聚丙烯纤维增强补偿收缩砂浆力学性能试验

黄伟

(淮南联合大学建筑工程系，安徽 淮南 232038)

随着建筑业的快速发展，水泥基材料早已成为应用范围最广、用量最大的建筑材料之一。众所周知，水泥基材料虽然抗压强度较高，但其存在抗拉强度低、抗裂性能差、自收缩性大等缺点[1～4]，且随着抗压强度的提高，其脆性与干缩问题更加显著。

为改善水泥基材料脆性与干缩等缺陷，普遍做法是采用掺入纤维来提高水泥基材料的抗裂性能，掺入膨胀剂来改变水泥基材料的变形性能。国内外众多学者已经开展了对聚丙烯纤维砂浆、纤维补偿收缩砂浆的力学性能和干缩变形性能等方面的研究，并取得一定的研究成果。如刘玉莹等[5]在砂浆中掺入竹纤维，得出不同竹纤维掺量和长度对砂浆工作性、抗折强度、抗压强度和干缩率的影响。薛峰等[6]、胡玉庆等[7]、陈波等[8]等对补偿收缩砂浆在不同养护方式下的力学性能进行试验研究，得出不同养护温度、不同养护龄期、不同约束程度下，补偿收缩砂浆比普通砂浆具有更好的抗压强度和收缩性能。姜正平等[9]对不同养护条件下膨胀剂对水泥砂浆收缩性影响研究，发现膨胀剂能显著降低水泥砂浆的早期收缩。梅爱华[10]用低掺量聚丙烯纤维配制砂浆，测试砂浆的抗折、抗压、抗渗和收缩率，试验结果表明在普通水泥砂浆中掺入一定量纤维能显著提高砂浆的抗裂强度和抗渗性能，降低砂浆收缩率，提高抗压和抗折强度。孙道胜等[11]使用聚丙烯纤维和膨胀剂双掺来研究砂浆塑性收缩性能，得出聚丙烯纤维与膨胀剂复合使用后对砂浆因塑性收缩产生的裂缝数量和裂缝细化2个方面均优于聚丙烯纤维或膨胀剂的单独作用，砂浆抵抗塑性收缩开裂能力显著提高。邓宗才等[12]对纤维素纤维砂浆干缩性能进行试验，表明掺入适量纤维素纤维可显著降低水泥砂浆早期干缩的变化速率，大大减少砂浆硬化后期的干缩值。文婧等[13,14]利用聚丙烯纤维和膨胀剂双掺，同时掺入硅灰粉煤灰对砂浆力学性能和收缩开裂进行试验研究，得出双掺能够提高砂浆强度和抗裂性。

笔者试验研究不同掺量聚丙烯对砂浆的工作性能影响，以其折压比作为评价指标得出聚丙烯纤维的最优掺量；然后添加适量膨胀剂配置聚丙烯补偿收缩砂浆并测试其力学性能和变形性能，旨在为聚丙烯补偿收缩砂浆在今后建筑工程中的应用提供试验数据参考。

1 试验材料与方案设计

1.1 试验原材料

1)聚丙烯纤维。其物理力学性能如表1所示。

表1 聚丙烯纤维的物理力学参数

2)水泥。采用中联牌普通硅酸盐水泥P·O 42.5。

3)细集料。采用普通河砂，细度模数为2.3的中砂。

4)水。当地自来水。

5)外加剂。采用UEA高效低碱膨胀剂。

1.2 试验配合比及试件制备

选取砂浆的基准配合比为水泥∶水∶砂的质量比1∶0.5∶2，试验方案设计分成2部分，首先以聚丙烯纤维掺量为变量，采用掺量分别为 0、0.3、0.6、0.9、1.2、1.5kg/m3，制作砂浆抗压和抗折强度试件，每组做3个，总共6组，共计36个试件。通过测试得出最佳纤维掺量配置补偿收缩纤维砂浆，采用膨胀剂掺量为4%、6%、8%、10%，分别制作3个抗压试件、3个抗折试件和3个变形测试试件，总共4组，共计36个试件。

