潮濕環境下短聚丙烯纖維對高強修補砂漿性能的影響研究

黃洪財，桂苗苗，王培新，徐仁崇，陳超

（廈門市建筑科學研究院集團股份有限公司，廈門 福建 361100）

潮濕環境下短聚丙烯纖維對高強修補砂漿性能的影響研究

黃洪財，桂苗苗，王培新，徐仁崇，陳超

（廈門市建筑科學研究院集團股份有限公司，廈門 福建 361100）

本文研究了潮濕環境下 3mm、6mm 短聚丙烯纖維對高強修補砂漿的工作性能及物理力學性能的影響。結果表明：在摻量 0.60% 的范圍內，高強修補砂漿拌合物的稠度會隨著短聚丙烯纖維摻量的增大而減少，但稠度減小的幅度總體上相對較小。在潮濕的水養護環境下，隨著 3mm 短聚丙烯纖維摻量的增加，高強修補砂漿的 7d 抗折強度會慢慢減小，而 28d 抗折強度則呈現出波動的變化、組分間相差相對較小；7d 抗壓強度會先增大而后減小，而 28d 的抗壓強度則會減小。6mm 短聚丙烯纖維的加入會提高高強修補砂漿的 28d 抗壓強度。隨著 3mm 短聚丙烯纖維摻量的增加，高強修補砂漿 28d 壓折比會急劇降低，柔韌性會顯著提高，而 6mm 短聚丙烯纖維的加入則會增加高強修補砂漿壓折比。

短聚丙烯纖維；高強；修補砂漿；潮濕環境

修補砂漿的開裂是影響砂漿修補效果的主要因素之一，實踐證明纖維的摻入有利于減少混凝土及砂漿裂縫的產生，提高混凝土及砂漿的抗裂性能，特別是對早期收縮裂縫的產生具有很好的預防效果[1-3]。大壩、船閘、港口、橋墩等在潮濕環境下對服役工程的修復，修補砂漿的應用環境更加惡劣，對砂漿抗裂性能的要求也更高，通常通過在修補砂漿中加入抗裂纖維來提高修補砂漿的抗裂性能，以滿足相應的使用要求[4-5]。本文通過研究潮濕環境下，3mm、6mm 短聚丙烯纖維的摻入對高強聚合物修補砂漿的工作性能及物理力學性能的影響，探索其相應的影響規律。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

（1）水泥：福建潤豐水泥廠生產的 P·O42.5 水泥，其物理性能指標見表 1。

表 1 水泥的物理力學性能

（2）粉煤灰：漳州市后石電廠生產的 Ⅱ 級粉煤灰，細度 14.8%，需水量比 97%，燒失量 1.91%。

（3）礦粉：S95 級礦渣粉，比表面積 410m2/kg，流動度比 100%。

（4）無機填料：增加密實、減少收縮的作用，福建省大田縣奮發環保材料有限公司提供，粒徑 ＜0.16mm。

（5）河砂：廈門海城商貿有限公司生產，粒徑＜2.5mm。

（6）減水劑：巴斯夫聚羧酸系粉劑。

（7）增粘劑：6021E型聚合物乳膠粉，北京天維寶辰化學產品有限公司生產。

（8）保水劑：羥丙基甲基纖維素醚（HPMC），北京天維寶辰化學產品有限公司生產。

（9）短纖維：短聚丙烯纖維，Ⅰ型長度為 3mm，Ⅱ 型為 3mm 長度規格、6mm 長度規格按 1:1 比例混合的纖維。

1.2 試驗方法

在固定膠凝材料（水泥、粉煤灰、礦粉、無機填料）、水膠比、集料用量以及增粘劑、減水劑、保水劑不變的情況下，摻入 3mm、6mm 長的短聚丙烯纖維，通過調整短聚丙烯纖維的長度和摻量來研究不同種類、摻量的短聚丙烯纖維對高強修補砂漿的稠度、抗壓抗折強度、壓折比等性能的影響，具體配合比見表 2。試驗時，先將聚丙烯纖維和膠凝材料、集料、粉狀外加劑混合，預攪拌 30s，后再加水，按 JG/T 289—2010《混凝土結構加固用聚合物砂漿》中的要求拌和后，按 JGJ 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法》中砂漿稠度的測試方法進行拌合物稠度測試，后制作40mm×40mm×160mm 的抗壓、抗折強度試件，脫模后持續在 (20±2)℃ 的不流動水中養護,模擬相應的潮濕使用環境，至齡期后，測試相應的 7d、28d 抗壓、抗折強度。

