新型砂漿防火抗裂特性研究

陳婷萍 李翠紅 陳 薇 榮欣妍 夏 晨 吳心慧 宋運(yùn)龍

Equipment technology 裝備技術(shù)

新型砂漿防火抗裂特性研究

陳婷萍 李翠紅 陳 薇 榮欣妍 夏 晨 吳心慧 宋運(yùn)龍

（紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000）

在水泥砂漿中摻加一定量的聚丙烯纖維，將制備完成的纖維改性水泥砂漿（新型水泥砂漿）試樣同普通水泥砂漿試樣在常溫下養(yǎng)護(hù)至7d、28d后，經(jīng)歷高溫2小時(shí)分別對(duì)其進(jìn)行軸壓試驗(yàn)與抗折試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，綜合評(píng)判新型水泥砂漿的防火抗裂性能。研究結(jié)果表明：在高溫作用下，新型水泥砂漿的抗裂性能因其內(nèi)部摻加的聚丙烯作用而表現(xiàn)出明顯的改善與提高。

聚丙烯纖維；軸壓試驗(yàn)；高溫；抗裂性能

0 引言

水泥復(fù)合型材料由于其價(jià)格低廉、能耗低和易塑造等優(yōu)點(diǎn)廣受建材市場(chǎng)青睞。塑性收縮是水泥砂漿成型后的早期特性之一，在受到約束時(shí)會(huì)形成內(nèi)部或表面裂縫,抗塑性開(kāi)裂性能差、抗拉強(qiáng)度低，在高溫環(huán)境下應(yīng)用時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生較為明顯的破壞，進(jìn)而影響建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定和使用壽命。因此對(duì)高溫環(huán)境下水泥砂漿的性能改善研究十分必要。

早在上個(gè)世紀(jì)中葉，國(guó)內(nèi)外就已經(jīng)有學(xué)者開(kāi)始了在水泥砂漿中摻加高強(qiáng)度、高柔韌性材料以彌補(bǔ)其性能缺陷的試驗(yàn)，并且相關(guān)研究已經(jīng)獲得了一些成績(jī)。1893年在歐洲，由特里諾瓦首先申請(qǐng)飾面新型水泥砂漿的生產(chǎn)專利，新型水泥砂漿這一名詞由此出現(xiàn)。圓環(huán)法最早于 1942 年由 Roy W.Carlson 提出，用以研究砂漿和水泥凈漿的抗裂性，從此被廣泛采用[1]。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于新型水泥砂漿的研究現(xiàn)狀的了解，我們發(fā)現(xiàn)針對(duì)新型砂漿的力學(xué)性能已經(jīng)有著大量的研究，其中表明了聚合物的摻入，可以有效改善砂漿拌和物的粘聚性、保水性，減小了砂漿的開(kāi)裂[2~4]，比如憎水劑的摻入能夠有效減少砂漿的壓折比和毛細(xì)管吸水率[5]，即在新型水泥砂漿的摻加物對(duì)其性能的影響及一些特殊狀態(tài)下水泥砂漿的性能有著深入研究。這些研究表明了工程應(yīng)用的新型水泥砂漿具有較優(yōu)越的抗裂性能，能承受相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間段的荷載和侵蝕作用，力學(xué)性能通常能滿足常規(guī)工程需要[6]，但對(duì)特殊情況即高溫環(huán)境下新型砂漿防火抗裂性能的研究尚不完善，本文基于此進(jìn)行了探討研究，通過(guò)對(duì)高溫環(huán)境下新型水泥砂漿防火抗裂性能的試驗(yàn)研究來(lái)模擬混凝土建筑、地鐵站結(jié)構(gòu)物等表層水泥砂漿在高溫火災(zāi)作用下的力學(xué)特性，評(píng)估其在火災(zāi)后是否需要更換或重建，以減少經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。

1 試驗(yàn)概況

2 原材料

1)水泥。采用PO水泥 42.5普通硅酸鹽水泥，其性能列于表1。

2)聚丙烯纖維。其物理力學(xué)性能列于表2。

3)砂。優(yōu)質(zhì)河砂，細(xì)度模數(shù)為2.5的中砂。

4)水。拌合水為普通自來(lái)水。

表1 聚丙烯纖維的物理力學(xué)性能

3 試樣制備

設(shè)置對(duì)比實(shí)驗(yàn)組，主要考慮聚丙烯纖維摻量和環(huán)境溫度兩個(gè)變量，砂漿配合比，水泥：砂：水為1：7.25：1.27，分別設(shè)定養(yǎng)護(hù)齡期為 7d、28d；試驗(yàn)總共分為8組，每組制備6個(gè)水泥砂漿試樣，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升溫曲線選定最終溫度為800℃，具體實(shí)驗(yàn)分8組。

