鋼纖維對磷酸鎂水泥基修補材料韌性的影響

李磊，楊毅，謝順

（1.沈陽砼行建筑材料科技有限公司，遼寧 沈陽 110000；2.沈陽建筑大學(xué)，遼寧 沈陽 110000；3.沈陽建筑大學(xué) 建筑科技發(fā)展工程公司，遼寧 沈陽 110000）

磷酸鎂水泥基修補材料（Magnesium phosphate cementbased repairing materials，MPCRM）具有小時強度高、收縮小、粘結(jié)強度高和耐腐蝕等優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于混凝土道面的維修工程中。與普通硅酸鹽水泥基修補材料（PORM）和硫鋁酸鹽水泥基修補材料（SACRM）相比，MPCRM 修補材料也同樣表現(xiàn)出明顯的脆性，這對其在混凝土道面快速維修中的應(yīng)用產(chǎn)生較大的障礙。鋼纖維具有較高的抗拉強度，其彈性模量與水泥基材料接近，二者能夠發(fā)揮較好的協(xié)同作用，對于水泥基修補材料的韌性提升具有顯著的效果。已有研究者通過鋼纖維來改性磷酸鎂水泥（MPC）的性能，李振等[1]的研究結(jié)果表明，微細鋼纖維能大幅度提高MPC 的抗彎和抗壓強度。汪宏濤等[2]的研究也表明，鋼纖維對MPC 砂漿的抗折和抗壓強度有較大的提高作用。Feng 等[3]發(fā)現(xiàn)，鋼纖維的不同端鉤形狀可提高鋼纖維MPC 砂漿的粘結(jié)強度和抗折強度。目前已有的研究均圍繞鋼纖維改性MPC 的力學(xué)性能和粘結(jié)性能，但對MPC 的韌性研究報道較少。為了研究鋼纖維對MPCMR 韌性的影響規(guī)律，本文對鋼纖維MPCMR 進行了抗壓強度、抗折強度、抗沖擊試驗和彎拉試驗，采用折壓比、抗沖擊韌性和彎曲韌性對MPCMR 的韌性進行了分析，并與PORM 和SACRM進行對比分析，為鋼纖維MPCRM 在工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗

1.1 試驗原材料與配合比

氧化鎂：海城華宇集團生產(chǎn)，電熔鎂砂，煅燒溫度2000 ℃以上，氧化鎂含量98.6%，經(jīng)過球磨機粉磨成氧化鎂粉，比表面積和表觀密度分別為223 m2/kg 和3.45 g/cm3，化學(xué)成分見表1。鋼纖維：端鉤型微細鋼纖維，長度13 mm，直徑0.23 mm，密度7.8 g/cm3，抗拉強度2860 MPa。水泥：唐山冀東生產(chǎn)，P·O42.5 水泥；硫鋁酸鹽水泥：唐山北極熊生產(chǎn)，42.5 級快凝快硬硫鋁酸鹽水泥（SAC）。磷酸二氫銨：工業(yè)級，NH4H2PO4含量≥99%。硼砂：工業(yè)級，Na2B4O7·4H2O 含量≥97%。石英砂：20～140 目，連續(xù)級配。碎石：5～20 mm 連續(xù)級配石灰?guī)r碎石，壓碎指標(biāo)2.0%。減水劑：聚羧酸粉體減水劑，減水率≥28%。修補材料的配合比見表2，其中PORM、SACRM 各摻2.2 g 減水劑。

表1 氧化鎂粉的化學(xué)成分 %

表2 修補材料配合比 g

1.2 試驗方法

抗折強度和抗壓強度采用40 mm×40 mm×160 mm 試件，參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂檢驗方法（ISO 法）》進行測試。

抗沖擊性能按照ACI544 委員會推薦的標(biāo)準(zhǔn)試驗設(shè)備和試驗方法進行測試[4]，對水泥基修補材料在沖擊荷載作用下遭破壞時吸收能量的能力表示為韌性，采用抗沖擊韌性系數(shù)C和抗沖擊延性比β 作為評價水泥基修補材料韌性的指標(biāo)[5]。β值和C 值按下式計算。

由式（2）和式（3）可得：

式中：WRMi——鋼纖維摻量為i 時水泥基修補材料的沖擊功，J；

N2，RMi——鋼纖維摻量為i 時水泥基修補材料的沖擊破壞次數(shù)；

WRM0——鋼纖維摻量為0 時水泥基修補材料的沖擊功，J；

N2，RM0——鋼纖維摻量為0 時水泥基修補材料的沖擊破壞次數(shù)；

N——沖擊次數(shù)；

N1——初始開裂次數(shù)；

N2——試件最終破壞次數(shù)；

m——沖擊鋼球的質(zhì)量，kg；

g——重力加速度，9.8 N/kg；

h——沖擊鋼球的下落高度，m。

彎曲韌性試驗參考CECS 13：2009《纖維混凝土試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中的四點加載法，本試驗鋼纖維長度小于40 mm，故試件大小為100 mm×100 mm×400 mm，每組3 個試件，試件表面擦凈后，無偏心放置在WDW-200 電液伺服萬能試驗機裝置臺上，采用位移控制的加載方式，加載速度為0.2 mm/min，位移傳感器放置在試件的跨中，采用TDS-540 靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀采集荷載和撓度數(shù)據(jù)，試驗加載示意見圖1。

