建筑外墻用纖維增強水泥砂漿的收縮性能研究*

劉廣斌

（楊凌職業技術學院,陜西楊凌712100）

水泥砂漿是建筑混凝土結構的必備材料之一,一般在建筑施工現場攪拌,但是由于水泥砂漿多用于薄壁結構[1],在使用過程中經常會由于外界環境的變化而出現“干透”或“濕透”現象[2],并造成建筑外墻等結構中的砂漿產生干縮濕脹現象,并最終造成砂漿開裂,這些“干透”或“濕透”現象的存在很大程度上會影響水泥砂漿的使用效果并造成生產成本升高、返工現象嚴重以及使用壽命較短等問題[3]。為了解決水泥砂漿的失水收縮和開裂問題,研究人員在水泥砂漿的成分配比上做了大量工作,且已證實在水泥砂漿中加入纖維可以有效改善水泥砂漿的收縮性能[4],但是在水泥砂漿中摻入玻璃纖維、玄武巖纖維和鋼纖維并與基準水泥砂漿的收縮性能的對比分析卻鮮有報道[5-6]。在此基礎上,本文對比分析了基準水泥砂漿試塊與纖維增強水泥砂漿試塊的收縮性能與斷面形貌,并分析了相應的作用機理,結果有助于新型抗收縮的纖維增強水泥砂漿的開發與工程化應用。

1 試驗材料與方法

試驗原料包括曲阜中聯水泥有限公司生產的P.I42.5硅酸鹽水泥（比表面積325m2/kg、密度3.18g/m3、初凝和終凝時間分別為136min和220min、28d抗壓強度和抗折強度分別為8.8MPa和51.0MPa）、細度模數2.36的河砂（堆積密度1593kg/m3、含泥量1.8%）以及不同廠家的纖維（基本物性指標見表1）。

表1 纖維的物性指標Table 1 Physical properties of fiber

根據JC/T 603-2004《水泥膠砂干縮試驗方法》和表2的建筑外墻用纖維增強水泥砂漿的配合比[7],采用三聯試模成型方法將水泥砂漿制成標準試塊（25×25×250,mm）,在標準箱中覆蓋薄膜養護1天后拆模并轉入標準養護室內進行水養護48h處理,采用比長儀測定試件初始尺寸后移入養護箱中進行不同齡期的干燥養護,并在各個齡期下測定干燥收縮率、長度和重量,整個過程中保持養護溫度為20℃、養護濕度為60%。砂漿試塊第n天的齡期干縮率Sn可用式（1）表示[8]：

表2 建筑外墻用纖維增強水泥砂漿的配合比（kg/m3）Table 2 Mix proportion of fiber reinforced cement mortar for building exterior wall

式（1）中,L0和Ln分別為砂漿試塊初始長度和齡期第n天的長度。為了測定纖維增強砂漿試塊的自收縮率,將砂漿試塊脫模后測定初始長度并采用薄膜和石蠟密封,在20℃/90%RH的標準恒溫恒濕養護箱內進行養護處理,每間隔7天測定水泥砂漿試件的重量和長度變化,根據干燥收縮率的測定方法計算自收縮率[9]。

2 試驗結果及討論

圖1為纖維增強水泥砂漿的自收縮率隨齡期的變化曲線。對比分析可知,無論是基準砂漿,還是纖維增強砂漿（玻纖砂漿、鋼纖砂漿、玄武巖砂漿和木纖維砂漿）,砂漿試塊的自收縮率都會隨著齡期增加而逐漸增大,在齡期較短時,纖維增強水泥砂漿的自收縮率增加幅度較快,而隨著齡期的延長,纖維增強水泥砂漿的自收縮率的增長幅度變緩。相對而言,在相同齡期下,纖維不同的砂漿試塊的自收縮率存在一定差異,且都明顯低于基準砂漿的自收縮率,這也表明纖維增強砂漿的抑制砂漿收縮的能力都優于基準砂漿[10],且相同齡期下鋼纖砂漿試塊的自收縮率最小,具有最佳的抑制砂漿收縮的能力。

