膨润土和玄武岩纤维改性水泥砂浆的防渗抗裂性能

陈文瑶，张卓翔,2，孟二从，黎 强

(1.西南大学工程技术学院，重庆 400715；2.中建西部建设西南有限公司，成都 610000)

0 引 言

在经济飞速发展的今天，人们对建筑材料性能的要求也在逐渐提高。功能多、性能强、绿色环保及经济效益高的新型水泥基复合材料已成为工程中颇具前景、应用颇为广泛的材料之一。水泥砂浆在水化过程中会发生体积收缩，致使材料开裂变形，防渗抗裂性能降低[1]。为解决水泥砂浆易开裂、渗漏的问题，在水泥砂浆中加入适量膨润土和玄武岩纤维是解决该问题的有效措施。

膨润土也叫斑脱石或皂土，我国从唐代开始就大量开发膨润土[2]。膨润土是一种非金属矿产，主要矿物成分为蒙脱石，其吸附性、膨胀性和分散性等理化性质十分优异，可用于生产防水材料[3-4]。一些研究[5-6]表明，在砂浆或混凝土中添加膨润土不仅可以改善其工作性能、填充孔隙、增强抗渗性能，而且使其强度高、耐久性能好、密封性强等。秦鸿根等[7]在砂浆中掺入适量膨润土后，砂浆的稠度有所下降，抗压强度、保水性提高，在某些方面，砂浆的表观密度和热传导率得到了提高。肖佳等[8]在水泥基材料中加入膨润土，提高了水泥基材料的抗低温硫酸盐侵蚀性能。Hu等[9]研究了膨润土对水泥砂浆孔隙结构和渗透率的影响，发现膨润土能细化水泥砂浆的孔隙结构，增强砂浆的抗渗性。侯娟等[10]通过COMSOL建立了模拟膨润土中渗流的数值模型，研究了膨润土颗粒膨胀过程对膨润土衬垫抗渗性能的影响，研究结果表明，流体通过膨润土粒间孔隙时，边界通道的最大速度明显小于非边界通道速度。Anirudhan等[11]采用直接插层聚合技术制备了具有胺官能团的新型聚丙烯酰胺-膨润土复合材料，膨润土的添加使该材料吸附能力明显增强。

膨润土具有优异的吸水膨胀性[12]，可增强水泥基材料的防水性。随着人们需求的增加，膨润土改性水泥基材料在矿业、建筑、水利等领域的应用越来越广泛[13]。玄武岩纤维是一种环保、高性能的新型无机纤维，它由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、二氧化钛等氧化物组成。玄武岩纤维具有较高的强度、耐腐蚀、耐高温等特性[14]，故近些年来已将其应用于诸多方面，且玄武岩纤维良好的拉伸强度能有效降低水泥基材料裂缝的产生与发展[15]。Czigny[16]通过制备玄武岩纤维增强聚丙烯基混杂复合材料，发现玄武岩纤维的加入有利于复合材料性能的增强，证明了玄武岩纤维可以有效地应用于混杂复合材料中。丁亚红等[17]通过掺入玄武岩纤维的方法，提高了再生混凝土的抗碳化性能。膨润土和玄武岩纤维都具备优良的性能且二者的成本皆不高，二者相互作用后可以对材料起到积极作用[18-19]。

因此，研制一种既具有较好的工作性能与力学性能，又兼具防渗抗裂的水泥砂浆材料，能够在一定程度上解决工程中出现的渗漏、开裂等问题。本试验将膨润土和玄武岩纤维添加至水泥砂浆中，研究了水泥砂浆的防渗和早期裂缝特性，并探讨了膨润土和玄武岩纤维对水泥砂浆防渗抗裂性能的影响机理。

1 实 验

1.1 试验材料

胶凝材料为P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，由四川邻水红狮水泥有限公司生产；膨润土由石家庄燕新矿业有限责任公司生产，平均粒径为10.01 μm，主要矿物成分为蒙脱石、方解石和石英等；玄武岩纤维由上海臣启化工有限公司生产，直径为12 mm，表面呈褐色；减水剂采用江苏兆佳建材有限公司提供的聚羧酸高性能减水剂；细集料采用重庆地区的普通河砂，符合《建筑用砂》(GB/T 14684—2022)规范要求，过5 mm筛，烘干备用。水泥的物理性能见表1，主要原材料的化学成分见表2，膨润土和水泥的物相组成如图1所示。

