不同纖維對貝殼砂漿力學性能和干縮性能的影響研究

楊子杰，鄧子銘，趙亞州，陳達

(河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098)

0 引 言

貝類在世界范圍內(nèi)產(chǎn)量豐富，而每年大量廢棄貝殼的處理會引起嚴重的環(huán)境問題[1]。有研究發(fā)現(xiàn)[2]，廢棄貝殼可替代天然骨料，具有良好的應用前景，這也是解決天然骨料資源日益短缺的一種途徑。在沿海地區(qū)，淡化海砂作為建筑用砂的主要來源，其貝殼含量在5%～8%[3]。Yang 等[4]分析了在混凝土中使用貝殼作為骨料的可能性。研究表明，貝殼替代河砂比例的增加對水泥基材料的整體抗壓強度和干縮有顯著影響[5]；30%替代比的貝殼混凝土長期強度較普通混凝土下降約20%[6]。

纖維在混凝土和砂漿中被廣泛應用，摻入纖維可提高砂漿或混凝土的機械強度，尤其是劈裂抗拉強度和抗彎強度[7]。此外，由于纖維的橋接作用，可降低砂漿或混凝土中裂縫的數(shù)量和寬度[8]。同時，纖維與基體的界面粘結(jié)有效降低了材料的干燥收縮[9]。貝殼砂漿中摻入纖維，能夠彌補性能下降的劣勢。有許多研究者在貝殼尺寸、處理方式上進行了研究[10-11]。本試驗對摻入不同種類和用量纖維的貝殼砂漿進行了試驗，對砂漿的新拌性能，抗壓、抗折強度，劈裂抗拉強度，干縮等性能進行了研究，提出了最優(yōu)的纖維種類和用量，研究結(jié)果對纖維在貝殼砂漿和淡化海砂中的應用具有參考作用。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：P·O42.5 水泥，主要化學成分見表1，物理力學性能見表2；砂：天然河砂，符合GB/T 14684—2001《建筑用砂》要求，堆積密度2.54 g/cm3，細度模數(shù)2.6，含水率0.87%；貝殼：來自東部沿海，粉碎后粒徑小于5 mm，堆積密度2.82 g/cm3，細度模數(shù)3.16，含水率0.89%；水：自來水；萘系高效減水劑：減水率20%，固含量95%；纖維：鋼纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維，基本參數(shù)見表3。

表1 水泥的主要化學成分 %

表2 水泥的物理力學性能

表3 纖維的基本參數(shù)

1.2 試驗設計和方法

本試驗中采用貝殼等質(zhì)量取代20%天然河砂，基準組貝殼砂漿的配合比(kg/m3)為：m(水泥)∶m(河砂)∶m(貝殼)∶m(水)=450∶1080∶270∶202.5，減水劑摻量為水泥質(zhì)量的 0.2%。在此基礎上，分別摻加占總體積1%和2%的鋼纖維、玄武巖纖維和玻璃纖維。砂漿試件的制備根據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO 法)》進行，混合料攪拌均勻后澆筑到模具中，分段振動壓實后在23 ℃下硬化，1 d 后脫模，在20 ℃、相對濕度95%條件下養(yǎng)護至規(guī)定齡期。

1.3 性能測試

坍落度參照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》進行測試；抗壓、抗折試驗參照BS EN 1015—11—1999《水化砂漿抗壓抗折測試方法》，養(yǎng)護7、28、90 d 后通過三點彎曲試驗和單軸抗壓試驗獲得抗壓和抗折強度；劈裂抗拉試驗參照JTJ 270—1998《水運工程混凝土試驗規(guī)程》，在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28、90 d 后在萬能試驗機上測試；干縮測試參照ATSM C490—2017《砂漿和混凝土收縮確定方法》，在室溫和干燥條件下測試 1、4、7、14、28、56 d 時的干縮值。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 纖維對貝殼砂漿新拌性能的影響(見表4)

