尼龍纖維增強水泥砂漿性能的試驗研究

馬曉杰，吳　芳，李　鵬

(重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶　400045)

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尼龍纖維增強水泥砂漿性能的試驗研究

馬曉杰，吳芳，李鵬

(重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400045)

本文分析了尼龍纖維的不同體積摻量(0.05%，0.1%，0.2%，0.3%)及不同纖維長度(6mm，12mm，15mm，19mm)對水泥砂漿的抗折強度、抗壓強度、韌性(折壓比)及干縮性能的影響。結(jié)果表明，尼龍纖維的摻入能有效提高砂漿的抗折強度、折壓比及降低同齡期下的自由干縮率，但抗壓強度變化不很明顯，甚至有一定程度的降低。

砂漿； 尼龍纖維； 折壓比； 干縮率

1　引　言

普通水泥砂漿存在很多固有缺陷，比如脆性大、韌性差、凝結(jié)與硬化過程中收縮大、極限延伸率小等，這些都是水泥砂漿發(fā)展的制約因素，進而影響其在工程中的廣泛應(yīng)用。當前，國內(nèi)外學(xué)者一致認為在水泥基材料中摻入纖維是改善上述缺陷的有效手段。我國混凝土領(lǐng)域的著名專家、中國工程院院士吳中偉教授曾經(jīng)特別強調(diào)：水泥基材料向高性能發(fā)展的關(guān)鍵就是復(fù)合化，而纖維增強則是重中之重[1]。此外，纖維增強改性工藝簡單、效果顯著、成本低廉而被人們廣泛應(yīng)用[2],而且當其作為增強材料摻入砂漿中時，可以有效提高砂漿的抗拉強度、抗?jié)B性、減少砂漿在硬化過程中產(chǎn)生微裂紋并阻止其擴展，增加砂漿的斷裂韌性[3-5]。由此可見,研究纖維增強水泥砂漿對于研制高性能砂漿具有重大意義。

尼龍纖維的彈性模量較低、延性較高, 可有效提高水泥基材料的韌性,同時不影響和易性。其物化穩(wěn)定性好、抗腐蝕性能優(yōu)異，使得水泥基材料具有優(yōu)良的耐久性。與最常用的聚丙烯纖維相比，其抗拉強度要高出30%～50%，因此在摻量相同的前提下尼龍纖維的增強效果要優(yōu)于聚丙烯纖維。本試驗擬通過摻入不同摻量及長度的尼龍纖維來研究纖維摻量及纖維長度對尼龍纖維水泥砂漿力學(xué)性能及干縮性能的影響。

2　試　驗

2.1試驗原材料

水泥：產(chǎn)自重慶富煌水泥廠的42.5R普通硅酸鹽水泥；砂：本試驗所選用的砂為普通河砂，細度模數(shù)為2.5；減水劑：選用重慶科之杰新材料集團有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑(溶液)，減水率20%；尼龍纖維：美國杜邦尼龍纖維，直徑為23μm，長度為6mm、12mm、15mm、19mm，抗拉強度為900MPa，彈性模量為5.17GPa，密度為1.16g/cm3，熔點為224 ℃。

2.2試驗方法

抗折、抗壓強度與收縮率的測試均參照JGJ70-2009《建筑砂漿基本性能試驗方法》。

試驗選取的尼龍纖維長度分別為6mm、12mm、15mm、19mm，各長度纖維的體積摻量分別為0.05%、0.1%、0.2%、0.3%，具體方案如表1所示。其中基本砂漿配合比定為：水膠比=0.4，膠砂比=1∶2.5，減水劑摻量為水泥質(zhì)量的0.6%。采用水泥膠砂攪拌機攪拌砂漿, 先將水泥、砂和尼龍纖維放入攪拌機內(nèi)干拌2min,使纖維分散均勻,然后加入水和減水劑，再攪拌2min。

