PVA/玄武岩纤维增强水泥砂浆性能试验研究

2022-05-07胡春华

湖北工业大学学报 2022年2期

周颖，胡春华

(湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北武汉 430068)

随着单掺纤维增强水泥基复合材料的研究应用，发现单掺纤维对水泥复合材料的增强增韧效果是有局限性的[1]。而混杂纤维水泥基复合材料能使纤维发挥协同效应，获得具有不同纤维优势的新型复合材料，因此受到越来越多人的青睐。目前国内外学者对以钢纤维和PVA纤维进行混杂的研究居多[2-3]，但是钢纤维成本较高，易腐蚀，且因密度大振捣浇筑时易下沉导致分布不均匀等问题。而玄武岩纤维是一种由天然火山岩生产，原材料利用率高，成本低廉的环保纤维。玄武岩纤维的掺入能够提高水泥基复合材料的抗折抗拉强度，增强构件的抗冲击性能[4-5]；还能改善基材的耐久性[6-7]，并且与砂浆有良好的相容性[8]。胡星宇[9]研究得出纤维掺量是影响强度和韧性的主要因素；于海洋[10]等通过改变玄武岩纤维掺量，对PB-SHCC材料弯曲性能进行了研究，并对韧性做出评价，这对研究PVA-玄武岩纤维的研究应用打下基础。因此，本文通过试验探究PVA纤维和玄武岩纤维以分别单掺和不同掺量比混掺对水泥砂浆流动性、强度、韧性和干缩性能的影响，从而得出最佳混掺纤维配比。

1 试验

1.1 试验材料

1)本试验所用P.O42.5级硅酸盐水泥由湖北某建材有限公司生产，其化学组成如表1所示。

2)标准砂由厦门某标准砂有限公司按照GB/T 17671-1999生产的标准砂。

3)相关性能参数见表2。

表1 普通硅酸盐水泥的化学组成 %

表2 相关性能参数

4)减水剂

本试验所用减水剂来自邓州市某有限公司生产的萘系高效减水剂，减水率≥14%。

1.2 试验设计

试验设计包括有不掺加纤维的水泥砂浆试样S0、单掺0.5%体积掺量PVA纤维的水泥砂浆试样S1、同等体积掺量下单掺玄武岩纤维水泥砂浆试样S2以及以总体积掺量不变，以不同比例混掺的增强水泥砂浆试样S3～S9。水泥砂浆试样的配比如表4所示。减水剂掺量为水泥质量的0.7%。表3的试样S3～S9数据显示混掺水泥砂浆中PVA纤维与玄武岩纤维体积之比为3∶1、2∶1、3∶2、1∶1、2∶3、1∶2、1∶3。

表3 纤维增强水泥砂浆配合比

1.3 试验方法

将称量好的水泥、标准砂、减水剂等干料放入搅拌锅低速干拌两分钟，在搅拌的同时将事先称好的纤维一点点掺入搅拌锅，让纤维在其中混合均匀。之后再将称好的水加入搅拌锅中，再换高速搅拌两分钟即可，最后浇筑成40 mm×40 mm×160 mm规格的试块，按规范进行养护成型。按《建筑砂浆基本性能试验方法标准》JGJ/T 70-2009规范测定砂浆稠度和干燥收缩，其他成型试件通过微机伺服抗折抗压试验机测试强度。

