建筑外墙用纤维增强水泥砂浆的收缩性能研究*

刘广斌

（杨凌职业技术学院,陕西杨凌712100）

水泥砂浆是建筑混凝土结构的必备材料之一,一般在建筑施工现场搅拌,但是由于水泥砂浆多用于薄壁结构[1],在使用过程中经常会由于外界环境的变化而出现“干透”或“湿透”现象[2],并造成建筑外墙等结构中的砂浆产生干缩湿胀现象,并最终造成砂浆开裂,这些“干透”或“湿透”现象的存在很大程度上会影响水泥砂浆的使用效果并造成生产成本升高、返工现象严重以及使用寿命较短等问题[3]。为了解决水泥砂浆的失水收缩和开裂问题,研究人员在水泥砂浆的成分配比上做了大量工作,且已证实在水泥砂浆中加入纤维可以有效改善水泥砂浆的收缩性能[4],但是在水泥砂浆中摻入玻璃纤维、玄武岩纤维和钢纤维并与基准水泥砂浆的收缩性能的对比分析却鲜有报道[5-6]。在此基础上,本文对比分析了基准水泥砂浆试块与纤维增强水泥砂浆试块的收缩性能与断面形貌,并分析了相应的作用机理,结果有助于新型抗收缩的纤维增强水泥砂浆的开发与工程化应用。

1 试验材料与方法

试验原料包括曲阜中联水泥有限公司生产的P.I42.5硅酸盐水泥（比表面积325m2/kg、密度3.18g/m3、初凝和终凝时间分别为136min和220min、28d抗压强度和抗折强度分别为8.8MPa和51.0MPa）、细度模数2.36的河砂（堆积密度1593kg/m3、含泥量1.8%）以及不同厂家的纤维（基本物性指标见表1）。

表1 纤维的物性指标Table 1 Physical properties of fiber

根据JC/T 603-2004《水泥胶砂干缩试验方法》和表2的建筑外墙用纤维增强水泥砂浆的配合比[7],采用三联试模成型方法将水泥砂浆制成标准试块（25×25×250,mm）,在标准箱中覆盖薄膜养护1天后拆模并转入标准养护室内进行水养护48h处理,采用比长仪测定试件初始尺寸后移入养护箱中进行不同龄期的干燥养护,并在各个龄期下测定干燥收缩率、长度和重量,整个过程中保持养护温度为20℃、养护湿度为60%。砂浆试块第n天的龄期干缩率Sn可用式（1）表示[8]：

表2 建筑外墙用纤维增强水泥砂浆的配合比（kg/m3）Table 2 Mix proportion of fiber reinforced cement mortar for building exterior wall

式（1）中,L0和Ln分别为砂浆试块初始长度和龄期第n天的长度。为了测定纤维增强砂浆试块的自收缩率,将砂浆试块脱模后测定初始长度并采用薄膜和石蜡密封,在20℃/90%RH的标准恒温恒湿养护箱内进行养护处理,每间隔7天测定水泥砂浆试件的重量和长度变化,根据干燥收缩率的测定方法计算自收缩率[9]。

2 试验结果及讨论

图1为纤维增强水泥砂浆的自收缩率随龄期的变化曲线。对比分析可知,无论是基准砂浆,还是纤维增强砂浆（玻纤砂浆、钢纤砂浆、玄武岩砂浆和木纤维砂浆）,砂浆试块的自收缩率都会随着龄期增加而逐渐增大,在龄期较短时,纤维增强水泥砂浆的自收缩率增加幅度较快,而随着龄期的延长,纤维增强水泥砂浆的自收缩率的增长幅度变缓。相对而言,在相同龄期下,纤维不同的砂浆试块的自收缩率存在一定差异,且都明显低于基准砂浆的自收缩率,这也表明纤维增强砂浆的抑制砂浆收缩的能力都优于基准砂浆[10],且相同龄期下钢纤砂浆试块的自收缩率最小,具有最佳的抑制砂浆收缩的能力。