表1　試驗方案

3　結(jié)果與討論

3.1抗折強度試驗結(jié)果與分析

根據(jù)表1所列試驗方案，測試水泥砂漿3d和28d的抗折強度。

3.1.1纖維摻量對砂漿抗折強度的影響

圖1和圖2為纖維摻量對砂漿3d、28d抗折強度影響的曲線。

圖1和圖2表明，摻入尼龍纖維可以顯著提高砂漿的早期抗折強度。在3d齡期時，15mm長度纖維在摻量0.1%時砂漿的抗折強度達到最大值，比空白試樣提高了15.19%，之后隨著摻量的進一步增加抗折強度開始下降，摻量為0.2%和0.3%時分別比空白試樣提高了9.74%和4.44%。6mm、12mm、19mm這三種長度的纖維均在摻量為0.2%時砂漿的抗折強度達到最大值，分別比空白試樣提高了13.75%、10.17%、18.77%，之后隨著摻量的進一步增加抗折強度均開始下降。28d齡期時，抗折強度的變化不如3d明顯，對于四種長度的纖維，砂漿抗折強度都隨摻量的增加先上升后降低，其中6mm、15mm、19mm長度的纖維在摻量0.1%時達到峰值，比空白試樣分別提高了11.34%、10.26%、6.37%，之后隨著摻量的繼續(xù)增加砂漿抗折強度略微下降，摻量為0.2%時比空白試樣分別提高了6.69%、9.72%、5.29%。12mm長度纖維在摻量為0.2%時砂漿抗折強度達到峰值，比空白試樣提高了10.04%，之后隨著摻量進一步增加砂漿抗折強度急劇下降。這是因為砂漿的抗折強度和砂漿內(nèi)部的微裂縫有很大關(guān)系，摻入尼龍纖維后，由于纖維的三維亂向分布，抑制了微裂縫的形成與發(fā)展，從而提高了砂漿的抗折強度[6]。但是纖維摻量過大時，纖維難以均勻分布而結(jié)團，從而導(dǎo)致基體局部缺陷，纖維無法發(fā)揮橋接裂縫的作用而導(dǎo)致砂漿抗折強度下降[7]。由此可見，如果纖維摻量恰當，將會顯著提高砂漿的抗折強度，所以從提高砂漿抗折強度的角度出發(fā)，本試驗范圍內(nèi)各長度纖維的最佳摻量為0.2%。

圖1　纖維摻量對砂漿3 d抗折強度的影響Fig.1　Effect of fiber content on flexural strength of 3 d

圖2　纖維摻量對砂漿28 d抗折強度的影響Fig.2　Effect of fiber content on flexural strength of 28 d

3.1.2纖維長度對砂漿抗折強度的影響

圖3和圖4為纖維長度對砂漿3d、28d抗折強度影響的曲線。

圖3　纖維長度對砂漿3 d抗折強度的影響Fig.3　 Effect of fiber length on flexural strength of 3 d

圖4　纖維長度對砂漿28 d抗折強度的Fig.4　Effect of fiber length on flexural strength of 28 d

從圖3和圖4總體變化趨勢來看，在不同纖維水平摻量下，水泥砂漿抗折強度基本上隨著纖維長度的增加呈現(xiàn)出“波浪式”的變化規(guī)律，且在6mm和15mm長度下達到較為理想的增強效果。3d齡期時，6mm和15mm兩種長度纖維在四種摻量下，試件抗折強度基本相當，且較為理想。雖然在0.2%和0.3%兩種摻量下，19mm纖維砂漿的抗折強度比15mm有所提升，但摻量為0.05%和0.1%時，19mm纖維砂漿的抗折強度均有較大幅度下降。到28d齡期，在0.2%摻量下，抗折強度隨纖維長度變化相對平緩；而當纖維摻量為0.05%、0.1%和0.3%時，抗折強度隨著纖維長度的增加呈現(xiàn)出明顯的“波浪形”變化趨勢，且分別在長度為6mm和15mm時，抗折強度達到較大值。綜上所述，從提高砂漿抗折強度方面考慮，最適宜的纖維長度為6mm和15mm。