2 结果与讨论

2.1 混掺纤维对水泥砂浆流动性的影响

通过图1，可得在固定纤维体积掺量不变的条件下，单掺纤维的稠度值对比情况是：S2

图 1 不同混掺类型对稠度值的影响

2.2 混掺纤维对水泥砂浆力学性能的影响

分别单掺纤维和同等掺量下以不同比例混掺纤维的水泥砂浆7 d和28 d的强度试验结果分别见图2和图3。折压比结果见图4。

1)通过图2可知，单掺PVA纤维的水泥砂浆试样S1与空白组S0相比较，7 d、28 d抗折强度分别提高了14.84%、19.85%，单掺BF纤维的水泥砂浆试样S2与空白组试样S0相比较，7 d、28 d抗折强度分别提高了8.73%、7.91%。而在混掺纤维试验组中，当混掺纤维比例是V(PVA)∶V(BF)≥1∶1时，即试块S3～S6组混掺，随着PVA纤维体积掺量的减小，BF纤维体积掺量增加，7 d龄期试块的抗折强度基本呈现上升趋势，28 d龄期时试块的抗折强度呈现下降趋势。但是相较于空白组，7 d和28 d抗折强度都有提高；而对比单掺纤维时，两种纤维的混杂水泥砂浆抗折强度介于单掺PVA纤维和单掺玄武岩纤维的试块之间。当混掺纤维比例是V(PVA)∶V(BF)<1∶1时，即试块S7～S9组混掺，随着PVA纤维体积掺量增大，BF纤维体积掺量减小，试块的7 d和28 d抗折强度呈现降低趋势。其中，S7试块的28 d抗折强度相比空白组增加最多为27.61%。

图 2 不同混掺类型对抗折强度影响

2)通过图3可知，单掺PVA纤维水泥砂浆7 d、28 d抗压强度相比不掺加纤维的水泥砂浆分别提高了7.39%、6.61%；单掺BF纤维的水泥砂浆试样S2的7 d、28 d抗压强度相较于不掺加纤维的水泥砂浆分别提高了2.13%、10.88%。单掺PVA能稳定增强砂浆的抗压强度；而单掺BF纤维水泥砂浆在前期强度提高不显著，但是后期强度能显著提高。在七组不同比例混掺的试块中，S5和S7组的28 d抗压强度最佳，相较于空白组S0，分别提高了15.07%和15.04%；而其他组的抗压强度虽然也比空白组稍微增大，但是相较于单掺PVA纤维时的要偏低。并且发现单掺玄武岩纤维对水泥砂浆前期抗压强度的影响不大，但是当两种纤维以适当的比例混掺时，就可以显著提高抗压强度，而且后期强度增大更为明显，这可能是因为玄武岩纤维掺量过高，吸附了部分水影响了早期的水泥水化反应，从而影响了早期的强度。

图 3 不同混掺类型对抗压强度影响

3)通过图4可知，7组不同比例混掺纤维的水泥砂浆试样S3～S9折压比相较空白组都有提升，相较于单掺PVA纤维提高不显著。在混掺纤维中，当V(PVA)∶V(BF)≥1∶1时，即S3～S6组试块7 d折压比逐渐上升，而28 d折压比逐渐下降；当V(PVA)∶V(BF)<1∶1时，7 d和28 d水泥砂浆试块折压比是先上升再下降的趋势，7 d龄期时的折压比比28 d时的大。其中，S7试块组的28 d时的折压比最高，相较于空白组提高了21.10%。一般说来折压比能够反映砂浆的韧性，砂浆折压比越大其韧性也就越好，抗弯拉强度越高，抗开裂性能越强[11]。因此，掺加适量的两种纤维到水泥砂浆中，能增强砂浆的强度以及韧性，提高砂浆的抗裂性。

图 4 不同混掺类型折压比结果

2.3 混掺纤维对水泥砂浆干燥收缩性能的影响

根据图5可以明显看出：整个收缩应变曲线的收缩发展主要发生在前28 d，在28 d之后收缩发展趋势趋于平缓。单掺纤维或者混掺纤维都能够明显改善收缩应变，减小砂浆因干燥收缩而导致的裂缝。在单掺纤维时，水泥砂浆的抗干缩性能结果比较是S2>S1>S0。单掺玄武岩纤维的水泥砂浆抗干缩能力之所以比单掺PVA时强，是因为在同等掺量下，短的玄武岩纤维相比长的PVA纤维更易于均匀分散到水泥基体中，从而减少内部水分散失的通道，降低内部毛细孔中的收缩应力。而在7组混掺纤维的试验中，各组对应龄期的干缩应变值，对比相同龄期下的单掺纤维的干缩应变有明显减小；不同混杂比例的纤维水泥砂浆之间的干缩应变值之间也存在着一些差异。相对来说，S7试验组在各龄期的收缩应变值最小，也就是说此时砂浆的抗裂性能最好。干燥收缩会使砂浆产生大量裂缝的原因是，水泥基材料硬化后，砂浆内部产生的各种拉应力超过了抗拉强度[12]。所以砂浆中掺入适量的两种纤维，使其均匀分散在水泥基材中，能减少水泥砂浆内部因干燥收缩产生的各种拉应力，从而减少裂缝的产生和发展，发挥出有效的阻裂作用。