不同掺量及长度聚丙烯纤维砂浆早期性能分析

李康一,兰岩松,杨 雪,宋 杨,孙剑飞

(黑龙江大学 a.建筑工程学院;b.水利电力学院,哈尔滨 150086)

0 引 言

相对于普通砂浆,纤维掺量砂浆的力学性能更优,主要原因是水泥与细骨料之间的胶结作用。本文将聚丙烯材料作为本次试验的增强材料,聚丙烯纤维具有强度好、易分散、经济效益好等特点,在新能源产业和环保方面有着优秀的发展前景[1]。本文对4种长度、掺量的聚丙烯纤维砂浆进行研究,分析其抗压、抗折性能上的提升,从而得出最优纤维掺量,研究成果可为解决类似工程问题提供相应的理论依据与技术引导。

1 材料与相关数据

1.1 试验材料与性能

水泥:采用天鹅牌 P·O 42.5复合硅酸盐水泥,其性能指标见表1[2]。

表1 水泥的力学性能指标

砂:采用砂为试验砂,其细度模数2.4,表观密度2 648kg/m3。

掺合料:为20%粉煤灰,粉煤灰为黑龙江双达电力设备有限公司的I级灰,其化学成分见文献[3]。

聚丙烯纤维:产地为湖南长沙,为100%纯聚丙烯材质,纤维类型为束状单丝,具体指标见表2。

表2 聚丙烯纤维技术指标

减水剂:黑龙江低温科学研究所生产,减水率0.25[4]。

水:使用的水为学院自来水。

1.2 配合比设计

本试验使用水胶比0.38、胶砂比1.5的配合比,聚丙烯纤维掺量使用绝对体积法,研究4种不同长度(3、6、9、15mm)、4种不同掺量(0.1%、0.2%、0.3%、0.4%)的聚丙烯纤维,试验有固定20%粉煤灰占胶凝材料比值。

1.3 试件制备

根据标准《行星式水泥砂浆搅拌机》(JC/T 681-2005)[5],搅拌机应预先搅拌细骨料与聚丙烯纤维120s,使纤维与细骨料搅拌混合均匀[6],避免纤维在水泥基材料中成团,影响试验结果,然后再加水搅拌。首先砂浆经搅拌机搅拌完成,然后用砂浆标准试件的模具制作标准试件,并使用振动台对其进行震动,达到密实效果,最后将试件制作完成后,放置在20±5℃的环境中24h。等待脱模完成后,根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2019)[7](湿度为95%以上的标准养护室)进行养护。本文进行17组试验,每组有3个平行试件,分别养护3和7d。达到试验龄期后,参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70-2009)[8]及《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG 3420-2020)[9]进行试验测试,数据严格使用3块砂浆试块的抗压与抗折强度指标的平均值,减小误差。

2 结果分析

2.1 抗压试验结果分析

在不同纤维长度伴随递增纤维体积掺量的情况下,10组水泥砂浆的龄期为3和7d的抗压强度变化反应折线图见图1和图2。由图1、图2可知,对于3d龄期,4种长度的聚丙烯纤维在体积掺量为0.1%、0.2%、0.3%时,试件的抗压强度会因纤维掺量的增加而提升,并且随着纤维长度的增加抗压强度也在提升,超过9mm时便开始下降。整体上呈先上升后下降趋势,4种纤维长度掺量的砂浆均在0.2%时抗压强度达到最高,分别较对照组提升15.4%、17.6%、18.4.0%、13.8%。对于7d龄期,3、6、9mm这3种纤维掺量的水泥砂浆抗压强度先提升后下降,且都在0.2%时达到最高,分别较空白组提升9.2%、9.7%、11.0%。15mm纤维掺量在0.1%掺量时抗压强度达到最大,较对照组提升7.3%。

图1 聚丙烯纤维掺量对砂浆3d抗压强度的影响

3d龄期的抗压强度与7d龄期的抗压强度变化趋势相似,主要原因是纤维在水泥基中形成网状结构,表现出正混杂效应[10],很大程度上阻止了裂缝的延伸,从而提高了复合材料的抗压强度[11]。但过量的纤维与太长的纤维在水泥砂浆中会形成团状结构[12],不利于展现出抗拉能力。因此,对于本试验3d龄期与7d龄期的水泥砂浆,0.2%的聚丙烯纤维体积掺量能发挥最优作用,而4种纤维长度中9mm的聚丙烯纤维长度为最好。

2.2 抗折试验结果分析

龄期分别为3与7d、4种不同长度的聚丙烯纤维在体积掺量的变化曲线图见图3、图4。由图3、图4的强度数值可知,龄期7d较龄期3d有明显提升;随着纤维体积掺量的增加,龄期3d与龄期7d的两组数值变化是不相同的。龄期3d的曲线有两个峰值,但数值变化不明显,呈先上升后下降再上升的趋势,总体上还是呈现出上升的趋势。对于7d龄期,当聚丙烯纤维的体积掺量增加为0.2%时,4种水泥砂浆的抗折强度发生了不同的变化,3与6mm纤维长度的抗折强度在缓慢上升,9与15mm纤维长度的抗折强度在0.2%与0.3%掺量之间有些许的下降,但4种长度均在0.4%达到抗折强度最大。龄期3d较对照组提升了5.5%、9.9%、13.2%、12.1%;龄期7d较对照组提升了28.6%、26.5%、25.6%、21.4%。因此,对于本试验水泥砂浆的抗折强度最佳纤维掺量为0.4%。

图3 聚丙烯纤维掺量对砂浆3d抗折强度影响

图4 聚丙烯纤维掺量对砂浆7d抗折强度影响

3 结 论

利用4种不同长度和4种不同掺量的聚丙烯纤维,制备16组水泥砂浆试件,再做一组对照组试验,通过对比得到以下相关结论:

1)聚丙烯纤维的掺入会有效增加水泥砂浆试块的力学性能,主要是因为纤维在水泥砂浆中呈现网状结构,有效展现了纤维的拉伸能力,进而减小砂浆的开裂范围,增加强度。

2)根据试验中抗压强度数据显示,共7组龄期在3和7d的水泥砂浆试块大部分均在纤维含量为0.2%时,水泥砂浆的抗压强度达到最大,1组龄期7d的聚丙烯纤维长度在15mm的抗压强度在掺量为0.1%时达到峰值,较空白组均有明显的强度提升。

3)根据龄期为3和7d的8组实验数据与一组空白组进行对照发现,4种不同长度的聚丙烯纤维掺量在0.4%时均达到抗折强度最优,且强度提升较抗压更为明显,龄期7d的强度提升了28.6%、26.5%、25.6%、21.4%。

综上所述,针对纤维的掺量与长度问题,并不是掺量越多越好,纤维越长越好,而是存在最优掺量与最优长度。