3.2抗壓強度試驗結(jié)果與分析

根據(jù)表1所列試驗方案，測試水泥砂漿3d和28d的抗壓強度。

3.2.1纖維摻量對砂漿抗壓強度的影響

圖5和圖6為纖維摻量對砂漿3d、28d抗壓強度影響的曲線。

從圖5和圖6的變化趨勢可以看出，各長度纖維在不同摻量下對砂漿抗壓強度提高的貢獻微乎其微，甚至在28d齡期時表現(xiàn)出較為顯著的負面影響。3d齡期時，長度為15mm和19mm的纖維對砂漿抗壓強度的提高相對明顯，分別在0.1%和0.2%的摻量達到峰值，但相對空白試件僅僅提高了5.23%和8.52%，而其余試件的抗壓強度基本都小于空白組。齡期為28d時，試件抗壓強度的下降更為明顯，雖然摻量增加到0.3%時，四種長度纖維砂漿的抗壓強度均有一定程度的增加，但6mm和19mm長度的纖維砂漿抗壓強度仍低于空白組，另外兩種長度的纖維砂漿也僅僅比空白組提高了1.71%和6.14%。因此，綜合來看，尼龍纖維對水泥砂漿的抗壓強度起到的是負面影響，從提高砂漿抗壓強度的角度出發(fā)，不建議摻入尼龍纖維。這是因為尼龍纖維的彈模遠低于水泥砂漿，因此摻入之后會降低砂漿的抗壓強度；其次，將尼龍纖維摻入砂漿后，會在纖維與砂漿之間產(chǎn)生薄弱界面；最后，摻入尼龍纖維，會增加砂漿的含氣量，這也導(dǎo)致砂漿抗壓強度的下降[8]。

圖5　纖維摻量對砂漿3 d抗壓強度的影響Fig.5　Effect of fiber content on compressive strength of 3 d

圖6　纖維摻量對砂漿28 d抗壓強度的影響Fig.6　Effect of fiber content on compressive strength of 28 d

3.2.2纖維長度對砂漿抗壓強度的影響

圖7和圖8為纖維長度對砂漿3d、28d抗壓強度影響的曲線。

圖7　纖維長度對砂漿3 d抗壓強度的影響Fig.7　Effect of fiber length on compressive strength of 3 d

圖8　纖維長度對砂漿28 d抗壓強度的影響Fig.8　Effect of fiber length on compressive strength of 28 d

圖7和圖8顯示了尼龍纖維水泥砂漿在四種纖維摻量下3d和28d抗壓強度隨纖維長度的變化規(guī)律。整體來看，對于各個水平摻量，隨纖維長度的增加，砂漿抗壓強度的提高并不明顯，多數(shù)試件的抗壓強度都不及空白組，有的甚至遠遠低于空白組。

3.3折壓比試驗結(jié)果與分析

砂漿的折壓比，即抗折強度與抗壓強度的比值，用來反映砂漿的另一個重要指標—韌性，折壓比與韌性成正相關(guān)[9]。根據(jù)前面做出的抗折強度與抗壓強度數(shù)據(jù)繪制出纖維摻量及纖維長度對砂漿3d、28d折壓比影響的曲線，如圖9～12。

3.3.1纖維摻量對砂漿折壓比的影響

圖9　纖維摻量對砂漿3 d折壓比的影響Fig.9　Effect of fiber content on flexural-compressive ratio of 3 d

圖10　纖維摻量對砂漿28 d折壓比的影響Fig.10　Effect of fiber content on flexural-compressive ratio of 28 d

