不同摻量及長度聚丙烯纖維砂漿早期性能分析

李康一,蘭巖松,楊 雪,宋 楊,孫劍飛

(黑龍江大學 a.建筑工程學院;b.水利電力學院,哈爾濱 150086)

0 引 言

相對于普通砂漿,纖維摻量砂漿的力學性能更優,主要原因是水泥與細骨料之間的膠結作用。本文將聚丙烯材料作為本次試驗的增強材料,聚丙烯纖維具有強度好、易分散、經濟效益好等特點,在新能源產業和環保方面有著優秀的發展前景[1]。本文對4種長度、摻量的聚丙烯纖維砂漿進行研究,分析其抗壓、抗折性能上的提升,從而得出最優纖維摻量,研究成果可為解決類似工程問題提供相應的理論依據與技術引導。

1 材料與相關數據

1.1 試驗材料與性能

水泥:采用天鵝牌 P·O 42.5復合硅酸鹽水泥,其性能指標見表1[2]。

表1 水泥的力學性能指標

砂:采用砂為試驗砂,其細度模數2.4,表觀密度2 648kg/m3。

摻合料:為20%粉煤灰,粉煤灰為黑龍江雙達電力設備有限公司的I級灰,其化學成分見文獻[3]。

聚丙烯纖維:產地為湖南長沙,為100%純聚丙烯材質,纖維類型為束狀單絲,具體指標見表2。

表2 聚丙烯纖維技術指標

減水劑:黑龍江低溫科學研究所生產,減水率0.25[4]。

水:使用的水為學院自來水。

1.2 配合比設計

本試驗使用水膠比0.38、膠砂比1.5的配合比,聚丙烯纖維摻量使用絕對體積法,研究4種不同長度(3、6、9、15mm)、4種不同摻量(0.1%、0.2%、0.3%、0.4%)的聚丙烯纖維,試驗有固定20%粉煤灰占膠凝材料比值。

1.3 試件制備

根據標準《行星式水泥砂漿攪拌機》(JC/T 681-2005)[5],攪拌機應預先攪拌細骨料與聚丙烯纖維120s,使纖維與細骨料攪拌混合均勻[6],避免纖維在水泥基材料中成團,影響試驗結果,然后再加水攪拌。首先砂漿經攪拌機攪拌完成,然后用砂漿標準試件的模具制作標準試件,并使用振動臺對其進行震動,達到密實效果,最后將試件制作完成后,放置在20±5℃的環境中24h。等待脫模完成后,根據《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2019)[7](濕度為95%以上的標準養護室)進行養護。本文進行17組試驗,每組有3個平行試件,分別養護3和7d。達到試驗齡期后,參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70-2009)[8]及《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG 3420-2020)[9]進行試驗測試,數據嚴格使用3塊砂漿試塊的抗壓與抗折強度指標的平均值,減小誤差。

2 結果分析

2.1 抗壓試驗結果分析

在不同纖維長度伴隨遞增纖維體積摻量的情況下,10組水泥砂漿的齡期為3和7d的抗壓強度變化反應折線圖見圖1和圖2。由圖1、圖2可知,對于3d齡期,4種長度的聚丙烯纖維在體積摻量為0.1%、0.2%、0.3%時,試件的抗壓強度會因纖維摻量的增加而提升,并且隨著纖維長度的增加抗壓強度也在提升,超過9mm時便開始下降。整體上呈先上升后下降趨勢,4種纖維長度摻量的砂漿均在0.2%時抗壓強度達到最高,分別較對照組提升15.4%、17.6%、18.4.0%、13.8%。對于7d齡期,3、6、9mm這3種纖維摻量的水泥砂漿抗壓強度先提升后下降,且都在0.2%時達到最高,分別較空白組提升9.2%、9.7%、11.0%。15mm纖維摻量在0.1%摻量時抗壓強度達到最大,較對照組提升7.3%。

圖1 聚丙烯纖維摻量對砂漿3d抗壓強度的影響

3d齡期的抗壓強度與7d齡期的抗壓強度變化趨勢相似,主要原因是纖維在水泥基中形成網狀結構,表現出正混雜效應[10],很大程度上阻止了裂縫的延伸,從而提高了復合材料的抗壓強度[11]。但過量的纖維與太長的纖維在水泥砂漿中會形成團狀結構[12],不利于展現出抗拉能力。因此,對于本試驗3d齡期與7d齡期的水泥砂漿,0.2%的聚丙烯纖維體積摻量能發揮最優作用,而4種纖維長度中9mm的聚丙烯纖維長度為最好。

2.2 抗折試驗結果分析

齡期分別為3與7d、4種不同長度的聚丙烯纖維在體積摻量的變化曲線圖見圖3、圖4。由圖3、圖4的強度數值可知,齡期7d較齡期3d有明顯提升;隨著纖維體積摻量的增加,齡期3d與齡期7d的兩組數值變化是不相同的。齡期3d的曲線有兩個峰值,但數值變化不明顯,呈先上升后下降再上升的趨勢,總體上還是呈現出上升的趨勢。對于7d齡期,當聚丙烯纖維的體積摻量增加為0.2%時,4種水泥砂漿的抗折強度發生了不同的變化,3與6mm纖維長度的抗折強度在緩慢上升,9與15mm纖維長度的抗折強度在0.2%與0.3%摻量之間有些許的下降,但4種長度均在0.4%達到抗折強度最大。齡期3d較對照組提升了5.5%、9.9%、13.2%、12.1%;齡期7d較對照組提升了28.6%、26.5%、25.6%、21.4%。因此,對于本試驗水泥砂漿的抗折強度最佳纖維摻量為0.4%。

圖3 聚丙烯纖維摻量對砂漿3d抗折強度影響

圖4 聚丙烯纖維摻量對砂漿7d抗折強度影響

3 結 論

利用4種不同長度和4種不同摻量的聚丙烯纖維,制備16組水泥砂漿試件,再做一組對照組試驗,通過對比得到以下相關結論:

1)聚丙烯纖維的摻入會有效增加水泥砂漿試塊的力學性能,主要是因為纖維在水泥砂漿中呈現網狀結構,有效展現了纖維的拉伸能力,進而減小砂漿的開裂范圍,增加強度。

2)根據試驗中抗壓強度數據顯示,共7組齡期在3和7d的水泥砂漿試塊大部分均在纖維含量為0.2%時,水泥砂漿的抗壓強度達到最大,1組齡期7d的聚丙烯纖維長度在15mm的抗壓強度在摻量為0.1%時達到峰值,較空白組均有明顯的強度提升。

3)根據齡期為3和7d的8組實驗數據與一組空白組進行對照發現,4種不同長度的聚丙烯纖維摻量在0.4%時均達到抗折強度最優,且強度提升較抗壓更為明顯,齡期7d的強度提升了28.6%、26.5%、25.6%、21.4%。

綜上所述,針對纖維的摻量與長度問題,并不是摻量越多越好,纖維越長越好,而是存在最優摻量與最優長度。