圖1 彎曲韌性試驗加載示意

本研究采用剩余強度法[6]對水泥基修補材料的彎曲韌性進行評價，該方法建議用剩余強度SAR和相對剩余強度SIR評價彎曲韌性，其計算方法為：

式中：P0.5、P1.0、P1.5、P2.0——撓度分別為0.5、1.0、1.5、2.0 mm 對應(yīng)的荷載，kN；

L、b、h——支座間距、截面寬度和截面高度，mm；

fm——試驗構(gòu)件的極限彎拉強度，MPa。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 折壓比

對水泥基修補材料的韌性評價目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，工程界常用韌性系數(shù)——折壓比（修補材料的抗折強度與抗壓強度之比），反映水泥基材料的韌性（抗變形性能），韌性系數(shù)越大，抗變形能力愈好，反之則愈差[7-8]。各試驗組的折壓比試驗結(jié)果見表3。

表3 各試驗組的折壓比試驗結(jié)果

由表3 可以看出，鋼纖維的摻量增加，MPCRM 的抗壓和抗折強度提高，折壓比提高。當(dāng)鋼纖維的體積摻量為1.6%時，MPCRM 的抗壓強度最高，當(dāng)鋼纖維體積的摻量為1.2%時，MPCRM 的抗折強度最高，與鋼纖維摻量為MPCRM-0 時相比，MPCRM-1.2 抗壓和抗折強度分別提高了64.7%、213.9%，可以看出鋼纖維對MPCRM 抗折強度提高效果更明顯。

當(dāng)鋼纖維的體積摻量為1.2%時，MPCRM 折壓比最大，MPCRM-1.2 比MPCRM-0 的折壓比提高了83.3%，SACRM-1.2 比SACRM-0 的折壓比提高了45.5%，PORM-1.2 比PORM-0 的折壓比提高了54.5%，可以看出相同的鋼纖維摻量對MPCRM 的折壓比提高效果更明顯。

分析原因：根據(jù)以往的研究表明[1-3]，鋼纖維與磷酸鎂水泥的化學(xué)粘結(jié)力要比硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥高約40%，當(dāng)構(gòu)件受到彎拉時，鋼纖維可以與MPCRM 具有更好的要咬合力，發(fā)揮更好的協(xié)同作用，對MPCRM 的抗折強度和折壓比提高具有更好的效果。

2.2 抗沖擊韌性（見表4）

表4 各試驗組的抗沖擊韌性試驗結(jié)果

由表4 可以看出，不摻鋼纖維的水泥基修補材料初裂次數(shù)與破壞次數(shù)基本一致，即出現(xiàn)裂縫就破壞，韌性較差。隨著鋼纖維的體積摻量增加，MPCRM 的初裂次數(shù)和破壞次數(shù)先增加后降低，摻量為1.6%達到最大值，分別為MPCRM-0 的11.28倍和14.84 倍。

鋼纖維的摻入可以明顯提高MPCRM 的抗沖擊韌性，當(dāng)鋼纖維摻量為1.6%時，抗沖擊韌性系數(shù)達到最大值，為14.84，是MPCRM-0 的14.84 倍，當(dāng)鋼纖維的體積摻量為1.2%時，抗沖擊延性比β 達到最大值，為37.11，是MPCRM-0的倍18.56 倍，鋼纖的體積維摻量在1.2%～1.6%時，MPCRM的抗沖擊韌性最佳，鋼纖維摻量大于1.6%時，抗沖擊韌性有所降低，這是由于鋼纖維的比表面積增大，嚴(yán)重影響了MPCRM 的工作性能，漿體無法完全包裹鋼纖維，造成局部存在缺陷，降低了鋼纖維的三維亂向的僑聯(lián)搭接效果，導(dǎo)致試件的吸收沖擊能減少。

鋼纖維摻量為1.2%時，SACRM 的抗沖擊延性比β 是SACRM-0 的10.10 倍，PORM 的抗沖擊延性比β 是PORM-0的4.19 倍，SACRM、PORM 的抗沖擊延性比β 與MPCRM 相比分別降低了55.35%、59.71%，說明鋼纖維對MPCRM 的抗沖擊韌性提高效果要比SACRM 和PORM 更明顯。