圖9和圖10表明，四種長度的纖維隨著摻量的增加，砂漿的折壓比都呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，即都存在一個峰值。3d齡期時，四種長度的纖維隨著摻量的增加，砂漿的折壓比均成逐漸上升趨勢，當纖維摻量達到0.2%時，6mm、12mm、15mm、19mm這四種長度纖維砂漿的折壓比均達到峰值，分別比空白試件高了26.84%、21.58%、18.42%、9.47%，當纖維摻量繼續(xù)增加到0.3%時，四種長度纖維砂漿的折壓比均比之前有所降低，但仍高于空白試件。28d齡期時，12mm和19mm兩種長度的纖維在摻量為0.1%時砂漿的折壓比達到峰值，分別比空白試件高了14.29%、20.88%；6mm和15mm兩種長度的纖維在摻入量為0.2%時砂漿的折壓比達到峰值，分別比空白試件提高了28.02%、19.78%，除了12mm長度纖維在摻量0.05%時折壓比低于空白組，其余試件的折壓比均高于空白組。由以上分析可知，對于砂漿的折壓比而言，本試驗范圍內(nèi)各長度纖維的最佳摻量為0.1%和0.2%。

圖11　纖維長度對砂漿3 d折壓比的影響Fig.11　Effect of fiber length on flexural-compressive ratio of 3 d

圖12　纖維長度對砂漿28 d折壓比的影響Fig.12　Effect of fiber length on flexural-compressive ratio of 28 d

從圖11和圖12可以看出，在各個纖維摻量下，水泥砂漿3d折壓比基本上隨著纖維長度的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，而28d的折壓比隨著纖維長度的增加呈現(xiàn)出“波浪式”的變化規(guī)律。對于3d齡期而言，0.05%、0.1%、0.2%這三種水平摻量當纖維長度為6mm時，砂漿的折壓比均達到峰值，之后隨著纖維長度的增加，折壓比逐漸降低；摻量為0.3%時，雖然砂漿折壓比的最大值出現(xiàn)在15mm處，但纖維長度為6mm時砂漿折壓比依然比空白組高了6.32%。28d齡期時，四種水平摻量的纖維，在纖維長度為6mm時，砂漿均表現(xiàn)出了較高的折壓比。綜上，從纖維長度方面考慮，砂漿折壓比最適宜的纖維長度為6mm。

3.4自由干縮試驗結(jié)果與分析

根據(jù)表1中的試驗方案及JGJ70-2009《建筑砂漿基本性能試驗方法》成型砂漿試件，分別測試試件的初始長度以及3d、7d、14d、28d的長度，再計算出每組試件對應(yīng)的干縮率。圖13～20為不同纖維摻量及不同纖維長度砂漿干縮率隨齡期變化的曲線。

圖13　纖維長度為6 mm時不同纖維摻量砂漿收縮率隨齡期變化的曲線Fig.13　Curve of shrinkage rate of different content fiber reinforced mortar over age changes when the fiber length is 6 mm

圖14　纖維長度為12 mm時不同纖維摻量砂漿收縮率隨齡期變化的曲線Fig.14　Curve of shrinkage rate of different content fiber reinforced mortar over age changes when the fiber length is 12 mm

圖15　纖維長度為15 mm時不同纖維摻量砂漿收縮率隨齡期變化的曲線Fig.15　Curve of shrinkage rate of different content fiber reinforced mortar over age changes when the fiber length is 15 mm

圖16　纖維長度為19 mm時不同纖維摻量砂漿收縮率隨齡期變化的曲線Fig.16　Curve of shrinkage rate of different content fiber reinforced mortar over age changes when the fiber length is 19 mm

從圖13～20可以看出，尼龍纖維的摻入可以大大提高砂漿的抗干縮性能。摻入尼龍纖維的砂漿在各個齡期下的干縮率都小于空白試件，且隨著齡期的增加這種差別越來越明顯。由圖13～16可以看出，不管是哪種長度的纖維，在同一齡期下，干縮率均隨著摻量的增加而減??；從圖17～20可以看出，不管纖維以何種水平摻量摻入，在同一齡期下，干縮率基本上隨著纖維長度的增加而減小。因此，從改善砂漿干縮率方面考慮，最佳的纖維摻量為0.3%，最佳纖維長度為19mm。但是，如果纖維摻量過高、長度過長，將增加纖維均勻分布的難度，容易在砂漿中形成新的薄弱區(qū)域，且導(dǎo)致新拌砂漿施工和易性差，因此最終確定尼龍纖維的適宜摻量為0.2%、長度為15mm。

