玄武巖纖維對(duì)水泥基復(fù)合材料抗裂性能的影響

＊徐劍 崔春亮 王立莊

（中交路橋華南工程有限公司 廣東 528400）

玄武巖纖維是一種新興的綠色纖維，憑借其諸多優(yōu)點(diǎn)成為各種纖維的替代材料[1-3]，純水泥基材料一般具有脆性大、極限應(yīng)變小、易開(kāi)裂、抗沖強(qiáng)度差、抗拉抗彎強(qiáng)度低等弊端，因此，使用纖維是提高水泥基材料性能的主要途徑[4-5]。

圖1 廣東佛山地鐵2號(hào)線(xiàn)林岳段施工現(xiàn)場(chǎng)

在進(jìn)行建筑工程防水施工時(shí)，屋面防水施工一直是給建筑企業(yè)帶來(lái)難度的主要部分。本文針對(duì)廣東佛山地鐵2號(hào)線(xiàn)林岳段屋面防水層使用的水泥基復(fù)合材料進(jìn)行系統(tǒng)研究，研究了玄武巖纖維、硅灰以及纖維素醚對(duì)于屋面防水層用砂漿的各種性能影響，利用正交試驗(yàn)方法，研究各影響因素之間的關(guān)系，最終確定了一個(gè)最優(yōu)配比并在項(xiàng)目中應(yīng)用。

1.實(shí)驗(yàn)部分

(1)實(shí)驗(yàn)原材料與設(shè)備

水泥（P.O42.5R，四川雙馬）；機(jī)制砂（廣東佛山地鐵2號(hào)線(xiàn)林岳段項(xiàng)目部）；玄武巖纖維（四川拓鑫）；纖維素醚（龍湖科技）；聚羧酸減水劑（減水率25%）。

(2)實(shí)驗(yàn)流程及性能測(cè)試

主要步驟：①將水泥、機(jī)制砂、纖維、硅灰、外加劑等按正交配比加至水泥膠砂攪拌機(jī)中攪拌至均勻，成型；②在模具中振實(shí)成型，養(yǎng)護(hù)結(jié)束后對(duì)砂漿進(jìn)行性能檢測(cè)；③設(shè)置單因素實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步研究單因素對(duì)砂漿的影響程度；④優(yōu)化配比應(yīng)用驗(yàn)證。

設(shè)計(jì)合理配比，采用L9（34）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)配比表頭如表1所示。

表1 L9（34）正交實(shí)驗(yàn)表頭

根據(jù)JCT 951-2005水泥砂漿抗裂性能試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)用原材料的配合比為：水泥:砂:水=1:1.5:0.5（質(zhì)量比），聚羧酸減水劑1.5%，減水率25%。

(3)砂漿性能檢測(cè)方法

①砂漿抗開(kāi)裂性能檢測(cè)

將攪拌均勻的砂漿填至模具，放置干燥抗裂試驗(yàn)器中吹風(fēng)24h，風(fēng)速保持1.5m/s，在試樣中隨機(jī)取3cm×3cm面積，再采集面積內(nèi)試樣開(kāi)裂裂縫個(gè)數(shù)。

②砂漿抗折、抗壓強(qiáng)度性能檢測(cè)

參照水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法GBT17671-1999成型試塊，試塊尺寸為40mm×40mm×160mm。

2.結(jié)果與分析

(1)正交配比設(shè)計(jì)對(duì)砂漿性能的影響

①抗折、抗壓強(qiáng)度分析結(jié)果

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，以28d抗折、抗壓強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 抗折、抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由表2分析可知，28d抗折、抗壓強(qiáng)度中，硅灰的用量為主要影響因素，纖維用量、纖維長(zhǎng)度、纖維素醚依次減輕，28d抗折強(qiáng)度最優(yōu)組合為纖維長(zhǎng)度18mm，纖維摻量0.5%，纖維素醚0.6%，硅灰6%。說(shuō)明硅灰的微集料填充效應(yīng)和高火山灰活性增強(qiáng)纖維與砂漿基體的黏結(jié)強(qiáng)度效果顯著，極大地提高了水泥基體與玄武巖纖維之間的界面粘結(jié)力，纖維與砂漿界面的黏結(jié)性能直接影響砂漿的抗折強(qiáng)度和剪切黏結(jié)強(qiáng) 度[5-6]。28d抗壓強(qiáng)度最優(yōu)組合為纖維長(zhǎng)度6mm，纖維摻量0.1%，纖維素醚0.2%，硅灰6%。說(shuō)明除硅灰用量以外，纖維的用量對(duì)砂漿力學(xué)性能也有影響，基體摻入短纖維后，分散在水泥基體的短纖維可以更好地抵抗由于界面擠壓力產(chǎn)生的環(huán)向拉應(yīng)力，進(jìn)一步改善纖維和基體間的界面性能，提高纖維束與基體間的摩擦力[7-8]。