表1 水泥的物理性能Table 1 Physical properties of cement

表2 原材料的化学组成Table 2 Chemical composition of raw materials

图1 膨润土和水泥的物相组成Fig.1 Phase composition of bentonite and cement

1.2 样品制备与配合比设计

用电子天平对原材料进行称量，将称量好的水泥、河砂、膨润土放入搅拌机中，低速搅拌30 s，然后将玄武岩纤维加入搅拌锅中，高速搅拌60 s，再往搅拌锅中加入2/3溶有减水剂的水，匀速搅拌60 s；最后往搅拌锅中加入剩下1/3溶有减水剂的水，高速搅拌60 s后即制得本试验所需的防渗抗裂水泥砂浆。将制备好的水泥砂浆拌合物倒入试模中，振捣、抹平后做好标记，将制备好的水泥砂浆静置(24±2) h后拆模，编号，然后放入温度为(20±2) ℃、相对湿度大于95%的标准恒温养护箱内直至规定龄期。水泥砂浆配合比见表3。

表3 水泥砂浆的配合比Table 3 Mix proportion of cement mortar

1.3 抗渗性能试验方法

参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)的相关规程进行抗渗性能试验。水泥砂浆抗渗性能试验使用的仪器：尺寸为70 mm×80 mm×30 mm的金属圆锥体试模及砂浆渗透仪。将养护至龄期为28 d的试件四周进行密封处理，再将其装入到砂浆渗透仪上，从0.2 MPa开始逐级加压，恒压2 h后再加到0.3 MPa，每间隔1小时后再升高0.1 MPa，当6个试件中第3个试件表面有水渗出时，停止测试，记录此时的水压力。若水从试件的周围渗出，则表明未密封好，需对试件重新密封，然后再以同样的方式重复试验。

1.4 抗裂性能试验方法及抗裂等级评价标准

参照《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13—2009)的相关规程进行抗裂性能试验。水泥砂浆抗裂性能测试需要尺寸为600 mm×600 mm×20 mm的约束平面薄板，平板内四边分别设有7根长度为100 mm的单排栓钉，栓钉与栓钉的间距为60 mm，该装置示意图与实物图见图2。将制备好的水泥砂浆拌合物倒入平板内进行浇筑，抹平，再用聚乙烯薄膜覆盖水泥砂浆的表面2 h，待试件完全成型后取下薄膜，将风扇置于距离平板0.15 m处，并以(5±0.5) m/s的风速对试件表层吹风。风扇不间歇吹向试件表面24 h后观测产生的裂纹。试件表面出现的裂纹应以肉眼可见的为准，其长度用钢尺测量，最大宽度用读数显微镜测取。本试验主要采用裂缝降低系数法对膨润土和玄武岩纤维改性水泥砂浆的早期开裂情况进行对比分析，抗裂等级评价标准见表4。裂缝降低系数计算公式为

(1)

(2)

式中：Wi,max为第i条裂缝的缝宽，mm；li为第i条裂缝的总长度，mm；Acr为裂缝总面积，mm2；Amcr为普通砂浆产生开裂的裂缝总面积，mm2；η为裂缝降低系数，%。

图2 抗裂性能试验装置示意图与实物图Fig.2 Schematic diagram and physical drawing of crack resistance test device

表4 抗裂等级评价标准Table 4 Evaluation standard for crack resistance grade

1.5 微观结构表征方法

试件达到28 d养护龄期后将其用抗压机压碎，取10 mm的薄片，用异丙醇溶液浸泡样品使样品终止水化，然后烘干至恒重。借助扫描电子显微镜(SEM)分析样品微观形貌，借助X射线粉晶衍射仪分析样品物相成分，借助红外光谱仪对样品进行红外光谱(FTIR)分析。