加入尼龍纖維可以減小砂漿的干縮率，原因有以下幾點：首先加入的纖維可以擠壓甚至堵塞砂漿內(nèi)部的毛細管，有效遏制了毛細管內(nèi)部的水分遷移，減少了水分的散失，大大降低了毛細管失水形成的張力，即使有一定的收縮應(yīng)力，尼龍纖維也可以起到很好的傳遞應(yīng)力的作用[10,11]。其次，由于尼龍纖維的彈性模量較低，加入到水泥砂漿后，會降低硬化砂漿的彈性模量，從而減小了砂漿內(nèi)部的收縮應(yīng)力。最后，加入的纖維可以有效抑制微裂縫的形成和發(fā)展[12]。這些綜合因素導(dǎo)致了尼龍纖維砂漿的干縮率減小。

圖17　纖維摻量為0.05%時不同長度纖維增強砂漿的收縮率隨齡期變化的曲線 Fig.17　Curve of shrinkage rate of different length fiber reinforced mortar over age changes when the fiber content is 0.05%

圖18　纖維摻量為0.1%時不同長度纖維增強砂漿的收縮率隨齡期變化的曲線Fig.18　Curve of shrinkage rate of different length fiber reinforced mortar over age changes when the fiber content is 0.1%

圖19　纖維摻量為0.2%時不同長度纖維增強砂漿的收縮率隨齡期變化的曲線Fig.19　Curve of shrinkage rate of different length fiber reinforced mortar over age changes when the fiber content is 0.2%

圖20　纖維摻量為0.3%時不同長度纖維增強砂漿的收縮率隨齡期變化的曲線Fig.20　Curve of shrinkage rate of different length fiber reinforced mortar over age changes when the fiber content is 0.3%

4　結(jié)　論

(1)尼龍纖維對砂漿抗折強度有著明顯的增強作用，特別是3d強度增強效果尤為顯著。對于砂漿的抗折強度而言，本試驗范圍內(nèi)尼龍纖維的最佳摻量為0.2%，最適宜的纖維長度為6mm和15mm；

(2)尼龍纖維對砂漿抗壓強度提高的貢獻微乎其微，甚至表現(xiàn)出較為顯著的負面影響。從提高砂漿抗壓強度的角度出發(fā)，不建議摻入尼龍纖維；

(3)尼龍纖維對于提高砂漿的折壓比(韌性)效果顯著，最佳摻量為0.1%和0.2%，適宜的纖維長度為6mm；

(4)尼龍纖維對提高砂漿的抗干縮性能作用非常明顯。摻入尼龍纖維的砂漿在各個齡期下的干縮率都小于空白試件，且隨著齡期的增加這種差別越來越明顯。在改善砂漿干縮率這一方面，考慮到纖維分散均勻、施工和易性等因素，確定尼龍纖維的適宜摻量為0.2%、長度為15mm。

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PropertiesofNylonFiberReinforcedCementMortar

MA Xiao-jie,WU Fang,LI Peng

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering，ChongqingUniversity，Chongqing400045，China)

Theeffectofdifferentvolumecontentofnylonfiber(0.05%, 0.1%, 0.2%, 0.3%)anddifferentfiberlength(6mm, 12mm, 15mm, 19mm)onflexuralstrength,compressivestrength,toughness(flexural-compressiveratio)andshrinkagerateofcementmortarwereanalyzed.Thetestresultsshowedthatnylonfibercouldimprovetheflexuralstrengthandflexural-compressiveratioofcementmortareffectively.Apartfromthis,nylonfibercouldreducetheshrinkageratioofmortarunderthesameage.Butithadlittleeffectonthecompressivestrength,evenhadacertaindegreeofreduction.

mortar;nylonfiber;flexural-compressiveratio;shrinkagerate

馬曉杰(1990-)，男，碩士研究生.主要從事纖維增強砂漿的配制及其性能方面的研究.

TQ172

A

1001-1625(2016)01-0328-08