建筑外墻用纖維增強(qiáng)水泥砂漿的收縮性能研究*

劉廣斌

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西楊凌712100）

水泥砂漿是建筑混凝土結(jié)構(gòu)的必備材料之一,一般在建筑施工現(xiàn)場(chǎng)攪拌,但是由于水泥砂漿多用于薄壁結(jié)構(gòu)[1],在使用過程中經(jīng)常會(huì)由于外界環(huán)境的變化而出現(xiàn)“干透”或“濕透”現(xiàn)象[2],并造成建筑外墻等結(jié)構(gòu)中的砂漿產(chǎn)生干縮濕脹現(xiàn)象,并最終造成砂漿開裂,這些“干透”或“濕透”現(xiàn)象的存在很大程度上會(huì)影響水泥砂漿的使用效果并造成生產(chǎn)成本升高、返工現(xiàn)象嚴(yán)重以及使用壽命較短等問題[3]。為了解決水泥砂漿的失水收縮和開裂問題,研究人員在水泥砂漿的成分配比上做了大量工作,且已證實(shí)在水泥砂漿中加入纖維可以有效改善水泥砂漿的收縮性能[4],但是在水泥砂漿中摻入玻璃纖維、玄武巖纖維和鋼纖維并與基準(zhǔn)水泥砂漿的收縮性能的對(duì)比分析卻鮮有報(bào)道[5-6]。在此基礎(chǔ)上,本文對(duì)比分析了基準(zhǔn)水泥砂漿試塊與纖維增強(qiáng)水泥砂漿試塊的收縮性能與斷面形貌,并分析了相應(yīng)的作用機(jī)理,結(jié)果有助于新型抗收縮的纖維增強(qiáng)水泥砂漿的開發(fā)與工程化應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)原料包括曲阜中聯(lián)水泥有限公司生產(chǎn)的P.I42.5硅酸鹽水泥（比表面積325m2/kg、密度3.18g/m3、初凝和終凝時(shí)間分別為136min和220min、28d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為8.8MPa和51.0MPa）、細(xì)度模數(shù)2.36的河砂（堆積密度1593kg/m3、含泥量1.8%）以及不同廠家的纖維（基本物性指標(biāo)見表1）。

表1 纖維的物性指標(biāo)Table 1 Physical properties of fiber

根據(jù)JC/T 603-2004《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》和表2的建筑外墻用纖維增強(qiáng)水泥砂漿的配合比[7],采用三聯(lián)試模成型方法將水泥砂漿制成標(biāo)準(zhǔn)試塊（25×25×250,mm）,在標(biāo)準(zhǔn)箱中覆蓋薄膜養(yǎng)護(hù)1天后拆模并轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行水養(yǎng)護(hù)48h處理,采用比長儀測(cè)定試件初始尺寸后移入養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行不同齡期的干燥養(yǎng)護(hù),并在各個(gè)齡期下測(cè)定干燥收縮率、長度和重量,整個(gè)過程中保持養(yǎng)護(hù)溫度為20℃、養(yǎng)護(hù)濕度為60%。砂漿試塊第n天的齡期干縮率Sn可用式（1）表示[8]：

表2 建筑外墻用纖維增強(qiáng)水泥砂漿的配合比（kg/m3）Table 2 Mix proportion of fiber reinforced cement mortar for building exterior wall

式（1）中,L0和Ln分別為砂漿試塊初始長度和齡期第n天的長度。為了測(cè)定纖維增強(qiáng)砂漿試塊的自收縮率,將砂漿試塊脫模后測(cè)定初始長度并采用薄膜和石蠟密封,在20℃/90%RH的標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處理,每間隔7天測(cè)定水泥砂漿試件的重量和長度變化,根據(jù)干燥收縮率的測(cè)定方法計(jì)算自收縮率[9]。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