4 試驗(yàn)方法

本課題擬研究的主要問(wèn)題是考察纖維改性水泥砂漿（新型水泥砂漿）試樣在高溫環(huán)境下防火抗裂性能的優(yōu)越性。

試驗(yàn)室將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)7d、28d的試件放入溫度為20±3℃左右的水中浸泡48h，之后取出試件擦干并稱重。將編號(hào)為2、4、6、8的試件放入STYH-80型智能養(yǎng)護(hù)室控制儀中，溫度上調(diào)至300℃，500℃，最后升至800℃左右，2小時(shí)取出進(jìn)行冷卻，待試樣冷卻至室溫，對(duì)試樣的表面進(jìn)行觀察。最后將高溫作用后的試件與其他試件同時(shí)進(jìn)行力學(xué)測(cè)試。利用 STYE-300C水泥全自動(dòng)抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)分別進(jìn)行軸壓試驗(yàn)與抗折試驗(yàn)，直至試件破壞。記錄各組試件對(duì)應(yīng)的開(kāi)裂荷載和開(kāi)裂應(yīng)變、破壞荷載和破壞應(yīng)變，按照加權(quán)平均法，計(jì)算出每組試件的平均抗壓強(qiáng)度值，并根據(jù)記錄數(shù)據(jù)畫(huà)出單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。記錄水泥砂漿試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)精確至0.1MPa。對(duì)比普通水泥砂漿和纖維改性水泥砂漿(新型水泥砂漿)兩類試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，對(duì)新型水泥砂漿的防火抗裂性能進(jìn)行綜合評(píng)判。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

6 試樣高溫作用前后表觀特征

經(jīng)歷高溫作用后，普通水泥砂漿和纖維改性水泥砂漿試樣普遍表現(xiàn)出如下的表觀特征變化。

表4 無(wú)摻加水泥砂漿試樣高溫作用前后表觀特征

具體的水泥試樣破壞形態(tài)則因?yàn)榫郾├w維的摻加而有所不同。試驗(yàn)中觀察到普通水泥砂漿試件發(fā)生了脆性破壞，形成了橫貫試件的裂縫，導(dǎo)致試件斷成兩截。纖維改性水泥砂漿試件被破壞時(shí)，產(chǎn)生一條沒(méi)有貫穿整體的裂縫,基體在纖維的作用下仍保持為一個(gè)整體，纖維改性水泥砂漿在試驗(yàn)中表現(xiàn)出一定的韌性。

7 新型水泥砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度

根據(jù)平行試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)每組力學(xué)測(cè)試得到的5個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性取舍，再使用加權(quán)平均法處理。試驗(yàn)得到的各組別水泥砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度數(shù)據(jù)見(jiàn)下圖2。

圖2中，不同養(yǎng)護(hù)齡期的水泥砂漿試件，其單軸抗壓強(qiáng)度都呈現(xiàn)出隨著溫度升高而降低的總體趨勢(shì)，因?yàn)樵?0-800℃的升溫過(guò)程中,試件內(nèi)部組分發(fā)生了熱膨脹,有利于生成孔隙和促進(jìn)裂縫發(fā)生，而在不同溫度作用下，水泥砂漿試件呈現(xiàn)出不一致的反應(yīng)，在300℃~500℃的溫度區(qū)間上，試件的抗壓強(qiáng)度發(fā)生大幅度地降低，是由于試塊內(nèi)部裂縫的不斷形成與相互連通，由細(xì)小裂縫向宏觀裂縫發(fā)展，導(dǎo)致水泥砂漿試塊抗壓性能的較大衰減。圖中可以看出養(yǎng)護(hù)齡期較長(zhǎng)的水泥砂漿試塊，其抗壓性能也相應(yīng)較優(yōu)越。在由常溫至預(yù)設(shè)的800℃過(guò)程中，相同齡期下，摻加了聚丙烯纖維的水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度普遍高于普通水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度，因此可以得出纖維改性水泥砂漿較普通水泥砂漿在抗壓強(qiáng)度上具有明顯的優(yōu)越性。

