摻鋼纖維砂漿力學性能及其社會經(jīng)濟效益研究

吳皖蘭 楊鵬 馮國琴 余方婷

江蘇大學京江學院 江蘇 鎮(zhèn)江 212100

引言

每生產(chǎn)一噸水泥，就要排放近一噸二氧化碳，在節(jié)能減排的號召下，要想減少碳排放量，可以通過使用更高性能的水泥復合基材料延長建筑壽命，從而減少水泥的用量。

在砂漿中摻入一定量的鋼纖維，鋼纖維在砂漿內(nèi)部錯亂分布從而形成“空間纖維網(wǎng)”，由于其具有穩(wěn)定的化學性質，不易在砂漿中產(chǎn)生化學反應，且能夠大大提高砂漿的力學性能，在建筑材料中得到廣泛的應用[1]。在實際工程中，為了滿足結構承載要求，常常靠提高鋼纖維的摻量來提升砂漿的性能，但是鋼纖維的摻量越大，“空間纖維網(wǎng)”結成團的概率也越大，無形之中也提高了生產(chǎn)成本，且不同種類的鋼纖維對其影響也不盡相同。

因此，研究鋼纖維的種類和摻量對砂漿力學性能和經(jīng)濟效益的影響，具有較強的理論意義和現(xiàn)實意義。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料選材

1.1.1 水泥采用楊春水泥有限公司生產(chǎn)的P.O 52.5硅酸鹽水泥；

1.1.2 細骨料采用湖砂中砂；

1.1.3 試驗用水為實驗室自來水；

1.1.4 鋼纖維采用鍍銅鋼纖維和鍍銅微絲鋼纖維。

1.2 配合比

為了研究鋼纖維摻量對砂漿力學性能的影響，我們配制不含鋼纖維的砂漿作為參照組。摻鋼纖維砂漿配合比見表1。

表1 摻鋼纖維砂漿配合比

1.3 試驗方案

根據(jù)《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T 17671-1999），抗折強度和抗壓強度試驗均采用40mm×40mm×160mm試件，每組三塊，在同條件下成型。制作前先對砂進行篩選并測定其含水率；用水泥膠砂攪拌機先攪拌除鋼纖維外其他材料，再逐步加入鋼纖維，避免鋼纖維結團影響結果，同時用水潤濕模具并涂油；用振動臺振動，直到模具表面出漿，抹平后送入標準養(yǎng)護箱（20℃±0.5℃，RH=95%±5%）養(yǎng)護24小時，拆模后放入溫度為20℃±2℃的水槽中養(yǎng)護至齡期（養(yǎng)護用水高出試塊頂部5mm左右，同一水槽養(yǎng)護同類型試塊）。鍍銅鋼纖維和鍍銅微絲鋼纖維的摻量均是0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%，以鋼纖維摻量0%作為基準試塊，每種摻量的試塊均做3個齡期（3d、7d、28d），每組3個試塊。

比較相同摻量下鍍銅鋼纖維和鍍銅微絲鋼纖維對砂漿力學性能提升效果的影響，確定相對較好的鋼纖維種類。再細化鋼纖維摻量，結合經(jīng)濟效益，分析出經(jīng)濟且力學性能優(yōu)越的新型砂漿配合比方案。

1.4 試驗方法

1.4.1 抗折強度試驗方法。根據(jù)《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T 17671-1999），采用40mm×40mm×160mm試塊進行抗折強度測試，每組配比做三塊。將試件長軸垂直于支撐圓柱放置在YEW-300B微機控制水泥壓力試驗機上加載。加載速度為（50±10）N/s，直至折斷；

計算結果由計算機導出，精確至0.1MPa。以三塊試件測值的算術平均值作為該組試件的抗折強度值。當三塊強度值中有超出平均值±10%時，剔除后再取平均值作為抗折強度試驗結果。

1.4.2 抗壓強度試驗方法。根據(jù)《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T 17671-1999），采用抗折強度試驗折斷的試件做抗壓強度試驗。將半截試件中心與壓力機壓板受壓中心差控制在±0.5mm內(nèi)，試件露在壓板外的部分約有10mm。加載速度為（2400±200）N/s，直至破壞。

計算結果由計算機導出，精確至0.1MPa。以六塊試件測值的算術平均值作為該組試件的抗壓強度值。當六塊強度值中有超出平均值±10%時，剔除后再取平均值作為抗壓強度試驗結果。

