尼龍纖維分布情況對砂漿性能的影響研究

摘 要：文章以梯度分布和均勻分布兩種方式來摻加尼龍纖維，制做高性能砂漿。對比了兩種纖維分布方式對砂漿抗裂性能的不同影響效果。研究結果表明：在砂漿中摻加尼龍纖維可以明顯提高水泥砂漿的抗沖擊性能、抗壓強度、抗彎強度和抗折強度，且尼龍纖維摻量越大，水泥砂漿試塊的初裂和終裂沖擊次數(shù)也越大。采用相同體積摻量的尼龍纖維，尼龍纖維梯度分布與均勻分布相比，更好的增大了水泥砂漿的抗沖擊性能、抗壓強度、抗彎強度和抗折強度，提高了材料的塑性變形，這為改善水泥基材料的脆性提供了一個有效的方法。

關鍵詞：砂漿；尼龍纖維；梯度分布；均勻分布；抗裂性能

水泥砂漿有良好的施工性，但是存在抗裂性能差，若構件中存在大量的干縮裂紋和溫差裂紋，這些裂紋隨之間變化，終究會發(fā)展成大裂縫，從而影響砂漿的性能，在預拌砂漿中加入尼龍纖維能提高砂漿的抗裂性能。文章通過在水泥砂漿中摻加一定量的尼龍纖維，將其結構按照使用環(huán)境的需求呈梯度分布，探索梯度結構對水泥砂漿的抗折、抗壓強度和抗沖擊性能的影響，使尼龍纖維增強的水泥砂漿可以用在某些特殊的領域。

1 試驗研究概況

1.1 原材料

本試驗選用42.5普通硅酸鹽水泥，標準砂，和長8mm尼龍纖維。

1.2 性能測試方法

本試驗試件尺寸為40×40×160mm，各組試樣成型完畢后，均采用標準養(yǎng)護，24h后拆模，再放入室溫為20±2℃的水中養(yǎng)護到規(guī)定天數(shù)，按以下所列方式測試其力學性能。

抗折試驗在KZJ-6電動抗折試驗機上進行，4層梯度分布試樣的梯度方向為垂直受力方向，即第1、2層在受拉區(qū)，第3、4層在受壓區(qū)，使富纖維層在受拉區(qū)，如圖1所示。

用做完抗折試驗后得到的半塊試樣進行抗壓強度測定，抗壓試驗采用YE-30液壓式壓力實驗機。試驗時將試樣放在抗壓夾具內(nèi)，普通試樣的成型面應與受壓面垂直，纖維梯度分布的試樣成型面應與受壓面平行，即梯度方向為垂直受力方向，受壓面積為40mm×40mm。將抗壓夾具連同試樣置于抗壓實驗機上、下臺面之間，下臺板球軸應通過試件受壓面中心。開動機器，使試件在加荷開始后20～40秒內(nèi)破壞。記錄每個試件的破壞荷載P，抗壓強度按下式計算：

2 試驗結果與分析

2.1 纖維最佳摻量的確定

本試驗中膠砂比取1：2.5，水灰比為0.44，摻加0.8%的萘系高效減水劑。首先確定尼龍纖維摻量最佳摻量，對綜合考慮經(jīng)濟性和材料性能，尼龍纖維摻量取0～2.0kg·m-3，抗折、抗壓性能指標隨摻量變化如表1～2。

從表1中可以看出7天和28天齡期的尼龍纖維砂漿的抗折強度隨纖維摻量的變化均表現(xiàn)出相同的規(guī)律：即均先隨纖維摻量的增大而提高；在纖維摻量達到某個數(shù)值——最佳摻量時，抗折強度卻隨摻量的增大而降低，表現(xiàn)為負增強效應。本試驗條件下，尼龍纖維的最佳摻量約為1.0 kg·m-3，在此摻量下7天和28天齡期的抗折強度分別比空白試樣增長了23.93%、8.68%。3天時水泥水化程度不同，所以水泥砂漿3天抗折強度沒有明顯規(guī)律可循。

