玄武巖纖維水泥基灌漿料力學性能研究

農澤清 陶紹平 潘美靜 易海鳳 龔泳帆

（揚州大學 建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127）

0 引言

水泥基灌漿料是一種以水泥為膠凝材料，加入適量的礦物摻合料及外加劑形成的材料，具有流動度高、強度高等特性[1-2]，它被廣泛應用于設備基礎的二次灌漿、大型設備安裝、混凝土結構加固及道路修補等領域[3]。但是，水泥基灌漿材料仍普遍存在性能不夠穩定、成本較高、控制收縮困難等問題。丁泓力[4]通過調整普通硅酸鹽水泥和礦物摻合料的不同比例，選取硫代硫酸鈉、元明粉及純堿為早強劑，配制岀大流態、早強效果較好的水泥基灌漿料。俞鋒[5]將普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥復合，加入適量的膨脹劑，配制出早強微膨脹水泥基灌漿料。任宏偉[6]以3：7 的比例摻入普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥，灌漿料力學性能得到顯著提高。灌漿料施工過程中，往往用于舊混凝土的修補與連接，但是舊混凝土已經收縮基本完全，界面處變形較小；灌漿料由于處于早齡期階段，收縮較大，容易出現新舊界面無法協同變形，出現裂縫，導致新舊界面粘結不牢固、修補效果受到影響。聚丙烯等有機纖維可以提高灌漿料的粘結性能，但是聚丙烯纖維長度過長時會對灌漿料的工作性能和力學性能造成不利影響[7]。本文通過在硅酸鹽水泥基灌漿料中摻入不同長度及摻量的玄武巖纖維，探究玄武巖纖維長度及摻量對灌漿料的力學性能的影響。

1 試驗

1.1 原材料

玄武巖纖維是由火山噴出巖經高溫熔融后拉絲制成，具有良好的耐酸、耐堿、耐高溫、抗滲性能，同時具有拉伸強度大，斷裂延伸率好等一系列優點。將玄武巖纖維加入水泥基灌漿材料中，能夠對基體起到阻裂、增強、增韌的作用，對于提升水泥基材料的使用壽命等具有十分重要的意義。本文所用玄武巖纖維由江蘇某玄武巖纖維有限公司生產，普通硅酸鹽水泥基灌漿料來自南京某建材有限公司生產的H-40 型灌漿料，拌合水由揚州市某自來水廠提供。本研究設計10 組實驗配合比，在灌漿料中分別摻入體積摻量為0%、0.1%、0.15%、0.2%的短切玄武巖纖維，各摻量下短切玄武巖纖維的長度分別為6mm、9mm、12mm。

1.2 試驗方法

1.2.1 流動度測定

流動度測試標準參照《GBT8077-2012-混凝土外加劑勻質性試驗方法》利用截錐圓模法測試玄武巖纖維水泥基灌漿料的流動度，將在攪拌鍋內攪拌好的水泥基灌漿材料倒入標準截錐試模內，測試最大擴散直徑與其垂直方向的直徑的算術平均值。

1.2.2 力學性能測定

力學性能測試標準參照GB/T17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》。

試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm 的長方體試件，試件在20±1℃、相對濕度大于90%的水泥標準養護箱內養護24 h 后脫模，置于20±1℃水中養護到設定齡期。抗折強度所用儀器為DKZ-5000 電動抗折試驗機測定，通過抗折強度測定后的兩個斷塊測定灌漿料的抗壓強度，抗壓強度測試所用儀器為長春科新試驗儀器有限公司生產的GTC650 全數字電液伺服萬能試驗機。