試件的沖擊破壞是基體在低應(yīng)變條件下的疲勞損傷破壞，每次沖擊大概發(fā)生在1 ms 之內(nèi)，在快速的低應(yīng)變條件下，鋼纖維與普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥基體很容易出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，從而降低了鋼纖維阻止裂縫發(fā)展的效果，而磷酸鎂水泥水化初期pH 值較低，鋼纖維中的鐵離子大量溶出與溶液中的磷酸鎂形成化學(xué)結(jié)合，形成機械鍵槽咬合力，且磷酸鎂水泥水膠比較小，在水泥與鋼纖維的界面過渡區(qū)更為致密，在快速低應(yīng)變條件下很難發(fā)生界面滑移現(xiàn)象，能充分發(fā)揮鋼纖維耗能的作用。

2.3 彎曲韌性

2.3.1 荷載-撓度曲線

不同摻量的鋼纖維MPCRM 荷載-跨中撓度曲線如圖2所示。

圖2 不同摻量的鋼纖維MPCRM 荷載-跨中撓度曲線

由圖2 可以看出，鋼纖維的摻入明顯改變了MPCRM 試件的斷裂行為，未摻纖維時為明顯脆性斷裂，即試件開裂后立即破壞，摻入纖維后則為韌性斷裂。隨著鋼纖維的體積摻量增加，MPCRM 試件的開裂荷載和峰值荷載均提高，與不摻鋼纖維的MPCRM-0 試件相比，鋼纖維體積摻量為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%的MPCRM 試件的開裂荷載分別提高了19.5%、54.0%、84.0%、95.9%、100.2%，峰值荷載分別提高了19.5%、54.0%、86.5%、109.2%、112.8%，鋼纖的體積摻量為1.2%、1.6%和2.0%的MPCRM 開裂后荷載出現(xiàn)明顯的二次強化現(xiàn)象。殘余荷載[9]（摻鋼纖維MPCRM 試件的峰值荷載后與MPCRM-0 試件峰值荷載相等的荷載值）對應(yīng)的撓度反映了達到峰值荷載后的殘余承載能力，隨著鋼纖體積摻量增加，MPCRM 的殘余承載能力先提高后降低，鋼纖維體積摻量為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%和2.0%的MPCRM 試件的殘余荷載對應(yīng)的跨中撓度分別為0.56、1.01、2.13、2.59、2.48 mm，而不摻鋼纖維的MPCRM-0 試件跨中撓度僅為0.13 mm。

不同水泥類別的鋼纖維修補材料荷載-跨中撓度曲線如圖3 所示。

圖3 不同水泥類別的鋼纖維修補材料荷載-跨中撓度曲線

由圖3 可以看出，當(dāng)鋼纖維的體積摻量為1.2%時，與PORM、SACRM 相比，MPCRM 的初裂荷載分別提高了18.0%、22.1%，峰值荷載分別提高了15.7%、19.6%，荷載撓度曲線更加飽滿，MPCRM 初裂后，二次強化更明顯，說明MPCRM 具有更好的韌性。這主要也是由于MPCRM 與鋼纖維的握裹力要高于PORM 和SACRM，初裂后MPCRM 與纖維的協(xié)同效果更明顯，裂縫無序擴展時具有更好的裂縫捕捉能力，這也與壓折比和抗沖擊韌性的結(jié)論相一致。

2.3.2 彎曲韌性評價

各修補材料的相對剩余強度如表5 所示。

表5 修補材料的相對剩余強度 %

由表5 可見，隨著鋼纖維的摻量增加，MPCRM 的相對剩余強度先提高后降低，說明隨著鋼纖維的體積摻量增加MPCRM 的彎曲韌性先增大后減少，這與圖2 中的荷載-撓度曲線的飽滿程度相匹配，當(dāng)鋼纖維的體積摻量為1.6%時，MPCRM 的彎曲韌性最佳，MPCRM-1.6 的相對剩余強度最大，為88.78%，比PORM-1.2 和SACRM-1.2 分別增加了9.11%和12.35%。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)鋼纖維的體積摻量為1.2%時，MPCRM 折壓比達到最大值，為0.22；與PORM 和SACRM 相比，鋼纖維對MPCRM的折壓比提高效果更明顯。

（2）鋼纖維的摻入可以明顯提高MPCRM 的抗沖擊韌性，鋼纖維的體積摻量為1.2%～1.6%時，MPCRM 的抗沖擊韌性最佳。

（3）隨著鋼纖維的體積摻量增加，MPCRM 試件的彎曲開裂荷載和峰值荷載均提高；鋼纖維體積摻量為0、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%的MPCRM 試件的殘余荷載對應(yīng)的跨中撓度分別為0.13、0.56、1.01、2.13、2.59、2.48 mm。

（4）與鋼纖維PORM 試件和鋼纖維SACRM 試件相比，鋼纖維MPCRM 的荷載-撓度曲線更加飽滿，二次強化更明顯；當(dāng)鋼纖維的體積摻量為1.6%時，MPCRM 的相對剩余強度達到了最大值，為88.78%。

（5）在制備鋼纖維增強水泥基修補材料時，鋼纖維對MPCRM 韌性提高具有更好的效果。