②抗開(kāi)裂性能分析結(jié)果

按照實(shí)驗(yàn)步驟24h后取出被吹試樣，采用隨機(jī)取樣方法，在試樣中取3cm×3cm面積，再采集面積內(nèi)試樣開(kāi)裂裂縫個(gè)數(shù)，3cm×3cm面積內(nèi)的砂漿裂縫個(gè)數(shù)極差分析結(jié)果見(jiàn)表3所示。

表3 開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由表3分析可知，纖維長(zhǎng)度為抗開(kāi)裂性能的主要影響因素，纖維用量、纖維素醚用量、硅灰依次減輕，最優(yōu)組合為纖維長(zhǎng)度6mm，纖維摻量0.1%，纖維素醚摻量0.4%，硅灰摻量6%。本文選用的纖維長(zhǎng)度為6mm、12mm、18mm，假設(shè)纖維在砂漿中自然而均勻分布，則相同質(zhì)量摻量時(shí)，纖維長(zhǎng)度越短，纖維的根數(shù)越多，極差分析中選定的纖維長(zhǎng)度優(yōu)水平為a1，說(shuō)明短纖維的摻入，形成更密集的網(wǎng)狀搭接，相對(duì)來(lái)說(shuō)更利于失水率的降低，進(jìn)一步降低砂漿的開(kāi)裂程度。

③流動(dòng)性能分析結(jié)果

使用砂漿稠度儀測(cè)試砂漿流動(dòng)度，測(cè)試數(shù)據(jù)如表4。

表4 流動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

續(xù)表

由表4分析可知，纖維素醚的摻量是砂漿流動(dòng)性能的主要影響因素，纖維長(zhǎng)度、硅灰用量、纖維用量對(duì)砂漿流動(dòng)度的影響依次遞減，纖維素醚可以增加砂漿的保水性，是一種保水增稠劑[9]，有助于保證砂漿里的自由水不被大量損耗，防止砂漿分層與離析，并且加入纖維素醚越多，砂漿越稠，摻量較小時(shí)，砂漿流動(dòng)度增大。極差分析里，纖維素醚的優(yōu)水平選定為c1。

(2)纖維素醚對(duì)砂漿性能的影響

綜合考慮砂漿的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、失水率、抗開(kāi)裂性能以及流動(dòng)性能，選定正交實(shí)驗(yàn)中的最優(yōu)配比為第A4組。由于纖維素醚對(duì)砂漿的性能影響很大，因此以第A4組為基底，研究纖維素醚的摻量對(duì)砂漿性能的影響，實(shí)驗(yàn)配比及結(jié)果如表5所示。

表5 纖維素醚的摻量對(duì)砂漿性能的影響結(jié)果

由表5可看出，纖維素醚是一種保水增稠劑[9]，隨纖維素醚摻入量增加，砂漿變得粘稠，隨摻入纖維素醚用量增加，砂漿抗折、抗壓強(qiáng)度先增大后減小，表明隨纖維素醚摻量增加，砂漿的保水性上升，砂漿相對(duì)不容易產(chǎn)生開(kāi)裂，其中C2的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，纖維素醚摻量0.3%為最優(yōu)摻量。

(3)水泥基復(fù)合材料應(yīng)用驗(yàn)證

按照優(yōu)化后的配比，水泥:砂:水=1:1.5:0.5（質(zhì)量比），減水劑為1.5%，12mm長(zhǎng)度的玄武巖纖維、硅灰、纖維素醚用量分別為0.1%、8%、0.3%，生產(chǎn)的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料在廣東佛山地鐵2號(hào)線(xiàn)林岳段屋面防水層進(jìn)行應(yīng)用示范，應(yīng)用效果如圖2所示。

圖2 廣東佛山地鐵2號(hào)線(xiàn)林岳段屋面防水層

由圖2可以看出，無(wú)纖維的普通水泥基材料鋪設(shè)的屋面防水層出現(xiàn)了大量開(kāi)裂情況，開(kāi)裂后使用了瀝青進(jìn)行裂縫修補(bǔ)，采用玄武巖纖維增強(qiáng)的水泥基復(fù)合材料鋪設(shè)的屋面防水層，經(jīng)觀(guān)察檢測(cè)未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，應(yīng)用效果良好。

3.結(jié)論

（1）硅灰的用量是影響砂漿抗折、抗壓強(qiáng)度的主要因素，纖維長(zhǎng)度是影響砂漿抗開(kāi)裂性能的主要因素，纖維素醚摻量是影響砂漿流動(dòng)度、失水率的主要因素。

（2）當(dāng)纖維長(zhǎng)度為12mm、用量為0.1%、硅灰用量為8%、纖維素醚用量0.3%時(shí)，砂漿具有較好的綜合性能，28d抗折強(qiáng)度3.8MPa，28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到21.5MPa，砂漿流動(dòng)度為113mm，開(kāi)裂率為0。