玄武巖纖維對水泥基復合材料抗裂性能的影響

＊徐劍 崔春亮 王立莊

（中交路橋華南工程有限公司 廣東 528400）

玄武巖纖維是一種新興的綠色纖維，憑借其諸多優點成為各種纖維的替代材料[1-3]，純水泥基材料一般具有脆性大、極限應變小、易開裂、抗沖強度差、抗拉抗彎強度低等弊端，因此，使用纖維是提高水泥基材料性能的主要途徑[4-5]。

圖1 廣東佛山地鐵2號線林岳段施工現場

在進行建筑工程防水施工時，屋面防水施工一直是給建筑企業帶來難度的主要部分。本文針對廣東佛山地鐵2號線林岳段屋面防水層使用的水泥基復合材料進行系統研究，研究了玄武巖纖維、硅灰以及纖維素醚對于屋面防水層用砂漿的各種性能影響，利用正交試驗方法，研究各影響因素之間的關系，最終確定了一個最優配比并在項目中應用。

1.實驗部分

(1)實驗原材料與設備

水泥（P.O42.5R，四川雙馬）；機制砂（廣東佛山地鐵2號線林岳段項目部）；玄武巖纖維（四川拓鑫）；纖維素醚（龍湖科技）；聚羧酸減水劑（減水率25%）。

(2)實驗流程及性能測試

主要步驟：①將水泥、機制砂、纖維、硅灰、外加劑等按正交配比加至水泥膠砂攪拌機中攪拌至均勻，成型；②在模具中振實成型，養護結束后對砂漿進行性能檢測；③設置單因素實驗，進一步研究單因素對砂漿的影響程度；④優化配比應用驗證。

設計合理配比，采用L9（34）設計實驗配比表頭如表1所示。

表1 L9（34）正交實驗表頭

根據JCT 951-2005水泥砂漿抗裂性能試驗方法，設計實驗用原材料的配合比為：水泥:砂:水=1:1.5:0.5（質量比），聚羧酸減水劑1.5%，減水率25%。

(3)砂漿性能檢測方法

①砂漿抗開裂性能檢測

將攪拌均勻的砂漿填至模具，放置干燥抗裂試驗器中吹風24h，風速保持1.5m/s，在試樣中隨機取3cm×3cm面積，再采集面積內試樣開裂裂縫個數。

②砂漿抗折、抗壓強度性能檢測

參照水泥膠砂強度檢驗方法GBT17671-1999成型試塊，試塊尺寸為40mm×40mm×160mm。

2.結果與分析

(1)正交配比設計對砂漿性能的影響

①抗折、抗壓強度分析結果

根據正交試驗設計原則，以28d抗折、抗壓強度為評價指標，測試結果見表2。

表2 抗折、抗壓強度實驗結果分析

由表2分析可知，28d抗折、抗壓強度中，硅灰的用量為主要影響因素，纖維用量、纖維長度、纖維素醚依次減輕，28d抗折強度最優組合為纖維長度18mm，纖維摻量0.5%，纖維素醚0.6%，硅灰6%。說明硅灰的微集料填充效應和高火山灰活性增強纖維與砂漿基體的黏結強度效果顯著，極大地提高了水泥基體與玄武巖纖維之間的界面粘結力，纖維與砂漿界面的黏結性能直接影響砂漿的抗折強度和剪切黏結強 度[5-6]。28d抗壓強度最優組合為纖維長度6mm，纖維摻量0.1%，纖維素醚0.2%，硅灰6%。說明除硅灰用量以外，纖維的用量對砂漿力學性能也有影響，基體摻入短纖維后，分散在水泥基體的短纖維可以更好地抵抗由于界面擠壓力產生的環向拉應力，進一步改善纖維和基體間的界面性能，提高纖維束與基體間的摩擦力[7-8]。

②抗開裂性能分析結果

按照實驗步驟24h后取出被吹試樣，采用隨機取樣方法，在試樣中取3cm×3cm面積，再采集面積內試樣開裂裂縫個數，3cm×3cm面積內的砂漿裂縫個數極差分析結果見表3所示。

表3 開裂實驗結果分析

由表3分析可知，纖維長度為抗開裂性能的主要影響因素，纖維用量、纖維素醚用量、硅灰依次減輕，最優組合為纖維長度6mm，纖維摻量0.1%，纖維素醚摻量0.4%，硅灰摻量6%。本文選用的纖維長度為6mm、12mm、18mm，假設纖維在砂漿中自然而均勻分布，則相同質量摻量時，纖維長度越短，纖維的根數越多，極差分析中選定的纖維長度優水平為a1，說明短纖維的摻入，形成更密集的網狀搭接，相對來說更利于失水率的降低，進一步降低砂漿的開裂程度。

③流動性能分析結果

使用砂漿稠度儀測試砂漿流動度，測試數據如表4。

表4 流動性能實驗結果分析

續表

由表4分析可知，纖維素醚的摻量是砂漿流動性能的主要影響因素，纖維長度、硅灰用量、纖維用量對砂漿流動度的影響依次遞減，纖維素醚可以增加砂漿的保水性，是一種保水增稠劑[9]，有助于保證砂漿里的自由水不被大量損耗，防止砂漿分層與離析，并且加入纖維素醚越多，砂漿越稠，摻量較小時，砂漿流動度增大。極差分析里，纖維素醚的優水平選定為c1。

(2)纖維素醚對砂漿性能的影響

綜合考慮砂漿的抗折強度、抗壓強度、失水率、抗開裂性能以及流動性能，選定正交實驗中的最優配比為第A4組。由于纖維素醚對砂漿的性能影響很大，因此以第A4組為基底，研究纖維素醚的摻量對砂漿性能的影響，實驗配比及結果如表5所示。

表5 纖維素醚的摻量對砂漿性能的影響結果

由表5可看出，纖維素醚是一種保水增稠劑[9]，隨纖維素醚摻入量增加，砂漿變得粘稠，隨摻入纖維素醚用量增加，砂漿抗折、抗壓強度先增大后減小，表明隨纖維素醚摻量增加，砂漿的保水性上升，砂漿相對不容易產生開裂，其中C2的抗壓強度達到最大，纖維素醚摻量0.3%為最優摻量。

(3)水泥基復合材料應用驗證

按照優化后的配比，水泥:砂:水=1:1.5:0.5（質量比），減水劑為1.5%，12mm長度的玄武巖纖維、硅灰、纖維素醚用量分別為0.1%、8%、0.3%，生產的纖維增強水泥基復合材料在廣東佛山地鐵2號線林岳段屋面防水層進行應用示范，應用效果如圖2所示。

圖2 廣東佛山地鐵2號線林岳段屋面防水層

由圖2可以看出，無纖維的普通水泥基材料鋪設的屋面防水層出現了大量開裂情況，開裂后使用了瀝青進行裂縫修補，采用玄武巖纖維增強的水泥基復合材料鋪設的屋面防水層，經觀察檢測未出現開裂現象，應用效果良好。

3.結論

（1）硅灰的用量是影響砂漿抗折、抗壓強度的主要因素，纖維長度是影響砂漿抗開裂性能的主要因素，纖維素醚摻量是影響砂漿流動度、失水率的主要因素。

（2）當纖維長度為12mm、用量為0.1%、硅灰用量為8%、纖維素醚用量0.3%時，砂漿具有較好的綜合性能，28d抗折強度3.8MPa，28d抗壓強度達到21.5MPa，砂漿流動度為113mm，開裂率為0。