表4 纖維對貝殼砂漿坍落度的影響

由表4 可見，纖維的摻入減小了貝殼砂漿的坍落度，當纖維摻量為2%時，鋼纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維貝殼砂漿的坍落度較基準組分別減少9.0%、11.5%、19.0%，玻璃纖維貝殼砂漿的流動性下降最明顯。這是因為，纖維作為拌合物，需要水泥砂漿的包裹，從而導致包裹砂石的水泥砂漿相對減少，流動性也因此降低；而纖維摻量的增加使包裹體積也增大，導致流動性變差。同時，玻璃纖維具有較強的吸附能力，限制了砂漿中水的流動，導致坍落度下降顯著。

2.2 纖維對貝殼砂漿強度的影響(見表5)

表5 纖維對貝殼砂漿強度的影響

2.2.1 纖維對貝殼砂漿抗壓強度的影響

由表5 可見：

(1)在貝殼砂漿中摻入2%的鋼纖維、玄武巖纖維和玻璃纖維，其7 d 抗壓強度較基準組分別提高20.6%、9.3%、3.9%，28 d 抗壓強度較基準組分別提高10.1%、5.3%、0.7%，而90 d抗壓強度較基準組分別提高10.1%、5.3%、0.9%?？梢钥闯?，鋼纖維對抗壓強度的提升效果最好，玻璃纖維和玄武巖纖維對抗壓強度的影響較小。鋼纖維本身強度較高，纖維在砂漿中經(jīng)過均勻攪拌，形成了纖維網(wǎng)絡，當承受壓力時，強度較高的纖維能夠直接承擔更大的壓力，同時，在水化過程中，不同方向的纖維阻礙了裂紋的產(chǎn)生和擴張，并且減輕了裂紋尖端的應力集中程度，因此改善了砂漿的變形性能和抗壓強度。

(2)隨著纖維摻量從1%增加到2%，鋼纖維貝殼砂漿的抗壓強度提高，而玄武巖纖維貝殼砂漿的抗壓強度則提升不大，玻璃纖維貝殼砂漿的抗壓強度有所降低。鋼纖維對抗壓強度的改善效果最好，這是由于更多的鋼纖維在砂漿中分布，從而使砂漿更為密實；而玻璃纖維和玄武巖纖維在攪拌時易發(fā)生結(jié)團現(xiàn)象[12]，導致在砂漿中分布不均，不能形成有效的纖維網(wǎng)絡，從而降低了抗壓強度。

2.2.2 纖維對貝殼砂漿抗折強度的影響

由表5 可見，摻入纖維后貝殼砂漿的抗折強度較基準組提高。纖維摻量為2%時，鋼纖維貝殼砂漿各齡期抗折強度較基準組提高了27.2%～44.5%，玄武巖纖維貝殼砂漿各齡期抗折強度較基準組提高了18.1%～29.9%，而玻璃纖維貝殼砂漿各齡期抗折強度較基準組提高了8.6%～11.6%。90 d 齡期時，摻2%鋼纖維貝殼砂漿的抗折強度較基準組提高了34.6%。鋼纖維對抗折強度的增強效果最好，其次為玄武巖纖維，這是由纖維本身的強度決定的，纖維在砂漿中能夠傳遞應力并且承受拉力，從而抑制裂紋的擴展和延伸。在貝殼砂漿中，裂紋容易沿著貝殼斷面延伸，經(jīng)過攪拌的纖維能夠均勻分布在砂漿中，而和開裂面垂直的纖維能有效阻止裂紋的發(fā)展，因此纖維本身強度的影響也更為明顯，而玻璃纖維由于強度較低，并且不能很好地均勻分布，因此砂漿容易在沒有纖維分布的地方折斷開裂。纖維摻量的增加提高了砂漿的長期抗折強度，90 d齡期時，摻2%鋼纖維和玄武巖纖維的貝殼砂漿抗折強度較摻1%纖維的分別提高了6.2%和3.9%，而玻璃纖維摻量的增加對抗折強度提升效果微弱，這是由于玻璃纖維本身較低的強度和摻量提高后，纖維團聚導致其在砂漿中分布不均，因此強度沒有變化。