從表2中可以看出尼龍纖維砂漿的3天、7天和28天抗壓強度隨纖維摻量的變化均表現(xiàn)出相同的規(guī)律：即均先隨纖維摻量的增大而降低，表現(xiàn)為負增強效應，在纖維摻量達到某個數(shù)值時，負增強效應變大，本試驗條件下，尼龍纖維摻量大于1.0 kg·m-3時，負增強效應顯著，在此摻量下3天、7天和28天齡期的抗壓強度分別是空白試樣的99.57%、99.61%和89.04%。

2.2 纖維梯度分布試樣的制備及性能分析

尼龍纖維梯度分布試樣的制備：在空白試樣配比基礎上外加尼龍纖維，纖維總摻量為1.0kg/m3，各層摻量為：第1層為水泥質量的2kg/m3，第2層為1.5kg/m3，第3層為0.5 kg/m3，第4層為0。試件制作時，將已拌好的4份砂漿依次注入模具，各層澆注時間間隔不能超過30 s，注入每層料漿后振動7s，最后振動20s，在此過程中，各層間組分相互滲透、擴散形成梯度分布。

取不含纖維的空白試樣，均勻摻加1.0kg/m3尼龍纖維的試樣和尼龍纖維梯度分布試樣的抗折、抗壓強度，抗沖擊性能列于表1。

從表3可知，與空白試樣1#相比，摻入尼龍纖維的2#、3#兩組抗折強度明顯地增大。均勻摻加1.0kg/m3尼龍纖維的2#試樣能使砂漿抗折強度增長5.69%，而同等摻量時尼龍纖維梯度分布的3#試樣抗折強度增長了9.99%，3#試樣比2#試樣增長率高，因此纖維梯度分布比均勻分布對抗折強度的增強效果更好一些。尼龍纖維梯度分布時抗壓強度的下降程度比均勻分布的明顯，下降了29.76%，分析其原因可能是成型面不平整，以及內(nèi)部各層間界面結合不良造成的。

3#試樣的沖擊延性指標最大，說明該試樣在受沖擊變形時保持的強度并且不產(chǎn)生破裂的能力最大，即試樣從屈服到破壞之間的變形能力最大。從試驗結果得知，纖維的摻入大幅度地提高了水泥砂漿的初裂、終裂沖擊次數(shù)和沖擊延性。相比較而言，尼龍纖維摻入水泥砂漿時梯度分布比均勻分布能更顯著地提高砂漿的沖擊延性。原因是：在相同摻量時，梯度分布的試樣受力面比均勻分布的試樣含有更多的纖維，如圖2所示。尼龍纖維的分散性和方向性好，纖維在砂漿的方向與裂縫垂直，能最大發(fā)揮纖維的阻裂效應從纖維在抗沖擊過程中的能耗機理分析。

根據(jù)復合材料力學理論，纖維不僅能夠轉移荷載，還能與基體界面粘合，當沿著纖維方向承受拉力時，外力通過基體傳遞給纖維，使纖維砂漿復合材料的抗拉強度和沖擊延性有所提高，從而改善水泥基材料的性能。本試驗中，在相同纖維含量下，纖維的梯度分布，明顯地增加了受拉區(qū)的纖維含量，在承受最大拉應力部位，梯度分布的纖維含量是均勻分布的2倍。

3 結語

（1）尼龍纖維的摻入可以明顯提高水泥砂漿的抗沖擊性能、抗壓強度、抗彎強度和抗折強度，且尼龍纖維摻量越大，水泥砂漿試塊的初裂和終裂沖擊次數(shù)也越大。

（2）采用相同體積摻量的尼龍纖維，尼龍纖維梯度分布與均勻分布相比，更好的增大了水泥砂漿的抗沖擊性能、抗壓強度、抗彎強度和抗折強度，提高了材料的塑性變形，這為改善水泥基材料的脆性提供了一個有效的方法。

參考文獻

[1] 周敏，趙彥鵬，李國忠.聚丙烯纖維梯度分布對水泥基材料力學性能的影響[J].混凝土與水泥制品，2008（03）：40-42.

[2] 張亞芳，陳江平.不同摻量玻璃纖維增強水泥細觀數(shù)值研究[J].深圳大學學報（理工版），2010（01）：103-108.

[3] 周敏，曹楊，李國忠.Y型聚丙烯纖維/硅灰對混凝土強度性能的影響[J].濟南大學學報（自然科學版），2008（1）：19-22.