不同纖維對水泥漿體強度和孔結構的影響

馬國金，郭秀艷，黃文先，鄭小秋，袁慧羚

(1.井岡山大學建筑工程學院，吉安　343009； 2.井岡山大學機電工程學院，吉安　343009)

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不同纖維對水泥漿體強度和孔結構的影響

馬國金1，郭秀艷2，黃文先1，鄭小秋2，袁慧羚2

(1.井岡山大學建筑工程學院，吉安343009； 2.井岡山大學機電工程學院，吉安343009)

研究了廢紙纖維、UF500纖維素纖維和聚丙烯纖維對水泥漿體抗折強度和抗壓強度的影響。通過氮吸附法對水泥漿體的孔結構進行了測試，分析了三種纖維摻入后對水泥漿體孔結構的改變。試驗結果表明：密封養護條件下，三種纖維對水泥漿體強度和孔結構的影響是不同的，廢紙纖維對水泥漿體強度和優化孔結構方面的影響略次于UF500纖維素纖維，但優于聚丙烯纖維，從成本方面考慮，用廢紙纖維代替UF500纖維素纖維是值得嘗試的。

廢紙纖維； UF500纖維素纖維； 水泥漿體； 強度； 孔結構

1　引　言

水泥基復合材料是典型的脆性材料，纖維的加入能夠有效減小水泥基復合材料的脆性，提高其柔韌性。植物纖維，因其可再生、易降解、成本低廉、綠色環保等優勢，在某些工程應用范圍內具有了一定的發展前景[1-3]。天然植物纖維具有較大的比表面積、較多的纖維根數及較小的纖維間距，可以在水泥基材料內部形成一種亂象支撐體系[4]；同時，天然的親水性使植物纖維在水泥基復合材料養護過程中持續釋放水分促進水泥的繼續水化，提高基體的強度，強化了纖維與水泥基體間的黏結，從而有效的控制了水泥基復合材料收縮裂紋的生成及擴展[5]。以往研究表明，以劍麻、椰子殼纖維等植物纖維來增強水泥制品，與有機高分子纖維一樣能夠有效地抑制水泥制品收縮裂縫的發展[6]；黃麻、亞麻對改善砂漿開裂有顯著的作用，體積含量為0.05%的纖維增強砂漿分別減少25%、49%的裂紋[7]；與聚丙烯纖維混凝土，低摻量植物纖維混凝土可更加顯著的提高混凝土的抗裂性、抗滲性及抗凍性，且對混凝土的工作性影響不大[8]。水泥基復合材料的宏觀性能與其基體的微觀孔結構有著緊密的關系，因此，在研究宏觀性能的基礎上，必須了解水泥基材料的微觀孔結構。本實驗意在以三種不同類型的纖維作為填料，研究其對水泥漿體強度和微觀孔結構的影響規律。

2　試　驗

2.1原材料

本試驗共選用三類纖維：實驗室自制的廢舊新聞紙漿纖維、UF500纖維素纖維、聚丙烯短纖維。各類纖維具體參數如表1所示。

表1　三種類型纖維結構參數

試驗所用水泥為P.Ⅱ 52.5普通硅酸鹽水泥，其化學成分如表2所示。

表2　水泥熟料化學成分

成型時加入SD-600P-01聚羧酸高效減水劑(上海三瑞化學有限公司)，調節不同體系水泥漿體的工作性，使其成型時的流動度均控制在140 mm左右。

2.2配合比設計

三種纖維摻量均為水泥質量的0.2%，各樣品水灰比均為0.3。廢紙纖維和UF500纖維素纖維干燥環境中易結團，不易分散，因此，以濕混的方式加入；因聚丙烯纖維在干混的條件下分散效果較好，故聚丙烯纖維以干混的方式加入，具體配合比參數如表3所示。廢紙纖維和UF500纖維素纖維具有天然的吸水、釋水性能，養護過程中為體現兩種纖維在水泥漿體內部的養護效果，杜絕外界水參與水泥水化，所有成型后的樣品均在密封的環境下養護至不同齡期。測試不同齡期下水泥漿體的強度及微觀孔結構分析，來進一步說明纖維對水泥漿體宏觀和微觀的影響規律。

表3　纖維-水泥漿體試驗配合比

2.3強度試驗

參考GB/T 17671-1999，使用40 mm× 40 mm×160 mm的模具成型水泥凈漿樣品。將成型好的樣品放置于溫度(20±2) ℃、濕度大于90%的環境中1 d后拆模，用高密度聚丙烯膜密封后放置在溫度(20±2) ℃、濕度為60%的干燥環境中養護至不同齡期。