2 结果与讨论

2.1 膨润土和玄武岩纤维对水泥砂浆抗渗性能的影响

图3 膨润土和纤维掺量对水泥砂浆抗渗性能的影响Fig.3 Effect of bentonite and fiber content on impermeability of cement mortar

图3表示了各组分膨润土和玄武岩纤维对水泥砂浆抗渗性能的影响。由图3可知，单掺膨润土时，抗渗压力值随着膨润土掺量的增加而增大。当膨润土掺量从2%增至8%时，与对照组(未掺膨润土和玄武岩纤维)相比，抗渗压力值分别提高了9.26%、29.63%、53.70%、72.22%。混掺膨润土和玄武岩纤维时，纤维掺量为0.2%、0.4%、0.6%的水泥砂浆抗渗性能都随着膨润土掺量的增多呈先增大后减小的趋势，均在膨润土掺量为4%时达到峰值；最大抗渗压力值出现在膨润土掺量为4%、纤维掺量为0.4%处，此时抗渗压力值为0.87 MPa，与对照组相比，提高了61.11%，抗渗等级达到P8级。单掺玄武岩纤维时，抗渗压力值随着纤维掺量的增加呈先增大后减小的趋势，在掺量为0.4%时达到峰值，此时抗渗压力值为0.63 MPa，与对照组相比，提高了16.67%。由此可见，膨润土和玄武岩纤维对水泥砂浆的抗渗性能均有较大的影响，但膨润土的影响作用更显著，且混掺膨润土和玄武岩纤维时，二者掺量并非越多越有利，二者掺量过多反而会对水泥砂浆抗渗性能产生不利影响。这是由于：一方面，膨润土自身有着较好的活性和分散性，水泥水化反应后，膨润土在基体中均匀分布并在孔隙中充分填充，改善基体孔隙结构，使基体孔隙率降低；膨润土用量越大，孔隙率越小。同时，一些未参与水泥水化反应的膨润土颗粒在基体孔隙间交错搭接排列，形成网状结构的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶类物质，在理化作用下，复合水泥砂浆结构变得更加密实，抗渗性能得以显著提升。另一方面，膨润土的膨胀性使其在遇到水分时会产生体积膨胀，并在一定程度上互相挤压，形成一种薄膜状胶体，阻隔水分子进入，从而起到防水作用。混掺膨润土和玄武岩纤维的水泥砂浆抗渗性能可以得到更好的改善，但要将二者掺量控制在合理的范围之内。纤维良好的抗拉性能使基体在受荷载状态下也能对基体进行约束，阻止其变形、断裂及发生错位运动等；纤维的加入对水泥砂浆的抗渗性能有较好的提升作用。但过量的膨润土、纤维对水泥砂浆的成形不利，使其分散不均匀，且内部空洞多，即便是膨润土遇水膨胀，也难以完全填充这部分孔洞，从而导致抗渗性能下降。

2.2 膨润土和玄武岩纤维对水泥砂浆抗裂性能的影响

图4(a)～(d)分别表示了各组分膨润土和玄武岩纤维对水泥砂浆单位面积的裂缝总面积、最大裂缝宽度、裂缝降低系数及单位面积裂缝数量的影响。

图4 膨润土和纤维掺量对水泥砂浆抗裂性能的影响Fig.4 Effect of bentonite and fiber content on crack resistance of cement mortar