2 結果與討論

2.1 流動度測定

將不同長度及摻量的玄武巖纖維摻入灌漿料中，測試灌漿料的截錐流動度，試驗結果如表1 所示。不摻玄武巖纖維時，灌漿料的流動度達到336 mm，隨著玄武巖纖維長度從6 mm～12 mm 和纖維摻量從0.10%～0.20%變化，灌漿料流動度從310 mm 下降至260 mm。由圖1 可以發現，玄武巖纖維長度和摻量的增加對灌漿料的流動度產生了不利影響，且隨著玄武巖纖維摻量從0.10%提升至0.20%，灌漿料的流動度顯著下降，灌漿料的流動度均下降10%以上。這主要是因為玄武巖纖維對灌漿料具有一定的吸附和阻滯作用，降低了灌漿料的流動性。同時，玄武巖纖維的長度增大亦會導致灌漿料的流動度下降，灌漿料的流動度均下降7%以上。這主要是因為短切玄武巖纖維攪拌后成為單絲，在與灌漿料充分接觸后，纖維單絲呈現出無序分散的狀態。因而，玄武巖纖維在灌漿料中主要具有加筋、粘結作用，提高了灌漿料的粘聚性流，降低了灌漿料的流變性。

表1 不同纖維摻量及長度時的灌漿料流動度

圖1 纖維摻量及長度對水泥基灌漿料流動度影響

2.2 力學性能研究

將不同長度及摻量的玄武巖纖維摻入灌漿料中，測試灌漿料的各齡期抗折強度和抗壓強度，試驗結果如表2 所示。由表可知，隨著玄武巖纖維長度從6 mm～12 mm 和纖維摻量從0.10%～0.20%變化，玄武巖纖維的摻入有利于提高灌漿料各齡期的抗折強度，且早期提升效果明顯，3 d 齡期時，纖維長度12 mm、摻量為0.15%的水泥基灌漿料抗折強度最高，可達到13.2MPa，提升85.9%。隨著纖維摻量的增加，灌漿料早期強度增加，后期纖維摻量的增加則對抗折強度產生不利影響。28 d 齡期時，纖維長度9 mm、摻量為0.15%的灌漿料抗折強度最高，可達到17.6MPa，提升20.5%。主要原因是灌漿料受彎過程中，試件底面中央區域主要承受拉應力，在加載過程中，試件內部原本存在的微裂縫逐漸貫通，導致試件發生破壞。灌漿料內部的玄武巖纖維在有利于在試件受彎過程延緩原生裂縫的擴展，纖維在試件斷裂過程中發生斷裂或被拔出，吸收了部分能量從而提升灌漿料的抗折強度。

表2 不同纖維摻量及長度時的灌漿料抗折強度和抗壓強度

同時，玄武巖纖維的摻入有利于提高灌漿料各齡期的抗壓強度，3d 時抗折強度提升最為明顯。摻入12mm 的玄武巖纖維的灌漿料早期抗折強度明顯提高，可達到58.5MPa，后期強度相較摻入9mm 玄武巖纖維的灌漿料有所降低。9mm 玄武巖纖維在0.15%摻量的下，灌漿料的28d 抗壓強度達到最高，達到85.4MPa，提升14.6%。值得注意的是，隨著長度達到12 mm，摻量達到0.15%時，抗壓強度出現明顯的下降趨勢。主要原因是玄武巖纖維摻入后，密集分布于灌漿料內部，形成了類似細小的受力筋，當灌漿料受壓時，應力傳遞給纖維，玄武巖纖維較高的彈性模量提高了灌漿料的強度。

3 結語

（1）玄武巖纖維的摻入降低了灌漿料的流動度，摻量和長度的提高對流動度均造成不利影響，灌漿料流動度從336 mm 下降至260 mm。不同長度的玄武巖纖維摻入灌漿料時，灌漿料的流動度均下降10%以上。

（2）玄武巖纖維的摻入有利于提高灌漿料各齡期的抗折強度及抗壓強度，各長度及摻量下，28d 抗折強度最多提升20.5%，抗壓強度提升14.6%。纖維摻量過量時對灌漿料的抗折強度產生不利影響。

（3）摻入硅酸鹽水泥基灌漿料中的玄武巖纖維，最佳摻量為0.15%，最佳長度為9mm，此時灌漿料的28d 抗折強度和抗壓強度達到最大值，分別達到17.6 MPa 和85.4 MPa。