再生纖維素纖維增強(qiáng)水泥砂漿的早期抗裂和自收縮行為

馬國金 鄭小秋 郭平 郭秀艷

摘要：早期收縮開裂是導(dǎo)致混凝土劣化的重要因素之一，纖維的加入可以延緩甚至減少裂縫的延伸及擴(kuò)展。使用具有吸水特性的再生纖維素纖維，與UF500纖維素纖維和無吸水的聚丙烯短纖維對(duì)比，研究再生纖維素纖維對(duì)水泥砂漿早期抗裂和自收縮行為的影響規(guī)律。將摻量為水泥質(zhì)量1%或2%的各類纖維摻入水泥砂漿，密封養(yǎng)護(hù)，分析水泥砂漿強(qiáng)度、折壓比及自收縮應(yīng)變。研究結(jié)果表明：水灰比0.3時(shí)，添加再生纖維素纖維不能增強(qiáng)砂漿的抗裂性能和自收縮性能;水灰比大于0.35時(shí)，添加1%的再生纖維素纖維雖然降低了砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，但提高了該樣品的折壓比，增強(qiáng)了砂漿的抗裂性能和減縮效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：再生纖維素纖維;水泥砂漿;折壓比;自收縮;抗裂

中圖分類號(hào)：TU528.31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：20966717（2020）03012706

Abstract： Early shrinkage cracking is one of the important factors leading to the deterioration of concrete， the elongation and extension of cracks can be slowed down or even reduced by adding fibers. The objective of this article was to study the influence rules of regenerated cellulose fibers （RCFs） on the early cracking and the selfshrinkage of cement mortar under the sealed curing. The recycled cellulose fiber， UF500 cellulose fiber and nonabsorbent polypropylene staple fiber were compared. The strength， the ratio of flexural strength to compressive strength and the selfshrinkage strains of cement mortar with fibers mixed at 1% or 2% by mass were analyzed. The results showed that the crackresistance and selfshrinkage could not be improved by adding RCFs when the cement mortar at 0.3 water-cement ratio . When watercement ratio was higher than 0.35， the ratio of flexural strength to compressive strength of mortar increased by adding 1% RCFs although it decreased the flexural strength and the compressive strength. Then under the quantity， the crackresistance and shrinkagereducing effect of cement mortar were enforced， too.

Keywords：regenerated cellulose fibres; cement mortar; the ratio of flexural and compressive strength; selfshrinkage; cracking resistance

高性能混凝土因具有低滲透性、高耐久性和高工作性，被認(rèn)為是大型橋梁工程、高層建筑和海港建筑等的理想建筑材料[1]。但低水膠比和各種礦物摻合料的加入導(dǎo)致了早期收縮開裂[2]，纖維的加入使這種缺陷有了很大的改善[34]，而多孔吸水纖維的出現(xiàn)更是促使了內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)及其理論的誕生[5]。近年來，學(xué)者們對(duì)混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)做了大量的研究?？紫槊鞯萚6]研究高吸水性樹脂對(duì)高強(qiáng)混凝土漿體孔結(jié)構(gòu)的影響，提出有效水灰比的概念，并發(fā)現(xiàn)摻加預(yù)吸水樹脂的硬化水泥漿的毛細(xì)孔徑明顯小于自由拌合水的硬化水泥漿，同樣，這種超吸水樹脂也能有效減少混凝土內(nèi)部濕度的下降和自收縮行為[7]。Jongvisuttisun等[8]研究表明，在水化進(jìn)行25 h內(nèi)，天然纖維桉木漿從自身結(jié)構(gòu)中釋放出自由水，25 h后，小細(xì)胞壁孔隙中的自由水和細(xì)胞壁中的結(jié)合水減緩由水泥水化導(dǎo)致的內(nèi)部自干燥。由此可見，分散在混凝土內(nèi)部的天然吸水纖維不僅可以起到通用纖維的搭橋作用，更多的是提高混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)功能[911]。以上研究所用纖維大多為天然的一次纖維，很少有研究再生植物纖維（二次纖維），尤其是廢紙二次纖維在混凝土中的應(yīng)用。