圖2為纖維增強水泥砂漿的收縮率隨齡期的變化曲線。對比分析可知,無論是基準砂漿還是纖維增強砂漿,在齡期較短時的收縮率會快速增長,而當齡期接近20d時收縮率趨于平緩,在齡期達到90d時基本穩定。當砂漿試塊的收縮率穩定后將其泡入水中進行35d的濕脹處理以及再干縮處理。對比分析可見,干縮變形后再次泡入水中,纖維增強水泥砂漿試塊都會出現快速濕脹,且干縮僅能恢復少量變形,基準砂漿和纖維增強砂漿的濕脹曲線相似。結合圖1的纖維增強水泥砂漿的自收縮率隨齡期的變化曲線可知,相同齡期下纖維增強砂漿試塊的收縮率會明顯高于自收縮率,其中,基準砂漿的自收縮率與收縮率的比值約為19.4%,而纖維增強砂漿的自收縮率與收縮率的比值介于15.8%～17.4%。可見,纖維增強砂漿試塊的自收縮率與收縮率的比值小于基準砂漿試塊。

圖2 纖維增強水泥砂漿的收縮率隨齡期的變化Fig. 2 Shrinkage change of fiber reinforced cement mortar with age

圖3為纖維增強水泥砂漿的失水率隨齡期的變化曲線。對比分析可知,在齡期90天前,基準砂漿和纖維增強水泥砂漿試塊的失水率都會隨著齡期增加而逐漸增大,且早期失水率會隨著齡期延長而快速增加。纖維增強水泥砂漿的失水率隨齡期的變化曲線與收縮率-齡期曲線較為相似,在齡期為90d時,基準砂漿試塊的失水率最小,其次為木質素纖維砂漿試塊,而玄武巖纖維砂漿試塊的失水率最大,究其原因,這主要與基準砂漿在加入纖維后,內部結構會更加致密,從而造成纖維增強水泥砂漿內水分更容易逸出所致[11]；且相對而言,玄武巖纖維砂漿的結構致密性最差,失水率會相對較大,但是整體而言,四種纖維增強水泥砂漿在齡期90d時的失水率差別并不大,整體介于6.89%～7.31%之間。

圖3 纖維增強水泥砂漿的失水率隨齡期的變化曲線Fig. 3 Water loss rate curve of fiber reinforced cement mortar with age

圖4為纖維增強水泥砂漿試塊的35d濕脹率和90d干縮率。從90d干縮率上來看,除木質素纖維砂漿試塊的90d干縮率高于基準砂漿試塊外,其余纖維增強水泥砂漿試塊的90d干縮率都相較基準砂漿試塊更小,且玻璃纖維砂漿試塊的90d干縮率最小；從35d濕脹率上來看,纖維增強水泥砂漿試塊的35d濕脹率與干縮率的變化趨勢一致,即玻璃纖維砂漿試塊的35d濕脹率最小,而木質素纖維砂漿試塊的35d濕脹率最大且高于基準砂漿試塊。由此可見,纖維的加入會對水泥砂漿試塊的干燥收縮變形產生明顯影響,且玻璃纖維由于在砂漿試塊中呈三維網狀分布且與砂漿基體結合力較強[12],因此,其干縮率會相對較小。

圖4 纖維增強水泥砂漿試塊的35d濕脹率和90d干縮率Fig. 435d wet expansion rate and 90d dry shrinkage rate of fiber reinforced cement mortar test block

圖5為纖維增強水泥砂漿試塊的斷面形貌。其中圖5(a)為未加入纖維的基準砂漿試塊的斷面形貌,為典型常規水泥砂漿試塊的斷面形態,而加入玻璃纖維后[圖5(b)],斷面上可見分散度較高的玻璃纖維,這種呈三維均勻分布的斷面形態有助于抑制干縮[13]；圖5(c)為鋼纖維增強水泥砂漿試塊的斷面形貌,可見鋼纖維在斷面中的分布數量較少,且由于鋼纖維自身的憎水特性以及造成砂漿試塊多孔的特征,整體抑制干縮的能力較差[14]；圖5(d)為玄武巖纖維增強砂漿試塊的斷面形貌,可見局部區域出現了成團現象,在干縮過程中容易造成應力集中[2],而使得其干縮效果會差于玻璃纖維增強水泥砂漿試塊；圖5(e)的木質纖維素增強水泥砂漿試塊的斷面形貌中可見方框所示的絮狀結構(孔隙率較高),不利于砂漿內部的干縮變形[15],其抑制干縮的效果也會低于玻璃纖維增強砂漿試塊。

