到最大，纤维素醚掺量0.3%为最优掺量。

(3)水泥基复合材料应用验证

按照优化后的配比，水泥:砂:水=1:1.5:0.5（质量比），减水剂为1.5%，12mm长度的玄武岩纤维、硅灰、纤维素醚用量分别为0.1%、8%、0.3%，生产的纤维增强水泥基复合材料在广东佛山地铁2号线林岳段屋面防水层进行应用示范，应用效果如图2所示。

图2 广东佛山地铁2号线林岳段屋面防水层

由图2可以看出，无纤维的普通水泥基材料铺设的屋面防水层出现了大量开裂情况，开裂后使用了沥青进行裂缝修补，采用玄武岩纤维增强的水泥基复合材料铺设的屋面防水层，经观察检测未出现开裂现象，应用效果良好。

3.结论

（1）硅灰的用量是影响砂浆抗折、抗压强度的主要因素，纤维长度是影响砂浆抗开裂性能的主要因素，纤维素醚掺量是影响砂浆流动度、失水率的主要因素。

（2）当纤维长度为12mm、用量为0.1%、硅灰用量为8%、纤维素醚用量0.3%时，砂浆具有较好的综合性能，28d抗折强度3.8MPa，28d抗压强度达到21.5MPa，砂浆流动度为113mm，开裂率为0。