筆者主要探索再生纖維素纖維對(duì)砂漿性能的影響，所用再生纖維來源于實(shí)驗(yàn)室自制的廢紙纖維，其主要成分為纖維素，具備天然植物纖維的吸水及無定型的典型結(jié)構(gòu)，理論上可替代天然植物纖維用于混凝土中。為更好地理解再生纖維對(duì)砂漿性能的影響，對(duì)比來源于木漿的UF500纖維素纖維和無吸水的聚丙烯短纖維，從抗裂和自收縮兩個(gè)方面探討再生纖維素纖維對(duì)水泥砂漿早期性能的影響。

1實(shí)驗(yàn)

1.1原材料

水泥：P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥（上海寶山南方水泥有限公司）;砂：中粗黃沙，細(xì)度模數(shù)2.6;水：自來水;減水劑：SD600P01聚羧酸高效減水劑（上海三瑞化學(xué)有限公司），控制各試驗(yàn)組流動(dòng)度在140 mm±6 mm;UF500纖維素纖維和聚丙烯短纖維（上海翔湖實(shí)業(yè)有限公司）。

再生纖維素纖維[12]：實(shí)驗(yàn)室自制，取中國廢舊新聞紙為原料，要求廢紙不含膠，雜質(zhì)不超過1%，無用物不超過0.25%。將廢紙撕成碎片，浸泡在水中12 h后加入PL200高濃水力碎漿機(jī)中疏解，其中，漿濃12%，碎漿機(jī)轉(zhuǎn)速300 r/min，碎漿時(shí)間30 min。將疏解后的紙漿纖維于80目網(wǎng)篩過濾，去除微小組分，真空抽濾后，置于60 ℃電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥24 h至恒重。用2%的NaOH溶液潤脹處理絕干漿2 h后，用乙酸緩慢中和至pH值為中性，烘干后配成2%左右的濃漿60 mL，使用纖維分散器打散成懸浮液，并將其置于JY92IIDN型超聲波發(fā)生器中10 min，進(jìn)行活化處理，改性后的樣品經(jīng)真空過濾并干燥，得到再生纖維素纖維材料，如圖1所示。

1.2實(shí)驗(yàn)方案及測試方法

1.2.1實(shí)驗(yàn)方案

取再生纖維素纖維（RCFs）、UF500纖維素纖維（UF500）、聚丙烯短纖維（PP）3種纖維，按水泥質(zhì)量的1%或2%稱取，控制水灰比0.3、0.35和0.4，灰砂比1∶1，將量好的纖維以濕混的方式與水泥、砂混合成型，即首先將纖維浸泡在定額的水中至少30 min，用攪拌器攪拌直至其充分分散后再與水泥、砂攪拌成型。具體方案如表1所示。

1.2.2測試方法

強(qiáng)度：參考《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO）》（GB/T 17671—1999），成型水泥砂漿樣品，養(yǎng)護(hù)1 d后，用高密度聚丙烯薄膜和環(huán)氧樹脂密封，放置于溫度為20±2 ℃、相對(duì)濕度60%的干燥室內(nèi)密封養(yǎng)護(hù)。使用強(qiáng)度測試機(jī)對(duì)密封養(yǎng)護(hù)后的樣品進(jìn)行強(qiáng)度檢測，并計(jì)算其折壓比（σc/σF），分析再生纖維素纖維對(duì)砂漿抗裂性能的影響。

自收縮：參考《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 70—2009），成型水泥砂漿樣品，同樣密封養(yǎng)護(hù)，測量不同養(yǎng)護(hù)齡期下樣品的長度，并根據(jù)參考文獻(xiàn)[13]計(jì)算砂漿的線收縮應(yīng)變，分析再生纖維素纖維對(duì)砂漿減縮效應(yīng)的影響。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1砂漿強(qiáng)度

