不同纖維對砂漿粘結(jié)強(qiáng)度的影響研究

摘" 要：摻加纖維是一種常用的混凝土增強(qiáng)方法。本文選取鋼纖維和三種有機(jī)纖維（聚丙烯纖維、聚乙烯纖維和聚乙烯醇纖維）摻加到砂漿中，探究不同纖維對砂漿粘結(jié)強(qiáng)度的影響規(guī)律。結(jié)果表明：鋼纖維對砂漿粘結(jié)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)最大，平均值為3.11MPa；有機(jī)纖維改善砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度基本一致，在2.4MPa左右；鋼纖維的均勻分布和鑲嵌效應(yīng)，增強(qiáng)了新舊砂漿界面的機(jī)械咬合力和摩擦阻力；有機(jī)纖維屬性柔軟，對界面力傳遞有限，限制了粘結(jié)強(qiáng)度的提升。

關(guān)鍵詞：纖維；粘結(jié)強(qiáng)度；微觀結(jié)構(gòu)；表面屬性文章編號：2095-4085（2024）11-0158-02

*通訊作者：趙偉

0" 引言

水泥基材料在服役期間，會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破損等病害，在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行加固修補(bǔ)是最常用的技術(shù)措施［1］。發(fā)展纖維改性砂漿是改善砂漿高質(zhì)量的重要途徑。纖維均勻分布于砂漿體系中，通過橋接作用來限制裂縫的發(fā)展，從而提高其抗拉、抗折和抗沖擊強(qiáng)度等性能，在修補(bǔ)加固領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用［2］。

近年來，各種不同的纖維用于改善水泥基材料的性能。鋼纖維的摻量、取向、形狀以及尺寸等因素均可以影響混凝土的韌性和抗拉強(qiáng)度［3］。常見的有機(jī)合成纖維主要有聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維和聚乙烯纖維等，此類彈性模量較低，不受水化產(chǎn)物的侵蝕，可三維亂向分布于混凝土基體中，被經(jīng)常用于提升混凝土的峰前抗裂和峰后延性［4］。目前，雖然各種不同的纖維用于改善水泥基材料的力學(xué)強(qiáng)度、流變性能和耐久性，但纖維對砂漿新舊界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響規(guī)律研究較少。

本文采用四種不同的纖維用于改善砂漿新舊界面的粘結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)而利用掃描電鏡探究了其微觀影響機(jī)理。本文研究內(nèi)容為纖維改性水泥基材料的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1" 試驗(yàn)部分

1.1" 原材料

本文所用水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，28d抗壓強(qiáng)度46.8MPa，山東山水集團(tuán)有限公司生產(chǎn)；石英砂為水洗烘干石英砂，20-40目及40-80目，臨沂鑫鑫石英砂有限公司生產(chǎn)；聚羧酸高性能減水劑，減水率26%，固含量為25%，江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)；鍍銅微絲鋼纖維（0.22mm×13mm）、聚丙烯纖維（PP纖維）、聚乙烯纖維（PE纖維）、聚乙烯醇纖維（PVA纖維），由贛州大業(yè)金屬制品有限公司生產(chǎn)。

1.2" 試驗(yàn)方法及測試

將稱好的水泥（450g）、石英砂（1350g）加入攪拌機(jī)中，干混3min，然后加入減水劑（膠凝材料的1.5%）和水（225g）進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁w維的摻量為砂漿體積的2%。粘結(jié)強(qiáng)度的試塊制備及測試按照（JGJ/T70-2016）《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中砂漿拉伸粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)方法進(jìn)行。新舊砂漿界面的表面微觀結(jié)構(gòu)通過掃描電鏡進(jìn)行觀察。

2" 結(jié)果與分析

2.1" 不同纖維對砂漿粘結(jié)強(qiáng)度的影響規(guī)律

摻加不同種類纖維砂漿粘結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果見表1，砂漿粘結(jié)強(qiáng)度的平均值見圖1。由圖1可知，鋼纖維和有機(jī)纖維對砂漿粘結(jié)強(qiáng)度性能有不同的影響。摻加鋼纖維的砂漿試塊拉伸粘結(jié)強(qiáng)度最大，均高于3MPa，平均值為3.11MPa。PP纖維、PE纖維、PVA纖維對提高新舊混凝土的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度作用基本一致，平均值分別為2.39MPa、2.48MPa和2.44MPa，均低于2.5MPa。鋼纖維對砂漿粘結(jié)強(qiáng)度的增強(qiáng)程度比PP纖維提高了30%，提升效果最為顯著。此外，對比三種有機(jī)纖維的增強(qiáng)作用可知，摻加PE纖維和PVA纖維的砂漿粘結(jié)強(qiáng)度高于PP纖維，這主要是由于PE和PVA纖維的親水性造成的。PE和PVA纖維相比PP纖維親水性更強(qiáng)，與水泥砂漿混合時(shí)，與水化產(chǎn)物呈現(xiàn)出更大的握裹力，因此其粘結(jié)強(qiáng)度更高。