采用ACE-201強度試驗機測量樣品的抗壓強度和抗折強度。同一養護齡期的樣品平行測試3次，取其測試平均值作為抗壓或抗折最終強度。基于測試數據，計算水泥漿體的壓折比。取每一齡期的樣品的中心部分，將其烘干并對其做微觀分析。

2.4孔結構特征

使用型號為3H-2000PS2型全自動比表面積孔徑分析儀(靜態氮吸附)測試水泥凈漿的孔徑及孔體積分布。約1.5 g的樣品在智能溫控吹掃電爐中真空脫氣180 min，去除掉樣品內部及表面的水分，脫氣溫度105 ℃，飽和蒸汽壓1.05 bar。然后稱量樣品重量并將其移至測試位，每個樣品平行測試2次。

3　結果與討論

3.1水泥漿體強度

圖1為水灰比0.3，纖維摻量均為水泥質量的0.2%，廢紙纖維、UF500纖維和聚丙烯纖維對水泥漿體強度的影響。廢紙纖維和UF500纖維同屬于纖維素纖維，但UF500纖維來源于原木纖維，這也就造成了兩種纖維對水泥漿體強度影響的不同。

圖1　不同纖維類型對水泥漿體強度的影響Fig.1　The strengths of cement paste containing different kinds of fibers (a)flexural strength,(b)compressive strength,(c)the compressive strength/flexural strength ratio

從圖1a中可知，整體來看，養護后期(>28 d)，添加任何一種纖維的水泥漿體樣品的抗折強度均低于標樣，這是由于纖維本身的強度低的緣故造成的。另外，比較這幾種纖維類水泥漿體抗折強度，廢紙纖維和UF500纖維對水泥漿體強度的影響趨勢類似，但UF500纖維-水泥漿體的抗折強度略高于廢紙纖維的樣品，這是由于UF500纖維來源于原木漿纖維，而廢紙纖維在造紙過程中經歷了破碎、打漿、漂白等多道工序，纖維受損嚴重，而且造紙纖維除了有木漿外，還存在草漿纖維，致使其強度不如原木漿纖維的UF500。除第1 d外，養護前56 d，聚丙烯纖維-水泥漿體的樣品抗折強度低于其余兩種纖維的水泥樣品，但養護后期，呈現相反的趨勢。這主要是由于廢紙纖維和UF500纖維成型時吸收了部分水分，使實際的有效水灰比低于額定水灰比，而聚丙烯纖維不吸收水分，也就是說廢紙纖維和UF500纖維的水泥漿體樣品有效水灰比低于聚丙烯的水泥漿體樣品，養護第1天，基體內水分較低，尚未形成相互貫通的毛細管通路，基體內水分分配不均，致使水泥水化不均的現象出現，宏觀體現了抗折強度低于聚丙烯纖維的水泥樣品。但密封養護后，隨著養護齡期的延長，外界水無法參與其中，水泥水化也將消耗掉部分水分，致使各樣品基體內水分逐漸減少。當出現毛細管負壓時，廢紙纖維和UF500纖維能夠釋放內部所吸水分來補償毛細管負壓，進一步促進了水泥水化，毛細管的連同通路也逐漸形成一定的模式，保證了水分及時輸送到基體的各個部位，而且這一過程是連續的，直至毛細管內壓和纖維所含水產生的壓力均等。但聚丙烯纖維則不同，因其幾乎不吸水，更不存在釋水的這一過程，從而也就不存在纖維內養護這一功效，致使其水化進程相比較而言，趨于緩慢，導致養護56 d前的抗折強度低于另外兩種樣品。從圖中亦可以看出，養護后期，廢紙纖維和UF500纖維的水泥漿體抗折強度與聚丙烯纖維的水泥漿體樣品強度相差不大，這可能是由于兩種纖維素纖維對水泥漿體的內養護作用僅對樣品的早期養護有效，養護后期，隨著水化反應的進行，兩種纖維的內養護效應逐漸散失，水化過程減慢，導致了其抗折強度的下降。

圖1b為各樣品對應的抗壓強度。從圖中可知，摻加纖維的各樣品抗壓強度普遍低于標樣。養護56天前，摻加纖維的各樣品抗壓強度近似相同，56 d后，含聚丙烯纖維的水泥漿體抗壓強度低于兩外兩種纖維素纖維。