由图4可知，随着膨润土掺量的增加，水泥砂浆最大裂缝宽度都呈先减小后增大的趋势，最小值均出现在4%膨润土掺量时。在单掺杂玄武岩纤维的情况下，随着纤维掺量的增加，水泥砂浆的最大裂缝宽度逐渐减小。从总体上看，混掺4%膨润土和0.6%玄武岩纤维时，水泥砂浆的最大裂缝宽减小最多，与对照组相比减小了65.87%。水泥砂浆单位面积的裂缝总面积均随着膨润土掺量的增加呈先大幅减小后略有增大的趋势，相比其他组分，纤维掺量在0.6%时水泥砂浆单位面积的裂缝总面积最小。单掺膨润土时，裂缝降低系数均小于50%，抗裂效果不理想，此时裂缝降低系数最大值为35.84%，参照抗裂等级评价标准，属于Ⅲ级抗裂。混掺膨润土和玄武岩纤维时，裂缝降低系数随着膨润土掺量的增加呈先小幅增大后略微减小的趋势，变化趋势基本趋于平缓；各组分掺量裂缝降低系数的最大值出现在膨润土掺量为4%、纤维掺量为0.6%时，此时抗裂效果最好，裂缝降低系数可达90.59%，参照抗裂等级评价标准，属于Ⅰ级抗裂。单掺玄武岩纤维时，裂缝降低系数随着纤维掺量的增加而增大，但此时的最大值与混掺4%膨润土、0.6%纤维时相比，要低1.33个百分点。由此可见，混掺4%膨润土和0.6%玄武岩纤维时，抗裂效果最显著。水泥砂浆单位面积裂缝条数均随着膨润土掺量的增加大致呈先大幅减少后缓慢变化的趋势，且混掺膨润土和纤维时单位面积裂缝条数的情况优于单掺膨润土，最小值出现在膨润土掺量为6%、纤维掺量为0.6%时。单掺玄武岩纤维时，单位面积裂缝条数随纤维掺量的增加而减少，最小值出现在0.6%纤维掺量时，但此时的最小值依旧高出混掺6%膨润土、0.6%纤维时的值。由此可见，混掺膨润土和玄武岩纤维时，抗裂效果优于单掺膨润土或纤维。

综上所述，混掺膨润土和玄武岩纤维对抗裂性能的改善作用最突出，裂缝特征表现为“少、细、短”。这是由于：一方面，虽然少量膨润土的膨胀作用不大，但是可以对水泥砂浆进行补偿收缩，大量的膨润土则会过度膨胀，导致抗裂性能下降；而纤维掺入后让水泥砂浆内部形成三维乱象分布状态，此时膨润土和纤维协同作用，增强纤维与水泥砂浆之间的黏结性，有利于改善水泥砂浆的抗裂性能，纤维与裂缝处的照片如图5所示。另一方面，掺入适量的膨润土后提高了纤维与基体之间的黏结性，纤维在基体内部形成牢固的“纤维筋”结构，不仅提高基体开裂的应力水平，使水泥基体能够承受更强的应力，抵抗水泥砂浆材料开裂时所产生的拉应力，同时将这部分应力传递给水泥砂浆中其他集料组分，阻碍集料的分层和离析，抑制水泥砂浆材料的干燥收缩。

图5 纤维与裂缝处的照片Fig.5 Image between fiber and crack

2.3 膨润土和玄武岩纤维对水泥砂浆影响的微观机理分析

为了从微观角度分析膨润土和玄武岩纤维对水泥砂浆的影响，采用SEM、能谱分析和XRD物相分析以及红外光谱分析等技术对水泥砂浆的微观结构及水化产物进行探究。图6为水泥砂浆的SEM照片，其中(a)、(b)是未掺膨润土和玄武岩纤维的水泥砂浆的SEM照片，(c)、(d)是混掺膨润土和玄武岩纤维的水泥砂浆的SEM照片；图7为水泥砂浆的XRD谱；图8为水泥砂浆的FTIR谱。由图6～图8可以看出：与不掺膨润土和纤维的水泥砂浆相比，加入膨润土和纤维的水泥砂浆的微观结构中间隙、孔洞等明显减少，且裂缝宽度也有所减小，纤维之间的交错搭接排列对水泥砂浆孔隙有良好的填充作用，阻止材料内部裂缝的延伸，减少裂缝断裂空间[20]；水泥水化反应后，膨润土有效填充了水泥基体里的孔隙，孔隙率下降，结构更加密实，使裂缝产生和延展的速度变缓；膨润土和水化产物分布于纤维上，提高了水泥砂浆的黏结性能，裂缝不仅被纤维的搭接作用所阻碍，纤维良好的抗拉性能也能使其对受荷载状态下的基体进行约束，使混掺膨润土和玄武岩纤维的水泥砂浆抗渗性能、抗裂性能都有效提高。加入膨润土和纤维的水泥砂浆的成分主要有氢氧化钙(CH)、水化硅酸钙(C-S-H)、二氧化硅(SiO2)及少量的钙矾石(AFt)和未完全水化的硅酸二钙(C2S)、硅酸三钙(C3S)等；二者混掺降低了CH的结晶度，促使了C-S-H凝胶的生成，说明膨润土和玄武岩纤维的加入有利于水化反应，也有利于水泥砂浆性能的增强。

