改性聚丙烯纖維增強磷酸鎂水泥砂漿的力學性能研究

唐建明，李劍，石磊

（重慶建工第二建設(shè)有限公司，重慶400045）

改性聚丙烯纖維增強磷酸鎂水泥砂漿的力學性能研究

唐建明，李劍，石磊

（重慶建工第二建設(shè)有限公司，重慶400045）

增強磷酸鎂水泥砂漿（MPCM）的抗彎韌性有利于促進其在混凝土路面修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用。為了增強MPCM的抗彎韌性，對比研究了未處理和硅烷偶聯(lián)劑預(yù)處理的聚丙烯纖維對MPCM抗彎韌性的影響，分析了預(yù)處理聚丙烯纖維增韌MPCM的機制。結(jié)果表明，聚丙烯纖維質(zhì)量摻量0.4%時，MPCM7d抗折強度增大23.5%；6-10mm聚丙烯纖維有利于提高MPCM的抗壓強度，而10-19mm聚丙烯纖維更有利于提高MPCM的抗折強度；未處理聚丙烯纖維與磷酸鎂水泥（MPC）水化產(chǎn)物之間為物理作用，聚丙烯纖維并未充分發(fā)揮增韌效果；用濃度20%的硅烷偶聯(lián)劑溶液改性處理30～60min有利于改善聚丙烯纖維與MPC水化產(chǎn)物的界面粘結(jié)，使MPC水化產(chǎn)物和預(yù)處理后的聚丙烯纖維產(chǎn)生嵌合作用，顯著地增強了MPCM的抗彎韌性。

磷酸鎂水泥砂漿（MPCM）；聚丙烯纖維；抗彎韌性；力學性能；表面改性

磷酸鎂水泥砂漿（MPCM）具有凝結(jié)硬化快、早期強度高、體積穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點，在混凝土路面病害快速修復(fù)和混凝土結(jié)構(gòu)加固等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-4]。但是MPCM具有明顯脆性[5-6]，抗彎韌性較差，制約了MPCM在混凝土路面病害快速修復(fù)中的應(yīng)用。因此，研究人員通過摻加聚合物乳液或纖維改善MPCM的抗彎韌性。

聚合物乳液可以改善MPCM的抗彎韌性，但是會導(dǎo)致MPCM各齡期力學性能和工作性能顯著降低[7-8]。鋼纖維對混凝土具有較好增韌效果[9]，但會嚴重影響MPCM操作性和工作性，同時也導(dǎo)致其表觀密度顯著增大。碳纖維彈性模量高，可以顯著改善MPCM的韌性，但其價格昂貴，難以在混凝土路面病害修復(fù)工程中大規(guī)模應(yīng)用。與上述增韌材料相比，聚丙烯纖維價格低，質(zhì)量輕，較易分散，且抗拉強度和彈性模量高，因而在混凝土工程中應(yīng)用較為廣泛。摻加適量聚丙烯纖維不會對MPCM的抗壓強度和工作性產(chǎn)生不利影響，也不會增加MPCM的表觀密度[10-12]。因此，本文采用聚丙烯纖維來改善磷酸鎂水泥砂漿（MPCM）的力學性能，尤其是抗彎韌性，并探討PPF表面改性對MPCM力學性能和抗彎韌性的影響。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

重燒氧化鎂比表面積230m2/kg，化學組分見表1。工業(yè)級磷酸二氫銨：純度≥99%，pH值為4.0～4.5，硼砂純度≥95%，性能指標符合《工業(yè)十水合四硼酸二鈉》GB/T537-2007一等品要求；聚丙烯纖維（PPF）：直徑0.042mm，抗拉強度400MPa，彈性模量3500MPa，密度0.91g/cm3，長度分別為3，6，12，19mm；天然中砂：水洗后烘干，細度模數(shù)2.7。硅烷偶聯(lián)劑，β甲氧基乙氧基硅烷（牌號A-172）：色譜純度不小于98%，密度1.035 g/cm3；拌合用水為自來水。

1.2 試驗方法

表1 重燒MgO化學成分（XRF）

MPCM配合比：重燒氧化鎂（M）與磷酸二氫銨（P）質(zhì)量比為4∶1，硼砂（B）摻量為重燒氧化鎂質(zhì)量的12%，水膠比為W/（M+P+B）=0.16，MPC基體28d抗壓強度60～70MPa；中砂（S）摻量M+P+B=0.5S，即MPC與中砂的質(zhì)量比為1∶2；PPF摻量為質(zhì)量摻量，按照原材料質(zhì)量比PPF/（M+P+B）計算，摻量范圍0.2%～1.0%。

MPCM試件成型：將重燒氧化鎂、磷酸二氫銨、硼砂和中砂干拌3min，然后加入PPF攪拌均勻；加水慢速攪拌10s后快速攪拌3min，然后澆筑成型40mm×40mm×160mm的試件；試件放置在溫度20±2℃，相對濕度60%～80%的室內(nèi)養(yǎng)護。