圖1 各組別水泥砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度

圖2 水泥砂漿的抗折強(qiáng)度——溫度曲線圖

圖3是水泥砂漿的抗折強(qiáng)度——溫度曲線圖，從該圖總體趨勢(shì)上來(lái)看，各組別試件的抗折強(qiáng)度曲線都是向下傾斜的，表現(xiàn)出水泥砂漿試塊的抗折性能隨著溫度上升明顯衰減，至預(yù)設(shè)的最高溫度800℃時(shí)抗折強(qiáng)度已接近于0,此時(shí)的水泥砂漿試塊表面呈灰白色，已有明顯裂縫產(chǎn)生且冷卻后自然松散，已喪失基本的力學(xué)性能，不可以作為建筑材料繼續(xù)使用。在整個(gè)升溫過(guò)程中，以7d齡期的普通水泥砂漿試件為例（比對(duì)不同組別的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其抗折強(qiáng)度變化總體趨勢(shì)是-致的），其抗折強(qiáng)度在300℃~500℃的區(qū)間上下降67.2%，表現(xiàn)出與抗壓強(qiáng)度相比，抗折強(qiáng)度對(duì)裂紋發(fā)生的反應(yīng)更大；而500℃~800℃范圍內(nèi)，抗折強(qiáng)度下降幅度則較小。同時(shí)圖3中表現(xiàn)了新型水泥砂漿試塊的抗折強(qiáng)度數(shù)值較普通水泥砂漿顯著提高，體現(xiàn)出其優(yōu)越性。

8 結(jié)論

1）隨著受火溫度升高，試件表觀特征有明顯變化，其表面顏色由灰色逐漸過(guò)渡成灰白色(偏白），同時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)裂紋，到達(dá)預(yù)設(shè)溫度800℃時(shí)，試件表面有明顯裂紋，并且試件的疏松程度不斷增加。

2）在升溫的全過(guò)程中，水泥砂漿的抗壓與抗折強(qiáng)度隨溫度上升而明顯降低。且在800℃的高溫作用后，高齡期的水泥砂漿試件抗壓、抗折性能發(fā)生了大幅度的衰減，強(qiáng)度變化量較大，較普通水泥砂漿更容易發(fā)生內(nèi)部的結(jié)構(gòu)破壞。

3）同一溫度下，新型水泥砂漿（聚丙烯改性水泥砂漿），其抗壓強(qiáng)度因纖維的加入而有明顯的提高，同時(shí)其抗折強(qiáng)度也較普通水泥砂漿有所增加，且纖維的加入對(duì)于試塊的抗折強(qiáng)度的提高作用相對(duì)值高于抗壓強(qiáng)度。

4）在試件應(yīng)力－應(yīng)變曲線接近峰值應(yīng)力時(shí)，試件即將發(fā)生破壞。水泥砂漿試件發(fā)生破壞前應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化規(guī)律可為評(píng)估混凝土建筑、地鐵站結(jié)構(gòu)物等在高溫火災(zāi)作用后其是否需要更換或重建提供參考。

[1]W. Dong,X.M. Zhou,Z.M. Wu,H. Luo,G. Kastiukas. Quantifying the influence of elliptical ring geometry on the degree of restraint in a ring test[J]. Computers and Structures,2017.

[2]S.Goldfein.Fibrous reinforcement for Portland cement [J].Modern Plastics.1965,42(8):156-160.

[3]R.F.Zollo. Collated fibrillated polypropylene fibers in FRC[J]. Fiber reinforcedConcrete International Symposium. ACI Special Publication. 1984:397-409.

[4]田雪瑩,張亞寧,趙乾百,于曉莎.談三種纖維應(yīng)用于抗裂砂漿的性能差異[J].山西建筑,2018,44(24):78-79.

[5]陳曉業(yè). 憎水劑對(duì)水泥砂漿力學(xué)性能和吸水性能的影響[A]. 第二屆全國(guó)商品砂漿學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C].中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)房材分會(huì)、中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)水泥分會(huì)、中國(guó)建筑學(xué)會(huì)建筑材料分會(huì)、中國(guó)建筑業(yè)協(xié)會(huì)材料分會(huì):中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì),2007:7.

[6]王來(lái)貴,陳強(qiáng),潘紀(jì)偉,張陽(yáng),劉雨琳.聚丙烯纖維增強(qiáng)水泥砂漿力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報(bào),2017,36(03):870-877.

陳婷萍（1999.02- ），女，漢族，浙江省紹興市，大學(xué)本科，紹興文理學(xué)院本科學(xué)習(xí)，研究方向：土木工程新型材料。

K928

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1007-6344（2021）01-0055-02