圖1為纖維增強(qiáng)水泥砂漿的自收縮率隨齡期的變化曲線。對(duì)比分析可知,無論是基準(zhǔn)砂漿,還是纖維增強(qiáng)砂漿（玻纖砂漿、鋼纖砂漿、玄武巖砂漿和木纖維砂漿）,砂漿試塊的自收縮率都會(huì)隨著齡期增加而逐漸增大,在齡期較短時(shí),纖維增強(qiáng)水泥砂漿的自收縮率增加幅度較快,而隨著齡期的延長,纖維增強(qiáng)水泥砂漿的自收縮率的增長幅度變緩。相對(duì)而言,在相同齡期下,纖維不同的砂漿試塊的自收縮率存在一定差異,且都明顯低于基準(zhǔn)砂漿的自收縮率,這也表明纖維增強(qiáng)砂漿的抑制砂漿收縮的能力都優(yōu)于基準(zhǔn)砂漿[10],且相同齡期下鋼纖砂漿試塊的自收縮率最小,具有最佳的抑制砂漿收縮的能力。

圖2為纖維增強(qiáng)水泥砂漿的收縮率隨齡期的變化曲線。對(duì)比分析可知,無論是基準(zhǔn)砂漿還是纖維增強(qiáng)砂漿,在齡期較短時(shí)的收縮率會(huì)快速增長,而當(dāng)齡期接近20d時(shí)收縮率趨于平緩,在齡期達(dá)到90d時(shí)基本穩(wěn)定。當(dāng)砂漿試塊的收縮率穩(wěn)定后將其泡入水中進(jìn)行35d的濕脹處理以及再干縮處理。對(duì)比分析可見,干縮變形后再次泡入水中,纖維增強(qiáng)水泥砂漿試塊都會(huì)出現(xiàn)快速濕脹,且干縮僅能恢復(fù)少量變形,基準(zhǔn)砂漿和纖維增強(qiáng)砂漿的濕脹曲線相似。結(jié)合圖1的纖維增強(qiáng)水泥砂漿的自收縮率隨齡期的變化曲線可知,相同齡期下纖維增強(qiáng)砂漿試塊的收縮率會(huì)明顯高于自收縮率,其中,基準(zhǔn)砂漿的自收縮率與收縮率的比值約為19.4%,而纖維增強(qiáng)砂漿的自收縮率與收縮率的比值介于15.8%～17.4%?？梢?纖維增強(qiáng)砂漿試塊的自收縮率與收縮率的比值小于基準(zhǔn)砂漿試塊。

圖2 纖維增強(qiáng)水泥砂漿的收縮率隨齡期的變化Fig. 2 Shrinkage change of fiber reinforced cement mortar with age

圖3為纖維增強(qiáng)水泥砂漿的失水率隨齡期的變化曲線。對(duì)比分析可知,在齡期90天前,基準(zhǔn)砂漿和纖維增強(qiáng)水泥砂漿試塊的失水率都會(huì)隨著齡期增加而逐漸增大,且早期失水率會(huì)隨著齡期延長而快速增加。纖維增強(qiáng)水泥砂漿的失水率隨齡期的變化曲線與收縮率-齡期曲線較為相似,在齡期為90d時(shí),基準(zhǔn)砂漿試塊的失水率最小,其次為木質(zhì)素纖維砂漿試塊,而玄武巖纖維砂漿試塊的失水率最大,究其原因,這主要與基準(zhǔn)砂漿在加入纖維后,內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)更加致密,從而造成纖維增強(qiáng)水泥砂漿內(nèi)水分更容易逸出所致[11]；且相對(duì)而言,玄武巖纖維砂漿的結(jié)構(gòu)致密性最差,失水率會(huì)相對(duì)較大,但是整體而言,四種纖維增強(qiáng)水泥砂漿在齡期90d時(shí)的失水率差別并不大,整體介于6.89%～7.31%之間。

圖3 纖維增強(qiáng)水泥砂漿的失水率隨齡期的變化曲線Fig. 3 Water loss rate curve of fiber reinforced cement mortar with age

圖4為纖維增強(qiáng)水泥砂漿試塊的35d濕脹率和90d干縮率。從90d干縮率上來看,除木質(zhì)素纖維砂漿試塊的90d干縮率高于基準(zhǔn)砂漿試塊外,其余纖維增強(qiáng)水泥砂漿試塊的90d干縮率都相較基準(zhǔn)砂漿試塊更小,且玻璃纖維砂漿試塊的90d干縮率最??；從35d濕脹率上來看,纖維增強(qiáng)水泥砂漿試塊的35d濕脹率與干縮率的變化趨勢(shì)一致,即玻璃纖維砂漿試塊的35d濕脹率最小,而木質(zhì)素纖維砂漿試塊的35d濕脹率最大且高于基準(zhǔn)砂漿試塊。由此可見,纖維的加入會(huì)對(duì)水泥砂漿試塊的干燥收縮變形產(chǎn)生明顯影響,且玻璃纖維由于在砂漿試塊中呈三維網(wǎng)狀分布且與砂漿基體結(jié)合力較強(qiáng)[12],因此,其干縮率會(huì)相對(duì)較小。