聚丙烯纤维水泥砂浆的制作方法参考《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T 1346-2001)，先将水泥、砂子放入搅拌机内搅拌90s，将聚丙烯纤维掺入其中搅拌90s，最后加水搅拌90s。将搅拌均匀的水泥砂浆注入砂浆三联试件中制作3个尺寸为70.7mm ×70.7mm×70.7mm和40mm×40mm×160mm试件，根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081)的方法对水泥砂浆试件进行养护。

1.3 试件测试

图1 砂浆试件抗压和抗折试验图

砂浆试件成型后放置在温度(20±1)℃，相对湿度为95%的恒温恒湿养护箱中养护至实验龄期，对于补偿收缩砂浆前7d用湿布覆盖，保持试件充分湿润。采用微机控制电液伺服万能实验机WAW-1000进行砂浆抗压强度试验，加载速度控制在1.5kN/s。采用微机控制电子抗折试验机YDW-10进行砂浆抗折试验，采用BC-176型立式砂浆收缩仪测定补偿收缩砂浆的变形，砂浆试件抗压和抗折试验加载如图1所示。

2 试验结果与讨论

2.1 聚丙烯纤维掺量对砂浆沉入度的影响

图2 不同纤维掺量的砂浆沉入度

不同聚丙烯纤维掺量的砂浆沉入度如图2所示。由图2可知，随着聚丙烯纤维掺量的增大，砂浆的沉入度均呈现减小的趋势。主要是聚丙烯纤维在砂浆中呈现三维杂乱分布，增加砂浆稠度仪下沉的阻力；另一方面，聚丙烯纤维具有一定的吸水率，随着纤维掺量的增加，降低了水胶比，导致砂浆稠度的增加。

2.2 聚丙烯纤维掺量对砂浆力学性能及破坏特征分析

不同掺量聚丙烯纤维砂浆力学性能如表2所示。由表2可知，当养护龄期28d时，随着聚丙烯纤维掺量的增加，砂浆抗压强度先减小再增大，然后又降低。当聚丙烯纤维掺量为 0.3kg/m3时，由于聚丙烯纤维过少，没有形成纤维增强效应，与素砂浆相比，强度略有降低；当聚丙烯掺量为0.9kg/m3时，砂浆抗压强度达到最大值45.3MPa；随着纤维掺量的进一步增加，由于聚丙烯纤维结团，在砂浆内部形成过多的缺陷，造成砂浆抗压强度逐渐降低。随着聚丙烯纤维掺量的增加，砂浆抗折强度是先增大后减小，与抗压强度变化规律基本一致。通过分析砂浆的折压比可知聚丙烯纤维掺量为0.9kg/m3时，砂浆的折压比最大，表明砂浆具有较好的柔性变形能力。

表2 不同掺量聚丙烯纤维砂浆力学性能

砂浆试件抗折破坏如图3所示。由图3可知，素砂浆试件抗折试验时，试件直接从中间断裂；掺入聚丙烯纤维后，抗折试件破坏裂缝较小，试件仍保持较好的完整性，呈现“裂而不断”现象，表明聚丙烯纤维的掺入可以显著提高砂浆的抗裂性能。

2.3 聚丙烯和膨胀剂对砂浆力学性能的影响

图3 砂浆试件抗折破坏图

图4 不同膨胀剂掺量的砂浆强度

图5 不同膨胀剂掺量的砂浆变形曲线

利用聚丙烯和膨胀剂可以配置防渗抗裂砂浆，笔者选择聚丙烯掺量为0.9kg/m3，改变膨胀剂掺量(0、4%、6%、8%、10%和12%)来配制补偿收缩聚丙烯砂浆，砂浆试件养护28d后进行强度试验，分析该种多相复合材料对砂浆力学性能的影响。