图2为纤维增强水泥砂浆的收缩率随龄期的变化曲线。对比分析可知,无论是基准砂浆还是纤维增强砂浆,在龄期较短时的收缩率会快速增长,而当龄期接近20d时收缩率趋于平缓,在龄期达到90d时基本稳定。当砂浆试块的收缩率稳定后将其泡入水中进行35d的湿胀处理以及再干缩处理。对比分析可见,干缩变形后再次泡入水中,纤维增强水泥砂浆试块都会出现快速湿胀,且干缩仅能恢复少量变形,基准砂浆和纤维增强砂浆的湿胀曲线相似。结合图1的纤维增强水泥砂浆的自收缩率随龄期的变化曲线可知,相同龄期下纤维增强砂浆试块的收缩率会明显高于自收缩率,其中,基准砂浆的自收缩率与收缩率的比值约为19.4%,而纤维增强砂浆的自收缩率与收缩率的比值介于15.8%～17.4%。可见,纤维增强砂浆试块的自收缩率与收缩率的比值小于基准砂浆试块。

图2 纤维增强水泥砂浆的收缩率随龄期的变化Fig. 2 Shrinkage change of fiber reinforced cement mortar with age

图3为纤维增强水泥砂浆的失水率随龄期的变化曲线。对比分析可知,在龄期90天前,基准砂浆和纤维增强水泥砂浆试块的失水率都会随着龄期增加而逐渐增大,且早期失水率会随着龄期延长而快速增加。纤维增强水泥砂浆的失水率随龄期的变化曲线与收缩率-龄期曲线较为相似,在龄期为90d时,基准砂浆试块的失水率最小,其次为木质素纤维砂浆试块,而玄武岩纤维砂浆试块的失水率最大,究其原因,这主要与基准砂浆在加入纤维后,内部结构会更加致密,从而造成纤维增强水泥砂浆内水分更容易逸出所致[11]；且相对而言,玄武岩纤维砂浆的结构致密性最差,失水率会相对较大,但是整体而言,四种纤维增强水泥砂浆在龄期90d时的失水率差别并不大,整体介于6.89%～7.31%之间。

图3 纤维增强水泥砂浆的失水率随龄期的变化曲线Fig. 3 Water loss rate curve of fiber reinforced cement mortar with age

图4为纤维增强水泥砂浆试块的35d湿胀率和90d干缩率。从90d干缩率上来看,除木质素纤维砂浆试块的90d干缩率高于基准砂浆试块外,其余纤维增强水泥砂浆试块的90d干缩率都相较基准砂浆试块更小,且玻璃纤维砂浆试块的90d干缩率最小；从35d湿胀率上来看,纤维增强水泥砂浆试块的35d湿胀率与干缩率的变化趋势一致,即玻璃纤维砂浆试块的35d湿胀率最小,而木质素纤维砂浆试块的35d湿胀率最大且高于基准砂浆试块。由此可见,纤维的加入会对水泥砂浆试块的干燥收缩变形产生明显影响,且玻璃纤维由于在砂浆试块中呈三维网状分布且与砂浆基体结合力较强[12],因此,其干缩率会相对较小。

图4 纤维增强水泥砂浆试块的35d湿胀率和90d干缩率Fig. 435d wet expansion rate and 90d dry shrinkage rate of fiber reinforced cement mortar test block

图5为纤维增强水泥砂浆试块的断面形貌。其中图5(a)为未加入纤维的基准砂浆试块的断面形貌,为典型常规水泥砂浆试块的断面形态,而加入玻璃纤维后[图5(b)],断面上可见分散度较高的玻璃纤维,这种呈三维均匀分布的断面形态有助于抑制干缩[13]；图5(c)为钢纤维增强水泥砂浆试块的断面形貌,可见钢纤维在断面中的分布数量较少,且由于钢纤维自身的憎水特性以及造成砂浆试块多孔的特征,整体抑制干缩的能力较差[14]；图5(d)为玄武岩纤维增强砂浆试块的断面形貌,可见局部区域出现了成团现象,在干缩过程中容易造成应力集中[2],而使得其干缩效果会差于玻璃纤维增强水泥砂浆试块；图5(e)的木质纤维素增强水泥砂浆试块的断面形貌中可见方框所示的絮状结构(孔隙率较高),不利于砂浆内部的干缩变形[15],其抑制干缩的效果也会低于玻璃纤维增强砂浆试块。