2.2.3 纖維對貝殼砂漿劈裂抗拉強度的影響

由表5 可見：

(1)纖維可明顯提高貝殼砂漿的劈裂抗拉強度。當摻量為2%時，鋼纖維、玄武巖纖維和玻璃纖維貝殼砂漿的28 d 抗拉強度較基準組分別提高了30.9%、19.9%和7.9%，90 d 抗拉強度較基準組分別提高了37.1%、25.4%、8.8%，這主要是因為纖維在貝殼砂漿中起到了阻礙裂紋發(fā)展的作用，同時纖維本身較高的拉伸強度也影響砂漿的抗拉強度，鋼纖維的力學強度高于玄武巖纖維和玻璃纖維，因此，鋼纖維在貝殼砂漿中能夠發(fā)揮更大的作用，改善其抗拉性能。

(2)當纖維摻量分別為0、1%、2%時，摻量每增大1%，鋼纖維貝殼砂漿的90 d 劈裂抗折強度分別提高了22.6%、11.8%，玄武巖纖維貝殼砂漿的90 d 劈裂抗折強度分別提高了12.7%、11.2%，而玻璃纖維纖維貝殼砂漿的90 d 劈裂抗折強度僅分別提高了5.2%、3.5%。當纖維方向與拉伸方向相同時，纖維能夠承擔拉力，阻礙裂紋發(fā)展，因此，含量較高的玻璃纖維在攪拌中由于團聚和容易彎曲，對拉伸強度的提高效果也相對較低。

2.3 纖維對貝殼砂漿干縮性能的影響(見圖1)

圖1 纖維對貝殼砂漿干縮性能的影響

失水收縮導致的變形和開裂是水泥材料中普遍存在的問題，砂漿中缺乏粒徑較大的石子，因此干縮更為明顯，摻入纖維能夠有效改善砂漿的收縮開裂現(xiàn)象。由圖1 可以看出，貝殼砂漿的干縮隨養(yǎng)護時間的延長而增大。3 種纖維都對貝殼砂漿的干縮性有所改善，2%的玻璃纖維對砂漿的干縮性改善最好，鋼纖維次之；纖維摻量的增加有助于減小干縮。相比于基準組，玻璃纖維貝殼砂漿最終的干縮率從0.12%降低到了0.04%，隨著纖維摻量的增加，砂漿干縮的降低更為明顯。砂漿內(nèi)水分向環(huán)境中遷移和水泥水化從而引起失水收縮，纖維的加入使得裂縫減少，結(jié)構(gòu)更密實，阻礙了水分流失，因此減小了干縮。結(jié)果表明，2%的鋼纖維和玻璃纖維能夠顯著改善貝殼砂漿的干縮性能。

3 結(jié) 論

(1)在貝殼砂漿中加入3 種纖維均能夠有效地提高砂漿的力學性能。鋼纖維和玄武巖纖維對抗壓和抗折強度的增強效果較好，而玻璃纖維稍差。摻2%鋼纖維時，貝殼砂漿的90 d 抗壓、抗折、劈裂抗拉強度較基準組分別提高了10.1%、34.6%、37.1%，表現(xiàn)出最好的增強效果。

(2)3 種纖維的摻入均降低了貝殼砂漿的流動性，玻璃纖維貝殼砂漿的坍落度較低。而在干縮性能上，纖維的加入改善了貝殼砂漿的收縮性，玻璃纖維貝殼砂漿結(jié)構(gòu)密實，抑制收縮能力最好，鋼纖維的改善效果也優(yōu)于玄武巖纖維。

(3)從纖維摻量來看，在2%摻量以內(nèi)，較高纖維摻量的貝殼砂漿表現(xiàn)出了更好的性能，鋼纖維容易分散，摻量增加對性能有明顯的改善。而由于團聚作用，玻璃纖維摻量的增加對于貝殼砂漿的增強效果較弱，因此在使用玻璃纖維時，建議采取有效的方法對玻璃纖維進行分散。