2 結果分析

2.1 抗折強度分析

2.1.1 同摻量下不同種類鋼纖維砂漿抗折強度。

由圖1、圖2可知，在砂漿中加入鍍銅鋼纖維和鍍銅微絲鋼纖維對抗折強度均有提升，但當達到一定摻量后，鋼纖維對強度提升效果不大。其中鍍銅鋼纖維在1.5%～2.5%摻量下提升效果顯著，鍍銅微絲鋼纖維在0.5%～1.5%摻量下提升效果顯著，考慮到價格因素，后續(xù)試驗基于此范圍摻量下的鍍銅微絲鋼纖維進行。

圖1 鍍銅鋼纖維砂漿抗折強度

圖2 鍍銅微絲鋼纖維砂漿抗折強度

2.1.2 鍍銅微絲鋼纖維砂漿不同摻量下抗折強度。

由圖3可知，鍍銅微絲鋼纖維砂漿從無摻量增加至1.1%時，抗折強度不斷提高，在1.1%時抗折強度最大，其值為11.54MPa，較素砂漿提升11.01%。再繼續(xù)增加鋼纖維摻量，從1.1%增加至1.5%時，抗折強度提升效果逐步下降，在摻量為1.5%時抗折強度僅提升8.64%。不難看出，適當摻量的鋼纖維可以使砂漿韌性增強，因為鋼纖維與砂漿間的黏結力阻止了裂縫的發(fā)展，砂漿由脆性破壞變?yōu)樗苄云茐模瑥亩岣吡松皾{抗折強度[2]。考慮到經(jīng)濟效益，試驗繼續(xù)增加鋼纖維摻量已無意義。

圖3 鍍銅微絲鋼纖維砂漿抗折強度

2.2 抗壓強度分析

由圖4可知，添加鍍銅微絲鋼纖維使混凝土的抗壓強度均有提升，當從無摻量增加至1.0%時，抗壓強度不斷提高，在1.0%時抗壓強度最大，其值為43.04MPa。再繼續(xù)增加鋼纖維摻量，從1.0%增加至1.5%時，抗壓強度提升效果逐步下降，在摻量為1.5%時抗壓強度值僅為39.24MPa。不難看出，當摻量過高時表現(xiàn)為：其一，鋼纖維容易結團；其二，鋼纖維水泥膠凝物生成量難以完全包裹細骨料和鋼纖維，鋼纖維和水泥基體界面間的孔隙率增加，鋼纖維與水泥基體的界面黏結力降低，因此，鋼纖維增強砂漿的力學性能會降低[2]。

圖4 鍍銅微絲鋼纖維砂漿抗壓強度

2.3 社會經(jīng)濟效益分析

2.3.1 經(jīng)濟效益分析。對比市場上的鋼纖維價格，鍍銅微絲鋼纖維價格為4900元/噸，鍍銅鋼纖維價格略高，為6400元/噸。顯然鍍銅微絲鋼纖維的市場價格較低，且購買方便，在實際工程應用中性價比較鍍銅鋼纖維高。在應用時，鋼纖維摻量建議選擇0.8%～1.1%之間，砂漿抗壓強度和抗折強度提升效果均有顯著變化，在1%左右出現(xiàn)峰值。當摻量超過1.1%時，砂漿的成本增加，強度提升效果也開始下降。

2.3.2 社會效益分析。若按1%鍍銅微絲鋼纖維摻量添加，每噸成本增加不到50元，可以使砂漿抗折強度提高約10%、抗壓強度提高約11%，而在實際中，鋼纖維砂漿主要應用于路面工程，其主要力學指標為抗折強度，這樣不僅減少了路面的維修次數(shù)和維修費用，且使車輛行駛舒適，高質量、高強度的路面給交通運輸帶來的巨大效益也是遠大于摻鋼纖維的成本的[3]。因此鋼纖維砂漿具有可觀的社會效益。

3 結束語

通過在砂漿中加入不同的鋼纖維，對比抗壓強度對于素砂漿的提升率，發(fā)現(xiàn)鍍銅微絲鋼纖維砂漿在摻量1%時的抗壓強度提高最多達到11.4%。

鍍銅鋼纖維砂漿在摻量0%～2%區(qū)間內(nèi)抗折強度不斷提高，超過2%后抗折強度開始下降；鍍銅微絲鋼纖維砂漿在摻量0%～1.1%區(qū)間內(nèi)抗折強度不斷提高，超過1.1%后抗折強度開始下降，在摻量0%～1%區(qū)間內(nèi)抗壓強度不斷提高，超過1%后抗壓強度開始下降。

隨著鋼纖維摻量的不斷增加，鋼纖維容易結團，且與水泥基體的界面黏結力降低，不僅影響其力學性能，也在一定程度上造成鋼纖維浪費[4]。

考慮鋼纖維砂漿在實際應用中的社會經(jīng)濟效益，對于鋼纖維摻量可選擇0.8%～1.1%，選擇鋼纖維類型為鍍銅微絲鋼纖維更佳。