图5 纤维增强水泥砂浆试块的断面形貌Fig.5 Cross section morphology of fiber reinforced cement mortar test block

图6为纤维增强水泥砂浆的收缩率与失水率的关系曲线。

图6 纤维增强水泥砂浆的收缩率与失水率的关系曲线Fig. 6 Relation curve between shrinkage and water loss of fiber reinforced cement mortar

由图6可见,随着失水率的增加,基准砂浆试块和纤维增强水泥砂浆试块的收缩率的变化趋势基本相同,都表现为收缩率随着失水率增加而不断增大的特征。此外,在失水率高于6%时,基准砂浆试块和纤维增强水泥砂浆试块的收缩基本完成,表现为收缩率逐渐趋于稳定,且木质纤维素增强水泥砂浆试块的收缩率最高,其次为基准砂浆试块,而玻璃纤维增强砂浆试块的收缩率最低。从收缩率与失水率的关系曲线中可知,失水率与试块的收缩率密切相关,收缩率的变化主要与水分迁移有关[16],在相同失水率的情况下,玻璃纤维增强水泥砂浆试块的收缩率是纤维增强水泥砂浆试块中最小的,这也就说明玻璃纤维更加有利于抑制水泥砂浆试块的收缩,这与前述的试验结果保持一致。

图7为纤维增强水泥砂浆的湿胀率与吸水率的关系曲线。基准砂浆试块和纤维增强水泥砂浆试块的湿胀率都会随着吸水率的增加而逐渐增大。无论是基准砂浆还是纤维增强砂浆,在泡水后的试块都会迅速吸水而产生湿胀,且在相同吸水率时,木质纤维增强水泥砂浆试块的湿胀率最大,而玻璃纤维增强水泥砂浆试块的湿胀率最小。在相同吸水率时,玻璃纤维增强水泥砂浆的湿胀率与玄武岩纤维增强水泥砂浆试块相当,但是结合前述的90d干缩率可知,玻璃纤维水泥砂浆试块的干缩率会低于后者,这也说明纤维增强水泥砂浆试块中的玻璃纤维更加有利于抑制干缩,并具有最好的干缩湿胀稳定性[17]。

图7 纤维增强水泥砂浆的湿胀率与吸水率的关系曲线Fig. 7 Relation curve between moisture expansion and water absorption of fiber reinforced cement mortar

3 结论

（1）基准砂浆和纤维增强砂浆试块的自收缩率都会随着龄期增加而逐渐增大,在相同龄期下,纤维增强砂浆试块的自收缩率都明显低于基准砂浆的自收缩率。相同龄期下纤维增强砂浆试块的收缩率会明显高于自收缩率,其中,基准砂浆的自收缩率与收缩率的比值约为19.4%,而纤维增强砂浆的自收缩率与收缩率的比值介于15.8%～17.4%。

（2）基准砂浆和纤维增强水泥砂浆试块的失水率都会随着龄期增加而逐渐增大,且基准砂浆试块的失水率最小,其次为木质素纤维砂浆试块,而玄武岩纤维砂浆试块的失水率最大；四种纤维增强水泥砂浆在龄期90d时的失水率差别并不大,整体介于6.89%～7.31%之间。

（3）纤维增强水泥砂浆试块的35d湿胀率与90d干缩率的变化趋势一致,即玻璃纤维砂浆试块的90d干缩率和35d湿胀率最小,这主要与玻璃纤在砂浆试块中呈三维网状分布且与砂浆基体结合力较强有关。基准砂浆和纤维增强水泥砂浆试块的失水率与收缩率密切相关,在相同失水率的情况下,玻璃纤维增强水泥砂浆试块的收缩率是纤维增强水泥砂浆试块中最小的,即玻璃纤维更加有利于抑制水泥砂浆试块的收缩。