力學性能測試：MPCM抗壓和抗折強度參照《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》GB/T 17671—1999，待MPCM試件養(yǎng)護到相應(yīng)齡期后測定。

PPF表面改性：在不同濃度硅烷偶聯(lián)劑溶液中放置一定時間后取出，在40℃烘箱中晾干后待用。

圖1 PPF對MPCM抗壓強度的影響

2 結(jié)果與討論

2.1 PPF摻量對MPCM抗壓強度的影響

首先研究了PPF摻量對MPCM抗壓強度的影響。由于MPCM的抗壓強度增長主要在7d齡期以前，此后MPCM抗壓強度增長緩慢，因此主要測試了PPF摻量對MPCM的2h、1d和7d抗壓強度的影響，結(jié)果見圖1。

根據(jù)圖1，隨著PPF摻量增加，MPCM各齡期的抗壓強度均比未摻加PPF時有所增加，尤其是PPF摻量達到0.6%以后，MPCM的2h和1d抗壓強度顯著增長。以6mmPPF為例，PPF摻量0.6%時，MPCM的2h、1d和7d抗壓強度分別比未摻加PPF的同齡期的MPCM試件增長28.9%、12.8%、6.0%。PPF摻量0.4%～0.8%時更有利于提高MPCM的抗壓強度。然而，當PPF摻量增加到1.0%時，摻加12mm和19mmPPF的MPCM的抗壓強度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。

除了摻量，PPF長度也會對MPCM的抗壓強度產(chǎn)生影響。根據(jù)圖1，長度6mm的PPF更有利于提高MPCM的2h、1d和7d抗壓強度，其次是長度3mmPPF。而摻加長度12mm和19mm的PPF時，隨著PPF摻量的增加，抗壓強度的增長幅度明顯小于摻加6mmPPF的MPCM，PPF摻量較高時甚至還導(dǎo)致MPCM抗壓強度下降。這主要是由于隨著長度增加，PPF在MPCM基體中分散性降低，PPF分散不均勻?qū)е翸PCM基體產(chǎn)生更多缺陷，導(dǎo)致MPCM抗壓強度逐漸降低。

2.2 PPF摻量對MPCM抗折強度的影響

由于MPCM的抗壓強度很高，摻加PPF的主要目的是提高MPCM的抗折強度，從而增強其抗彎韌性。PPF對MPCM的2h、1d和7d抗折強度的影響見圖2。

根據(jù)圖2，PPF摻量0.2%時，PPF長度對MPCM抗折強度的影響無顯著差異；PPF摻量0.4%時，長度12mmPPF對MPCM抗折強度的增強作用更為顯著；PPF摻量達到0.6%時，長度12mm和19mm的PPF對MPCM抗折強度增強效果最好。12mmPPF摻量為0.6%時，MPCM的2h、1d和7d抗折強度相比于未摻加PPF時分別增大了60.0%，43.3%和36.5%。PPF摻量較少時，PPF的分散性相對較好，長度較大的PPF更容易相互搭接形成網(wǎng)絡(luò)，在彎曲力作用下，長纖維從MPCM基體中拔出時消耗的能量更大，因此PPF摻量較小時長纖維增強MPCM抗折強度的效果較好。隨著PPF摻量增加，19mmPPF由于分散更為困難，對MPCM抗折強度的增強效果不顯著，且會導(dǎo)致MPCM流動性顯著降低；采用3mmPPF時，雖然短纖維分散較為容易，但是難以形成良好搭接網(wǎng)絡(luò)，MPCM抗折強度增長幅度相對較小；相比較而言，12mm長PPF更有利于提高抗折強度。綜合考慮PPF摻量對MPCM制備成本以及力學性能和工作性的影響，宜選用長度3～12mm的PPF混雜，適宜摻量為0.4%～0.6%。

圖2 PPF對MPCM抗折強度的影響

2.3 表面處理PPF對MPCM力學性能的影響

PPF可以顯著提高MPCM的抗折強度，但是MPCM試件彎曲斷裂斷面上的PPF基本為脫黏拔出，PPF表面看不到粘附或包裹MPC水化產(chǎn)物，說明PPF和MPCM基體之間主要依靠物理作用，而這種物理作用也造成PPF不能充分發(fā)揮其增韌效果。

為了改善PPF與MPCM基體的界面粘結(jié)，論文采用硅烷偶聯(lián)劑對PPF進行表面處理，希望能有效發(fā)揮PPF的增韌效果，與其他表面處理方式相比，采用硅烷偶聯(lián)劑處理不會對PPF本體產(chǎn)生損傷，同時處理后的PPF可以直接摻加到砂漿或混凝土中，無需清洗等后處理措施。制備MPCM試件時，3mm、6mm和12mm的PPF按照質(zhì)量比1∶1∶1混雜，采用混雜PPF后，當PPF質(zhì)量摻量為0.6%時，MPCM不同齡期抗壓和抗折強度比摻加單一長度PPF時提高幅度為5%～15%。