2.2" 不同纖維影響砂漿粘結(jié)強(qiáng)度的機(jī)理分析

選擇典型的鋼纖維和PP纖維對砂漿試塊的斷面進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。從圖2中可知，PP纖維質(zhì)地柔軟剛度較差，與水泥漿體間存在一定的物理吸附作用，但主要依靠化學(xué)結(jié)合力粘結(jié)在一起。當(dāng)新舊砂漿出現(xiàn)微裂縫時(shí)，由于PP纖維本身的柔軟屬性，其對新舊界面的力傳遞作用有限，導(dǎo)致粘結(jié)強(qiáng)度偏低。鋼纖維剛性好，不易彎折，其末端可以嵌入砂漿表面，相互搭接，為新舊砂漿界面提供更強(qiáng)的機(jī)械咬合力和摩擦阻力，宏觀表現(xiàn)為粘結(jié)強(qiáng)度顯著提升。此外，鋼纖維表面粗糙，與水泥漿體接觸后，能增大接觸面積，提高摩擦力，有利于纖維與基體間的粘結(jié)。鋼纖維在水泥硬化過程中會形成微小的銹蝕產(chǎn)物，這些產(chǎn)物能在纖維表面形成一層附著力較強(qiáng)的薄膜，進(jìn)一步增強(qiáng)鋼纖維與水泥漿體的粘結(jié)，所以鋼纖維摻雜的砂漿粘結(jié)強(qiáng)度更高［5］。

為了進(jìn)一步分析鋼纖維和PP纖維兩種不同纖維增強(qiáng)砂漿的微觀結(jié)構(gòu)，采用掃描電鏡觀察了砂漿基體的微觀形貌，如圖3所示。由圖可知，鋼纖維呈現(xiàn)單根分布，與水化產(chǎn)物牢固結(jié)合在一起，且四周水化產(chǎn)物密實(shí)，無明顯的缺陷和孔洞。此外，鋼纖維的摻加有效減小了砂漿的收縮率，降低了收縮應(yīng)力，有利于粘結(jié)強(qiáng)度提升。PP纖維相互纏繞在一起，呈現(xiàn)多根聚攏現(xiàn)象。此外，PP纖維周圍水化產(chǎn)物稀松，存在明顯的孔洞，這也是造成粘結(jié)強(qiáng)度低于鋼纖維的微觀原因之一。

3" 結(jié)論

（1）鋼纖維增強(qiáng)砂漿的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度最大，平均值為3.11MPa。PP纖維、PE纖維和PVA纖維摻雜砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度基本一致，平均值分別為2.39MPa、2.48MPa和2.44MPa。

（2）有機(jī)纖維在水泥基體中呈現(xiàn)團(tuán)狀分布，且屬性柔軟，對開裂的新舊砂漿界面力傳遞作用有限，導(dǎo)致粘結(jié)強(qiáng)度偏低。鋼纖維單向分布在水泥基體中，四周密實(shí)，且末端可以嵌入砂漿表面，相互搭接，為新舊砂漿界面提供更強(qiáng)的機(jī)械咬合力和摩擦阻力，所以鋼纖維摻雜的砂漿粘結(jié)強(qiáng)度更高。

參考文獻(xiàn)：

［1］王勇.公路橋梁裂縫成因及修補(bǔ)加固技術(shù)分析［J］.交通世界，2023（27）：112-114.

［2］卜娜蕊，劉睿，趙慧斌，等.超高性能纖維混凝土在路橋加固施工中的應(yīng)用［J］.居業(yè)，2023（10）：71-73.

［3］劉同軍，張沖，徐篤軍，等.基于磁場定向鋼纖維的高性能混凝土性能研究［J］.硅酸鹽通報(bào)，2024：1-11.

［4］Zhao C，Wang Z，Zhu Z，et al.Research on different types of fiber reinforced concrete in recent years：An overview［J］.Construction and Building Materials，2023.

［5］王照耀.基于纖維拔出機(jī)理的鋼纖維混凝土梁力學(xué)性能研究［D］.天津大學(xué)，2022.