图6 混掺膨润土和玄武岩纤维前后水泥砂浆的SEM照片Fig.6 SEM images of cement mortar before and after mixing bentonite and basalt fiber

图7为水泥砂浆养护28 d的XRD谱，从图7中可以看出,混掺膨润土和玄武岩纤维的水泥砂浆与对照组水泥砂浆的水化产物相同，产物主要为C-S-H、CH、AFt和未完全反应的C3S、SiO2、CaCO3等晶体[21]。在2θ=18.03°、34.07°、47.50°位置处探察到属于CH对应的特征峰，2θ=9.08°处为AFt对应的特征峰，未完全参与反应的C3S、SiO2、CaCO3对应的主要特征峰分别位于2θ=31.19°、26.59°、23.04°处。加入膨润土和玄武岩纤维后水泥砂浆的XRD谱中无新的衍射峰出现，仅是晶体的衍射峰强度发生了变化，即水泥砂浆的水化产物种类并没有因为添加膨润土和玄武岩纤维而发生改变；且随着膨润土、玄武岩纤维的加入，C3S衍射峰强度逐渐降低，相对含量减少，CH在18.03°和34.07°位置的衍射峰及AFt的衍射峰强度降低，相对含量减少，说明膨润土和玄武岩纤维的掺入是有利于水化反应的。

图7 单掺4%膨润土和混掺4%膨润土、 0.4%玄武岩纤维后水泥砂浆的XRD谱Fig.7 XRD patterns of cement mortar with 4% bentonite and mixing 4% bentonite, 0.4% basalt fiber

图8 单掺4%膨润土和混掺4%膨润土、 0.4%玄武岩纤维后水泥砂浆的FTIR谱Fig.8 FTIR spectra of cement mortar with 4% bentonite and mixing 4% bentonite， 0.4% basalt fiber

3 结 论

1)单掺膨润土、单掺玄武岩纤维及二者混掺对水泥砂浆抗渗性能都有影响，但单掺膨润土时的影响作用更显著。单掺膨润土时，抗渗压力值随着膨润土掺量的增加而增大，掺8%膨润土时，抗渗压力值最大，与对照组相比提高了72.22%。混掺膨润土和玄武岩纤维时，抗渗性能均在膨润土掺量为4%时达到峰值；最大抗渗压力值出现在膨润土掺量为4%、玄武岩纤维掺量为0.4%时，此时抗渗压力值为0.87 MPa，与对照组相比提高了61.11%，抗渗等级达到P8级。

2)混掺膨润土和玄武岩纤维、单掺膨润土以及单掺玄武岩纤维三种方式中，混掺对水泥砂浆抗裂性能的改善作用最理想，裂缝特征表现为“少、细、短”。膨润土掺量为4%、玄武岩纤维掺量为0.6%时，抗裂效果最好，裂缝降低系数可达90.59%，属于Ⅰ级抗裂。

3)由SEM、XRD及FTIR分析可知，混掺膨润土和玄武岩纤维的水泥砂浆裂缝、孔洞等明显减少，孔洞、孔隙等被有效填充，密实度增加，延缓了水泥砂浆材料裂缝的产生和发展。裂缝和孔洞被纤维连接，当受到外部荷载时，可以起到分散、转移荷载的作用。一些未参与水泥水化反应的膨润土颗粒在基体孔隙间交错搭接排列，CH含量明显减少，C-S-H凝胶含量增多，有效改善了水泥砂浆的抗渗性能和抗裂性能。添加膨润土和玄武岩纤维后水泥砂浆的水化产物种类并未发生改变，但对水化产物晶体的结构及含量产生了影响。