表 2 短聚丙烯纖維對高強修補砂漿性能影響的試驗配合比

2 結果和討論

表 3 為表 2 中不同種類、摻量短聚丙烯纖維高強修補砂漿配比組分的稠度，7d、28d 抗壓、抗折強度，壓折比的試驗結果。

表 3 短聚丙烯纖維對高強修補砂漿性能影響的試驗結果

2.1 短聚丙烯纖維對高強修補砂漿稠度的影響

圖 1 為表 2 中幾種不同摻量、種類的短聚丙烯纖維對高強修補砂漿拌合物稠度的影響圖。

圖 1 短纖維對高強修補砂漿稠度的影響圖

由圖 1 可以看出，在其他條件不變的情況下，隨著短聚丙烯纖維摻量的增加，高強修補砂漿拌合物的稠度總體呈現著緩慢減小的趨勢。說明了短聚丙烯纖維摻量對高強修補砂漿拌合物的稠度有一定的影響，隨著短聚丙烯纖維量的增加，高強修補砂漿拌合物會變稠。

同時，由表 3 中的稠度數據可知，隨著短聚丙烯纖維摻量的增加，1#～5# 配比高強修補砂漿拌合物稠度減少的幅度總體上不是很大，從短纖維摻量為 0.07% 的 1# 配比的112mm，減小到 Ⅱ 型 0.60% 摻量的 6# 配比的 105mm，說明了在 0.60% 的摻量范圍內，3mm、6mm 短聚丙烯纖維對高強修補砂漿拌合物稠度減少的幅度總體上相對較小。

2.2 短聚丙烯纖維對高強修補砂漿抗壓、抗折性能的影響

圖 2、圖 3 為表 2 中幾種不同摻量、種類的短聚丙烯纖維對高強修補砂漿的 7d、28d 抗壓、抗折強度的影響圖；圖 4為表 2 中幾種不同摻量、種類的短聚丙烯纖維對高強修補砂漿的 7d、28d 壓折比的影響圖。

圖 2 短纖維對 7d、28d 抗折強度的影響圖

圖 3 短纖維對 7d、28d 抗壓強度的影響圖

圖 4 短纖維對 7d、28d 壓折比的影響圖

由表 3、圖 2 可知，在使用Ⅰ型 3mm 短聚丙烯纖維的1#～4# 配比中，在潮濕的養護環境下，隨著 3mm 短纖維摻量的增加，高強修補砂漿的 7d 的抗折強度會慢慢減小，而28d 抗折強度呈現出波動的變化、組分間相差相對較小；而多摻了 0.30% 的 6mm 短纖維的 5# 配比組分的 7d、28d 抗折強度與 3# 配比組分相比，相差不大；總體上看，在 1#～5# 配比組分中，短聚丙烯纖維對高強修補砂漿 7d 抗折強度的影響比28d 抗折強度的大。

由表 3、圖 3 可知，在使用Ⅰ型 3mm 短聚丙烯纖維的1#～4# 配比中，在潮濕的養護環境下，隨著 3mm 短纖維摻量的增加，高強修補砂漿的 7d 抗壓強度會先增大而后減小，而 28d 抗壓強度則會減小；而多摻了 0.30% 的 6mm 短纖維的5# 配比組分的 7d 抗壓強度同 3# 配比組分的相近，28d 抗壓強度則增加較多；總體上看，在 1#～5# 配比組分中，短聚丙烯纖維對高強修補砂漿 28d 抗壓強度的影響比 7d 抗壓強度的大。