圖5 纖維增強水泥砂漿試塊的斷面形貌Fig.5 Cross section morphology of fiber reinforced cement mortar test block

圖6為纖維增強水泥砂漿的收縮率與失水率的關系曲線。

圖6 纖維增強水泥砂漿的收縮率與失水率的關系曲線Fig. 6 Relation curve between shrinkage and water loss of fiber reinforced cement mortar

由圖6可見,隨著失水率的增加,基準砂漿試塊和纖維增強水泥砂漿試塊的收縮率的變化趨勢基本相同,都表現為收縮率隨著失水率增加而不斷增大的特征。此外,在失水率高于6%時,基準砂漿試塊和纖維增強水泥砂漿試塊的收縮基本完成,表現為收縮率逐漸趨于穩定,且木質纖維素增強水泥砂漿試塊的收縮率最高,其次為基準砂漿試塊,而玻璃纖維增強砂漿試塊的收縮率最低。從收縮率與失水率的關系曲線中可知,失水率與試塊的收縮率密切相關,收縮率的變化主要與水分遷移有關[16],在相同失水率的情況下,玻璃纖維增強水泥砂漿試塊的收縮率是纖維增強水泥砂漿試塊中最小的,這也就說明玻璃纖維更加有利于抑制水泥砂漿試塊的收縮,這與前述的試驗結果保持一致。

圖7為纖維增強水泥砂漿的濕脹率與吸水率的關系曲線。基準砂漿試塊和纖維增強水泥砂漿試塊的濕脹率都會隨著吸水率的增加而逐漸增大。無論是基準砂漿還是纖維增強砂漿,在泡水后的試塊都會迅速吸水而產生濕脹,且在相同吸水率時,木質纖維增強水泥砂漿試塊的濕脹率最大,而玻璃纖維增強水泥砂漿試塊的濕脹率最小。在相同吸水率時,玻璃纖維增強水泥砂漿的濕脹率與玄武巖纖維增強水泥砂漿試塊相當,但是結合前述的90d干縮率可知,玻璃纖維水泥砂漿試塊的干縮率會低于后者,這也說明纖維增強水泥砂漿試塊中的玻璃纖維更加有利于抑制干縮,并具有最好的干縮濕脹穩定性[17]。

圖7 纖維增強水泥砂漿的濕脹率與吸水率的關系曲線Fig. 7 Relation curve between moisture expansion and water absorption of fiber reinforced cement mortar

3 結論

（1）基準砂漿和纖維增強砂漿試塊的自收縮率都會隨著齡期增加而逐漸增大,在相同齡期下,纖維增強砂漿試塊的自收縮率都明顯低于基準砂漿的自收縮率。相同齡期下纖維增強砂漿試塊的收縮率會明顯高于自收縮率,其中,基準砂漿的自收縮率與收縮率的比值約為19.4%,而纖維增強砂漿的自收縮率與收縮率的比值介于15.8%～17.4%。

（2）基準砂漿和纖維增強水泥砂漿試塊的失水率都會隨著齡期增加而逐漸增大,且基準砂漿試塊的失水率最小,其次為木質素纖維砂漿試塊,而玄武巖纖維砂漿試塊的失水率最大；四種纖維增強水泥砂漿在齡期90d時的失水率差別并不大,整體介于6.89%～7.31%之間。

（3）纖維增強水泥砂漿試塊的35d濕脹率與90d干縮率的變化趨勢一致,即玻璃纖維砂漿試塊的90d干縮率和35d濕脹率最小,這主要與玻璃纖在砂漿試塊中呈三維網狀分布且與砂漿基體結合力較強有關。基準砂漿和纖維增強水泥砂漿試塊的失水率與收縮率密切相關,在相同失水率的情況下,玻璃纖維增強水泥砂漿試塊的收縮率是纖維增強水泥砂漿試塊中最小的,即玻璃纖維更加有利于抑制水泥砂漿試塊的收縮。