PVA/玄武巖纖維增強水泥砂漿性能試驗研究

周 穎，胡春華

(湖北工業大學土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068)

隨著單摻纖維增強水泥基復合材料的研究應用，發現單摻纖維對水泥復合材料的增強增韌效果是有局限性的[1]。而混雜纖維水泥基復合材料能使纖維發揮協同效應，獲得具有不同纖維優勢的新型復合材料，因此受到越來越多人的青睞。目前國內外學者對以鋼纖維和PVA纖維進行混雜的研究居多[2-3]，但是鋼纖維成本較高，易腐蝕，且因密度大振搗澆筑時易下沉導致分布不均勻等問題。而玄武巖纖維是一種由天然火山巖生產，原材料利用率高，成本低廉的環保纖維。玄武巖纖維的摻入能夠提高水泥基復合材料的抗折抗拉強度，增強構件的抗沖擊性能[4-5]；還能改善基材的耐久性[6-7]，并且與砂漿有良好的相容性[8]。胡星宇[9]研究得出纖維摻量是影響強度和韌性的主要因素；于海洋[10]等通過改變玄武巖纖維摻量，對PB-SHCC材料彎曲性能進行了研究，并對韌性做出評價，這對研究PVA-玄武巖纖維的研究應用打下基礎。因此，本文通過試驗探究PVA纖維和玄武巖纖維以分別單摻和不同摻量比混摻對水泥砂漿流動性、強度、韌性和干縮性能的影響，從而得出最佳混摻纖維配比。

1 試驗

1.1 試驗材料

1)本試驗所用P.O42.5級硅酸鹽水泥由湖北某建材有限公司生產，其化學組成如表1所示。

2)標準砂由廈門某標準砂有限公司按照GB/T 17671-1999生產的標準砂。

3)相關性能參數見表2。

表1 普通硅酸鹽水泥的化學組成 %

表2 相關性能參數

4)減水劑

本試驗所用減水劑來自鄧州市某有限公司生產的萘系高效減水劑，減水率≥14%。

1.2 試驗設計

試驗設計包括有不摻加纖維的水泥砂漿試樣S0、單摻0.5%體積摻量PVA纖維的水泥砂漿試樣S1、同等體積摻量下單摻玄武巖纖維水泥砂漿試樣S2以及以總體積摻量不變，以不同比例混摻的增強水泥砂漿試樣S3～S9。水泥砂漿試樣的配比如表4所示。減水劑摻量為水泥質量的0.7%。表3的試樣S3～S9數據顯示混摻水泥砂漿中PVA纖維與玄武巖纖維體積之比為3∶1、2∶1、3∶2、1∶1、2∶3、1∶2、1∶3。

表3 纖維增強水泥砂漿配合比

1.3 試驗方法

將稱量好的水泥、標準砂、減水劑等干料放入攪拌鍋低速干拌兩分鐘，在攪拌的同時將事先稱好的纖維一點點摻入攪拌鍋，讓纖維在其中混合均勻。之后再將稱好的水加入攪拌鍋中，再換高速攪拌兩分鐘即可，最后澆筑成40 mm×40 mm×160 mm規格的試塊，按規范進行養護成型。按《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》JGJ/T 70-2009規范測定砂漿稠度和干燥收縮，其他成型試件通過微機伺服抗折抗壓試驗機測試強度。

2 結果與討論

2.1 混摻纖維對水泥砂漿流動性的影響

通過圖1，可得在固定纖維體積摻量不變的條件下，單摻纖維的稠度值對比情況是：S2

圖 1 不同混摻類型對稠度值的影響

2.2 混摻纖維對水泥砂漿力學性能的影響

分別單摻纖維和同等摻量下以不同比例混摻纖維的水泥砂漿7 d和28 d的強度試驗結果分別見圖2和圖3。折壓比結果見圖4。

1)通過圖2可知，單摻PVA纖維的水泥砂漿試樣S1與空白組S0相比較，7 d、28 d抗折強度分別提高了14.84%、19.85%，單摻BF纖維的水泥砂漿試樣S2與空白組試樣S0相比較，7 d、28 d抗折強度分別提高了8.73%、7.91%。而在混摻纖維試驗組中，當混摻纖維比例是V(PVA)∶V(BF)≥1∶1時，即試塊S3～S6組混摻，隨著PVA纖維體積摻量的減小，BF纖維體積摻量增加，7 d齡期試塊的抗折強度基本呈現上升趨勢，28 d齡期時試塊的抗折強度呈現下降趨勢。但是相較于空白組，7 d和28 d抗折強度都有提高；而對比單摻纖維時，兩種纖維的混雜水泥砂漿抗折強度介于單摻PVA纖維和單摻玄武巖纖維的試塊之間。當混摻纖維比例是V(PVA)∶V(BF)<1∶1時，即試塊S7～S9組混摻，隨著PVA纖維體積摻量增大，BF纖維體積摻量減小，試塊的7 d和28 d抗折強度呈現降低趨勢。其中，S7試塊的28 d抗折強度相比空白組增加最多為27.61%。