不同膨胀剂掺量的砂浆抗压和抗折强度结果如图4所示。由图4可知，随着聚丙烯砂浆中膨胀剂掺量的增加，其抗折强度和抗压强度均呈现先降低后增加再降低的趋势。当膨胀剂掺量为8%时，其抗折强度和抗压强度较基准砂浆分别提高了13.1%和4.2%，表明聚丙烯纤维的掺入在砂浆内部乱向分布起到了均匀的约束作用，能够消耗一定掺量膨胀剂在砂浆内部的膨胀能，从而改善砂浆的内部结构。适量的聚丙烯纤维和膨胀剂复合使用，能够相互取长补短，更好地发挥各自的优势，达到了最佳复合效应。当膨胀剂掺量进一步增加时，砂浆强度又出现降低，主要是补偿收缩砂浆试件在自由条件下，过多的膨胀能超过纤维的约束力，使得砂浆试件在膨胀能的作用下发生自由变形，导致砂浆内部产生缺陷，从而影响其力学性能。

2.4 聚丙烯和膨胀剂对砂浆的变形性能分析

采用BC-176型立式砂浆收缩仪，对不同膨胀剂掺量的聚丙烯补偿收缩砂浆试件膨胀变形进行测试。

依据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T702009)中砂浆收缩试验，使用立式砂浆收缩仪对试件的变形值进行测定。砂浆在自然干燥状态下试件收缩变形率为：

(1)

式中：εt为相应t天时砂浆试件自然干燥收缩变形率；L0为试件成型后7d的长度，mm；L为试件的长度，160mm；Lt为相应t天时试件的实测长度，mm。

不同膨胀剂掺量砂浆变形曲线如图5所示。由图5可知，膨胀剂掺量为0时，砂浆初期干燥收缩变形较大，主要是由于初期养护时砂浆水化反应大，水分损失快、内部的相对湿度下降迅速，从而降低了水泥的水化速率和水化程度，其收缩变形增大。掺入膨胀剂后，膨胀剂依靠自身的化学反应以及其与水泥中的其他成分发生化学反应，产生一定的微膨胀来补偿砂浆的早期收缩。随着膨胀剂掺量的不断增加，聚丙烯补偿收缩砂浆早期膨胀率逐渐增大，膨胀剂水化反应产生的微膨胀能够有效地控制浆体的回缩率[2]，这是因为UEA型膨胀剂与水发生水化反应，水化产物钙矾石和C-S-H凝胶正好有效填充砂浆原内部孔隙中，使砂浆产生微膨胀，更加密实紧致。此外由于聚丙烯纤维的掺入，在砂浆内部形成的乱向分布也对砂浆起到了一定的约束作用，当砂浆微膨胀达到一定程度时，聚丙烯纤维将会产生拉应力从而约束砂浆的膨胀变形，消耗砂浆内部多余的膨胀能，有效提高砂浆的抗变形能力。从图5中曲线变化趋势还可以看出，掺入膨胀剂后砂浆的膨胀变形主要在7～14d时自由变形率达到最大。膨胀剂掺量为10%，养护第14天时，砂浆的最大变形率达到7.25×10-4，随后变形率逐渐降低，主要是因为膨胀剂在砂浆中产生膨胀能受到聚丙烯纤维的约束作用以及水泥浆体强度增长限制，使得砂浆变形逐渐减小，28d后逐渐趋于稳定状态。

3 结论

1)聚丙烯纤维掺入后在砂浆内部呈现三维网状形态，对砂浆拌合物流动性具有一定的增稠作用，随着纤维掺量的增加，砂浆沉入度逐渐减小。

2)聚丙烯纤维掺入对砂浆抗压强度影响不明显，但对砂浆的抗折强度有明显改善；当纤维掺量为0.9kg/m3，砂浆折压比达到最大，表明此时聚丙烯纤维砂浆具有较好的柔性变形能力。

3)随着膨胀剂掺量的增加，补偿收缩聚丙烯砂浆抗压强度和抗折强度呈现先降低、后增加、再降低的趋势，综合砂浆力学性能和变形性能试验，得出聚丙烯掺量为0.9kg/m3和膨胀剂掺量为8%双掺时，配置砂浆的各项性能指标达到最佳。