水泥砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度如圖2所示。養(yǎng)護(hù)齡期相同時(shí)，無論何種配比、添加何種纖維，均降低了砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，且纖維摻量越多，下降幅度越大。其中，水灰比為0.35，纖維摻量為2%的B2樣品，養(yǎng)護(hù)28 d的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別下降了23.7%和15.0%;同種配比情況下，養(yǎng)護(hù)至28 d，各樣品抗折強(qiáng)度大幅度提高，養(yǎng)護(hù)28 d后，則有不同程度的下降。水灰比均為0.35，摻量均為水泥質(zhì)量1%的3種纖維，其中，聚丙烯纖維明顯降低了砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，養(yǎng)護(hù)28 d，其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別下降了38.8%和48.9%，而RCFs和UF500纖維對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響類似，下降幅度偏緩。纖維本身強(qiáng)度較低，這是造成砂漿強(qiáng)度下降的根本原因，但RCFs和UF500纖維具有吸水特性，在無外部水養(yǎng)護(hù)的密封環(huán)境下，能夠增強(qiáng)水泥砂漿的內(nèi)部養(yǎng)護(hù)作用，使砂漿強(qiáng)度的下降幅度降低。

2.2砂漿的收縮率

不同水灰比、不同纖維種類及摻量下水泥砂漿的收縮率如圖3所示。其中，圖3（a）～圖3（c）為RCFs對(duì)砂漿收縮率的影響，圖3（d）為同條件下3種纖維對(duì)砂漿收縮率的影響。

由圖3可知，水灰比0.3、摻加RCFs的砂漿樣品收縮率略高于標(biāo)樣，這主要是由于成型前，RCFs浸泡吸收了部分水分，使成型時(shí)的實(shí)際水灰比下降，過小的水灰比極易造成砂漿和易性變差，而且，實(shí)際水灰比越低，自收縮程度也越大。隨著水灰比的增大，添加RCFs可降低砂漿的自收縮應(yīng)變，且摻量為1%時(shí)，砂漿的線收縮應(yīng)變最小。水灰比為0.35、纖維摻量均為1%時(shí)，摻加植物纖維的砂漿收縮率類似，而摻加PP的砂漿收縮率最低。但從圖2中可知，摻加PP嚴(yán)重降低了砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，很容易造成晚期因強(qiáng)度不足而導(dǎo)致微裂縫的擴(kuò)展。因此，考慮到強(qiáng)度方面因素，植物纖維具有一定優(yōu)勢。

2.3砂漿抗裂性能

材料的收縮裂紋與強(qiáng)度密切相關(guān)，折壓比是衡量水泥基材料抗裂性能的重要指標(biāo)之一[14]，折壓比（σF/σc）越高，水泥基材料的柔性越好，抗裂性能越佳[15]，張偉等[16]的研究也同樣證明了纖維增強(qiáng)水泥基材料的初始彎曲韌性比隨折壓比的增加而提高，兩者之間具有很好的線性相關(guān)性。不同水灰比、不同纖維種類及摻量下水泥砂漿的折壓比如圖4所示。其中，圖4（a）～圖4（c）為不同水灰比下RCFs對(duì)砂漿折壓比的影響，圖4（d）為水灰比0.35時(shí)3種纖維對(duì)砂漿折壓比的影響。

水灰比為0.3時(shí)，無論摻加何種摻量的RCFs，均沒有提高砂漿的σF/σc，這主要是由于浸泡RCFs時(shí)吸收了部分水分，導(dǎo)致有效水灰比下降，在過低的水分配比下，纖維在砂漿內(nèi)不能得到很好的分散，砂漿的和易性也變差。因此可以認(rèn)為，此條件下不適合配置含有吸水纖維的砂漿漿體。水灰比0.4（圖4（c））摻加任何摻量的RCFs均提高了砂漿的σF/σc，說明在此條件下，雖然浸泡RCFs時(shí)吸收了部分水分，但余存下來的水分仍可滿足砂漿的配置，纖維能夠在砂漿內(nèi)均勻分布，且處于飽水狀態(tài)。圖4（b）的變化趨勢介于上述兩種情形之間，摻加1%的RCFs可以提高砂漿的σF/σc，但摻量達(dá)到水泥質(zhì)量的2%時(shí)，砂漿σF/σc下降?？梢?，無論何種情況下，并不是纖維摻量越多越好。密封養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，水灰比>0.35時(shí)，摻加1%RCFs，飽水的纖維能夠均勻分散在砂漿基體內(nèi)部，隨著水化進(jìn)行到一定程度，纖維釋放自身所含水分，補(bǔ)償砂漿內(nèi)部的自干燥，從而改善砂漿的抗裂性能。但纖維摻量過多會(huì)導(dǎo)致砂漿有效水灰比的降低，不利于纖維的分散和砂漿的成型。水灰比0.35時(shí)，摻加同摻量的3種纖維，聚丙烯短纖維表現(xiàn)最佳，但從砂漿強(qiáng)度方面考慮，也很不利。因UF500纖維是一次纖維，本身的性能好于二次纖維，故在改善砂漿抗裂性能方面優(yōu)于RCFs。