由表 3、圖 4 可知，在使用Ⅰ型 3mm 的短聚丙烯纖維的1#～4# 配比中，隨著短聚丙烯纖維摻量的增加，其 7d 的壓折比先增大而后減小，總體上 7d 壓折比間的差值相對較小，而28d 的壓折比則急劇的降低；而多摻了 0.30% 的 6mm 短纖維的 5# 配比組分同 3# 配比組分的 7d 壓折比相近，28d 壓折比則有所增加。說明了在高強修補砂漿中使用 3mm 的短聚丙烯纖維，在 0.45% 的摻量范圍內，高強修補砂漿后期的柔韌性會隨著聚丙烯纖維的摻量的增加而增強，而 3mm、6mm 短聚丙烯纖維混摻對高強修補砂漿的柔韌性則并非一定具有增強作用。

2.3 機理分析

由纖維的阻裂理論——復合材料力學理論和纖維間距理論可知，纖維在砂漿中的效應主要有增強效應和空間效應，二者相互作用從而提高了砂漿的抗裂能力[6]。聚丙烯纖維加入到高強修補砂漿配比中，加水拌合后，纖維在拌合物中呈現著三維亂向分布，容易形成空間立體結構，從而阻止了拌和物的沉降、降低了拌合物的流動性，從而降低了高強修補砂漿拌合物的稠度；同時，因聚丙烯纖維具有較大的表面積，加入到高強修補砂漿中拌合后，需要大量的水泥漿體包裹，而導致水泥漿體的含量相對減少，纖維摻量越高，消耗的水泥漿體就相應的越多，從而也使拌合物稠度變稠[7]。3mm、6mm 長的短聚丙烯纖維，其相應的空間立體效應相比長纖維較小，所以其對高強修補砂漿拌合物稠度降低的總體幅度相對較小。

高強修補砂漿配比組分中所使用的膠凝材料量較大，集料的顆粒較小，砂漿配比總體級配相對較好，水化后期試件密實度高、孔隙率相對較少。聚丙烯纖維的加入，會消耗大量的水泥漿體，使膠凝作用的材料含量相對減少，從而降低了膠凝材料對集料的包裹作用；同時，3mm 短聚丙烯纖維的加入，在水化后期密實度相對較好的高強修補砂漿中，其所形成的空間立體支撐作用相對較小，而在高強修補砂漿試件中所形成的界面和孔隙則相應的有了極大的增多[8-9]。所以隨著 3mm 聚丙烯纖維摻量的增加，高強修補砂漿的 28d 抗壓強度會急劇的降低。而同時，短聚丙烯纖維摻量的提高，對水化后期高強修補砂漿受彎、抗折過程中裂縫的加強作用則較為顯著，抵消了自身在修補砂漿中所消耗的漿體、增加了界面的負作用，所以使高強修補砂漿 28d 抗折強度的變化相對較小。

高強修補砂漿中，隨著 3mm 丙烯纖維摻量的增加，其對高強修補砂漿 28d 抗折強度的影響相對較小，而抗壓強度的降低則相對較大，使高強修補砂漿的壓折比隨摻量的增加而降低，從而增強了高強修補砂漿的柔韌性。

3 結論

（1）在短聚丙烯纖維摻量為 0.60% 的范圍內，高強修補砂漿拌合物的稠度隨著短聚丙烯纖維摻量的增大而減少，但稠度減小的幅度總體上相對較小。

（2）在潮濕的水養護環境下，隨著 3mm 短聚丙烯纖維摻量的增加，高強修補砂漿的 7d 抗折強度會慢慢的減小，而28d 的抗折強度則呈現出波動的變化、組分間相差相對較小；7d 抗壓強度會先增大而后減小，而 28d 抗壓強度則會減小；6mm 短聚丙烯纖維的加入會提高高強修補砂漿 28d 抗壓強度。

（3）潮濕的水養護環境下，隨著 3mm 短聚丙烯纖維摻量的增加，高強修補砂漿 28d 壓折比會急劇的降低，柔韌性會顯著的增強，而 6mm 短聚丙烯纖維的加入則會增加高強修補砂漿的壓折比。

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［通訊地址］福建省廈門市同安區新民鎮鳳嶺路 760 號 廈門市建筑科學研究院集團股份有限公司 研發中心（361100）

黃洪財（1978—），男，碩士，工程師，建筑材料與工程專業，主要從事建筑材料的研究與測試工作。