圖 2 不同混摻類型對抗折強度影響

2)通過圖3可知，單摻PVA纖維水泥砂漿7 d、28 d抗壓強度相比不摻加纖維的水泥砂漿分別提高了7.39%、6.61%；單摻BF纖維的水泥砂漿試樣S2的7 d、28 d抗壓強度相較于不摻加纖維的水泥砂漿分別提高了2.13%、10.88%。單摻PVA能穩定增強砂漿的抗壓強度；而單摻BF纖維水泥砂漿在前期強度提高不顯著，但是后期強度能顯著提高。在七組不同比例混摻的試塊中，S5和S7組的28 d抗壓強度最佳，相較于空白組S0，分別提高了15.07%和15.04%；而其他組的抗壓強度雖然也比空白組稍微增大，但是相較于單摻PVA纖維時的要偏低。并且發現單摻玄武巖纖維對水泥砂漿前期抗壓強度的影響不大，但是當兩種纖維以適當的比例混摻時，就可以顯著提高抗壓強度，而且后期強度增大更為明顯，這可能是因為玄武巖纖維摻量過高，吸附了部分水影響了早期的水泥水化反應，從而影響了早期的強度。

圖 3 不同混摻類型對抗壓強度影響

3)通過圖4可知，7組不同比例混摻纖維的水泥砂漿試樣S3～S9折壓比相較空白組都有提升，相較于單摻PVA纖維提高不顯著。在混摻纖維中，當V(PVA)∶V(BF)≥1∶1時，即S3～S6組試塊7 d折壓比逐漸上升，而28 d折壓比逐漸下降；當V(PVA)∶V(BF)<1∶1時，7 d和28 d水泥砂漿試塊折壓比是先上升再下降的趨勢，7 d齡期時的折壓比比28 d時的大。其中，S7試塊組的28 d時的折壓比最高，相較于空白組提高了21.10%。一般說來折壓比能夠反映砂漿的韌性，砂漿折壓比越大其韌性也就越好，抗彎拉強度越高，抗開裂性能越強[11]。因此，摻加適量的兩種纖維到水泥砂漿中，能增強砂漿的強度以及韌性，提高砂漿的抗裂性。

圖 4 不同混摻類型折壓比結果

2.3 混摻纖維對水泥砂漿干燥收縮性能的影響

根據圖5可以明顯看出：整個收縮應變曲線的收縮發展主要發生在前28 d，在28 d之后收縮發展趨勢趨于平緩。單摻纖維或者混摻纖維都能夠明顯改善收縮應變，減小砂漿因干燥收縮而導致的裂縫。在單摻纖維時，水泥砂漿的抗干縮性能結果比較是S2>S1>S0。單摻玄武巖纖維的水泥砂漿抗干縮能力之所以比單摻PVA時強，是因為在同等摻量下，短的玄武巖纖維相比長的PVA纖維更易于均勻分散到水泥基體中，從而減少內部水分散失的通道，降低內部毛細孔中的收縮應力。而在7組混摻纖維的試驗中，各組對應齡期的干縮應變值，對比相同齡期下的單摻纖維的干縮應變有明顯減小；不同混雜比例的纖維水泥砂漿之間的干縮應變值之間也存在著一些差異。相對來說，S7試驗組在各齡期的收縮應變值最小，也就是說此時砂漿的抗裂性能最好。干燥收縮會使砂漿產生大量裂縫的原因是，水泥基材料硬化后，砂漿內部產生的各種拉應力超過了抗拉強度[12]。所以砂漿中摻入適量的兩種纖維，使其均勻分散在水泥基材中，能減少水泥砂漿內部因干燥收縮產生的各種拉應力，從而減少裂縫的產生和發展，發揮出有效的阻裂作用。

圖 5 不同混摻類型對干縮應變的影響

3 結論

綜合上述對比單摻纖維以及按不同比例混摻纖維對水泥砂漿流動性、強度、韌性以及干燥收縮性試驗結果分析，可以得出以下幾點結論：

1)混摻纖維對水泥砂漿的流動性發熱影響基本介于單摻PVA纖維和單摻玄武巖纖維之間，增強了砂漿的保水性，避免砂漿發生泌水現象。

2)混摻纖維能夠獲得比單摻纖維更好的效果，且后期強度增大更為顯著，并能有效增強水泥砂漿的韌性，當PVA纖維與BF纖維的體積摻量之比為2∶3時，增強效果最佳。

3)混摻纖維可以進一步提高水泥砂漿的抗干縮性能，從而提高水泥砂漿的抗裂性能，減少裂縫的產生，當PVA纖維與BF纖維體積摻量之比為2∶3時，整體抗干縮效果最佳。