圖1c為各樣品養護不同齡期對應的壓折比。從圖中可知，當水灰比為0.3時，無論摻加哪一種纖維，水泥漿體早期養護早期(≤28 d)，水泥漿體的壓折比均低于標樣，這說明三者中的任何一種纖維，均可以起到改善水泥漿體柔韌性的作用，但兩種纖維素纖維的改善效果要好于聚丙烯纖維。這是由于纖維素纖維可以補償水泥漿體內毛細管負壓，促進了水泥漿體進一步水化，從而提高了水泥漿體內部自養護的能力。但這兩種相對比而言，UF500纖維略好于廢紙纖維。但從成本方面考慮，廢紙纖維代替UF500纖維還是可以嘗試的。從以上分析，可以得出，廢紙纖維和UF500纖維有利于水泥漿體早期的養護效果，而聚丙烯纖維更適合后期水泥漿體的養護。

3.2水泥漿體孔結構

表4為水灰比0.3，密封養護7天，三種不同類型纖維對水泥漿體2～50 nm內累計孔隙率的影響。表中數據顯示，纖維類型不同，對水泥漿體的孔隙率影響效果亦不同。廢紙纖維和UF500纖維素纖維對水泥漿體孔隙率的影響效果類似，均增大了30 nm內的孔隙，而減少了40～50 nm的孔隙。聚丙烯則不然，聚丙烯纖維減少了30 nm內的孔隙，增大了30～40 nm的孔隙，而40～50 nm的孔隙則變化不大。

廢紙纖維和UF500纖維素纖維均屬于植物纖維，具有天然的親水性能，密封養護時，能夠在水泥養護過程中及時補充水分，促進水泥進一步水化，優化了水泥漿體的孔結構，使其微孔數量增加。而聚丙烯纖維不具備這一功效，致使其與另外兩種纖維對水泥漿體孔結構的影響產生差異。同樣的，與UF500纖維素纖維相比，廢紙纖維對優化水泥漿體孔結構方面的效果略差，雖同屬于植物纖維，但可能是由于廢紙纖維屬于加工后的二次纖維，而UF500纖維素纖維屬于一次纖維，導致了其影響效果的不同。

表4　不同類型纖維-水泥漿體的累計孔隙率

4　結　論

(1)早期養護過程中，添加廢紙纖維和UF500纖維素纖維的水泥漿體抗折強度高于聚丙烯纖維，但抗壓強度相差不大；

(2)早期養護過程中，添加纖維可顯著降低水泥漿體的壓折比，其中降低程度UF500纖維素纖維﹥廢紙纖維﹥聚丙烯纖維；

(3)廢紙纖維和UF500纖維素纖維均增大了水泥漿體30 nm內的孔隙，而減少了40～50 nm的孔隙，微孔的增多促進了水泥水化，提高了水泥漿體的抗折強度；

(4)廢紙纖維在水泥漿體強度和孔結構方面的影響略次于UF500纖維素纖維，如從經濟成本方面考慮，以廢紙纖維來替代UF500纖維素纖維還是可以嘗試的。

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Effect of Various Fibers on the Strength and Pore Structure of Cement Paste

MAGuo-jin1,GUOXiu-yan2,HUANGWen-xian1,ZHENGXiao-qiu2,YUANHui-ling2

(1.School of Building Engineering,Jinggangshan University,Ji'an 343009,China;2.School of Mechatronics Engineering,Jinggangshan University,Ji'an 343009,China)

The effects of various fibers, such as waste paper fibers, UF500 cellulose fibers and polypropylene fibers, on the flexural strength and compressive strength of cement paste were studied in this paper. The pore structure of cement paste mixed with various fibers was determined and analyzed by a nitrogen adsorption method. The result showed that under the sealed curing, the impact of three kinds of fibers on the strength and pore structure of cement paste were different, in which waste paper fibers was slightly than UF500 cellulose fibers, but was superior to polypropylene fibers. If considering the cost, this practice that waste paper fibers instead of UF500 cellulose fibers was worth taking

waste paper fibers;UF500 cellulose fibers;cement paste;strength;pore structure

江西省教育廳科技計劃項目(GJJ150775);江西省吉安市科技支撐項目(吉市科字[2015]10號18，吉市科字[2015]10號12)

馬國金(1979-)，男，碩士，講師.主要從事建筑材料方面的研究.

郭秀艷，博士，講師.

TQ172

A

1001-1625(2016)07-2259-05