2.4砂漿的減縮效應(yīng)

通過以上分析，水灰比>0.35，濕混添加RCFs能夠增強(qiáng)水泥砂漿的減縮效應(yīng)，假設(shè)以未摻加RCFs的水泥砂漿為基準(zhǔn)，其線收縮應(yīng)變?yōu)镾ymboleA@0，摻加RCFs后，其收縮應(yīng)變?yōu)镾ymboleA@f。擬定η（%）為RCFs增強(qiáng)水泥基材料的減縮效應(yīng)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

從圖5可知，水灰比0.3，摻加任何摻量的RCFs都沒有對(duì)砂漿起到減縮效果，水灰比大于0.35時(shí)，養(yǎng)護(hù)1 d，砂漿減縮效應(yīng)下降明顯，且纖維摻量越大，下降幅度也越大。纖維摻量為2%時(shí)，水灰比0.35，養(yǎng)護(hù)1 d的水泥砂漿減縮效應(yīng)下降超過30%，而在0.4水灰比下，下降幅度近60%。養(yǎng)護(hù)7 d，RCFs對(duì)砂漿的減縮效應(yīng)隨著水灰比的增加有所加大，且纖維摻量為水泥質(zhì)量的1%時(shí)，減縮效果較好。水灰比0.4，養(yǎng)護(hù)28 d，摻加1%的RCFs可使砂漿的減縮能力提高16%。

試驗(yàn)所用RCFs本身具有較好的吸水性，在低水灰比下，濕法摻加RCFs進(jìn)一步降低了體系的有效水灰比，從而增大了砂漿的線收縮應(yīng)變。而且，纖維易團(tuán)聚，介質(zhì)水分不足導(dǎo)致其無法均勻地分布于基體內(nèi)部，從而導(dǎo)致其沒有起到正面效應(yīng)。但隨著額定水灰比的增大，RCFs的分散能力增強(qiáng)，可以起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用。RCFs具有吸水和釋水的能力，同時(shí)，在體系內(nèi)部起到搭橋的作用，見圖6，在密封養(yǎng)護(hù)后期，纖維釋放自身內(nèi)部所含水分，對(duì)砂漿實(shí)施內(nèi)養(yǎng)護(hù)，促進(jìn)水泥水化進(jìn)程，使基體組織更致密，纖維與基體接觸面積增大，界面粘結(jié)強(qiáng)度較好，從而提高了砂漿的抗裂性能和抗收縮性能。

3結(jié)論

1）水灰比是影響砂漿配置的關(guān)鍵因素之一，當(dāng)?shù)陀?.3時(shí)，RCFs不能很好地分散于砂漿基體內(nèi)，更不能改善砂漿的抗裂和抗收縮性能，反而降低了砂漿的強(qiáng)度。

2）水灰比大于0.35、RCFs摻量為水泥質(zhì)量的1%時(shí)，能夠很好地增強(qiáng)砂漿的抗裂和減縮性能。但隨著纖維摻量的增加，勢必會(huì)造成有效水灰比的下降，從而起到反作用。

3）RCFs在砂漿體系中表現(xiàn)出的性能雖略次于UF500纖維素纖維，但總體趨勢相似，可以考慮替代使用。參考文獻(xiàn)：

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（編輯胡玲）