2.3.1 改性溶液濃度的影響

選用濃度從5%～50%的硅烷偶聯(lián)劑溶液，溫度為20±1℃，浸泡時間60min，研究浸泡溶液濃度PPF對MPCM抗彎韌性的影響（用折壓比反映抗彎韌性雖然不夠全面，但是測試方法更簡單），試驗結(jié)果見表2。

表2 PPF預(yù)處理溶液濃度對MPCM抗彎韌性的影響

根據(jù)表2，隨著硅烷偶聯(lián)劑水溶液濃度的升高，MPCM試件各齡期壓折比逐漸降低；當濃度超過40%后，MPCM的壓折比反而有所增大；PPF表面處理時，硅烷偶聯(lián)劑適宜濃度為20%～30%，適度提高表面處理溶液濃度，有利于改善MPCM的抗彎韌性。摻加經(jīng)過濃度20%的硅烷偶聯(lián)劑水溶液浸泡60min的PPF，與摻加未處理PPF時相比，MPCM試件的2h、1d和7d抗折強度分別提高27.3%、16.7%和13.5%，說明摻加經(jīng)過較高濃度的硅烷偶聯(lián)劑預(yù)處理的PPF后，既可以提高MPCM的抗壓強度，也可以顯著增強MPCM的抗彎韌性。

2.3.2 改性溶液浸泡時間的影響

采用20%硅烷偶聯(lián)劑溶液浸泡PPF，溫度為20±1℃，研究PPF浸泡時間對MPCM抗壓和抗折強度的影響，試驗結(jié)果見表3。

表3 PPF預(yù)處理時間對MPCM抗彎韌性的影響

根據(jù)表3，采用表面處理的PPF，當處理時間為60min時，MPCM試件的折壓比達到最小值；相比于摻加未處理PPF的試件，摻加預(yù)處理PPF的MPCM試件的2h、1d和7d抗折強度的增長幅度分別為26%、16.9%和15.8%。隨著PPF在預(yù)處理溶液中浸泡時間的延長，MPCM的抗壓和抗折強度表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，表明在預(yù)處理溶液中浸泡時間過長反而不利于發(fā)揮PPF的增韌效果。因此PPF在預(yù)處理溶液中浸泡時間宜為30～60min。

3 結(jié)論

（1）摻加未處理PPF雖然可以顯著增強MPCM的抗折強度，但是試件斷裂時，PPF大多被整體拔出，MPCM水化產(chǎn)物與PPF之間主要是物理作用，PPF尚未充分發(fā)揮增韌作用。

（2）PPF長度對MPCM抗壓和抗折強度的影響有所差異，摻加3～6mm的PPF有利于改善MPCM的抗壓強度，而摻加6～12mm的PPF有利于改善MPCM的抗折強度，摻加3～12mm的混雜PPF更有利于提高MPCM力學性能。

（3）在濃度20%的硅烷偶聯(lián)劑水溶液中浸泡30～60min的PPF可以顯著增強MPCM的抗折強度和抗彎韌性，MPCM壓折比顯著降低。

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責任編輯：孫蘇，李紅

Study on Mechanical Properties of Modified Polypropylene Fibers Reinforced Magnesium Phosphate Cement Mortar

The flexuraltoughness ofmagnesium phosphate cementmortar（MPCM）can boostits application in reinforcing and repairing concrete structure.To toughen MPCM,the effects of untreated and pretreated PPF on the mechanicalproperties of MPCMare studied,with the toughening mechanism of PPF analyzed.The results show thatwith 0.6%of PPF the flexuralstrength of MPCMis increased by 43.3%;PPF with a length of3-6mm is more conducive to improve the compressive strength of MPCM,and the length of 6-12mm is propitious to improve the flexuralstrength of MPCM.The properties of MPCM toughened by PPF are not much improved because of physicalbond between untreated PPF and hydration products of MPC.Pretreated PPF immersed in 20%silane coupling agent for 30～60min help to promote the interface bonding between PPF and hydration products of MPC.Based on chimericalreaction between hydration products and pretreated PPF,the mechanicaland toughening properties of MPCMare significantly improved.

Magnesium phosphate cementmortar（MPCM）;polypropylene fiber（PPF）;flexuraltoughness;mechanicalproperties;surface treatment

TU526

A

1671-9107（2017）02-0041-04

10.3969/j.issn.1671-9107.2017.02.041

2016-12-08

唐建明（1969-），男，重慶人，本科，工程師，主要從事建筑施工管理工作。