圖4 纖維增強(qiáng)水泥砂漿試塊的35d濕脹率和90d干縮率Fig. 435d wet expansion rate and 90d dry shrinkage rate of fiber reinforced cement mortar test block

圖5為纖維增強(qiáng)水泥砂漿試塊的斷面形貌。其中圖5(a)為未加入纖維的基準(zhǔn)砂漿試塊的斷面形貌,為典型常規(guī)水泥砂漿試塊的斷面形態(tài),而加入玻璃纖維后[圖5(b)],斷面上可見分散度較高的玻璃纖維,這種呈三維均勻分布的斷面形態(tài)有助于抑制干縮[13]；圖5(c)為鋼纖維增強(qiáng)水泥砂漿試塊的斷面形貌,可見鋼纖維在斷面中的分布數(shù)量較少,且由于鋼纖維自身的憎水特性以及造成砂漿試塊多孔的特征,整體抑制干縮的能力較差[14]；圖5(d)為玄武巖纖維增強(qiáng)砂漿試塊的斷面形貌,可見局部區(qū)域出現(xiàn)了成團(tuán)現(xiàn)象,在干縮過程中容易造成應(yīng)力集中[2],而使得其干縮效果會(huì)差于玻璃纖維增強(qiáng)水泥砂漿試塊；圖5(e)的木質(zhì)纖維素增強(qiáng)水泥砂漿試塊的斷面形貌中可見方框所示的絮狀結(jié)構(gòu)(孔隙率較高),不利于砂漿內(nèi)部的干縮變形[15],其抑制干縮的效果也會(huì)低于玻璃纖維增強(qiáng)砂漿試塊。

圖5 纖維增強(qiáng)水泥砂漿試塊的斷面形貌Fig.5 Cross section morphology of fiber reinforced cement mortar test block

圖6為纖維增強(qiáng)水泥砂漿的收縮率與失水率的關(guān)系曲線。

圖6 纖維增強(qiáng)水泥砂漿的收縮率與失水率的關(guān)系曲線Fig. 6 Relation curve between shrinkage and water loss of fiber reinforced cement mortar

由圖6可見,隨著失水率的增加,基準(zhǔn)砂漿試塊和纖維增強(qiáng)水泥砂漿試塊的收縮率的變化趨勢(shì)基本相同,都表現(xiàn)為收縮率隨著失水率增加而不斷增大的特征。此外,在失水率高于6%時(shí),基準(zhǔn)砂漿試塊和纖維增強(qiáng)水泥砂漿試塊的收縮基本完成,表現(xiàn)為收縮率逐漸趨于穩(wěn)定,且木質(zhì)纖維素增強(qiáng)水泥砂漿試塊的收縮率最高,其次為基準(zhǔn)砂漿試塊,而玻璃纖維增強(qiáng)砂漿試塊的收縮率最低。從收縮率與失水率的關(guān)系曲線中可知,失水率與試塊的收縮率密切相關(guān),收縮率的變化主要與水分遷移有關(guān)[16],在相同失水率的情況下,玻璃纖維增強(qiáng)水泥砂漿試塊的收縮率是纖維增強(qiáng)水泥砂漿試塊中最小的,這也就說明玻璃纖維更加有利于抑制水泥砂漿試塊的收縮,這與前述的試驗(yàn)結(jié)果保持一致。

圖7為纖維增強(qiáng)水泥砂漿的濕脹率與吸水率的關(guān)系曲線?；鶞?zhǔn)砂漿試塊和纖維增強(qiáng)水泥砂漿試塊的濕脹率都會(huì)隨著吸水率的增加而逐漸增大。無論是基準(zhǔn)砂漿還是纖維增強(qiáng)砂漿,在泡水后的試塊都會(huì)迅速吸水而產(chǎn)生濕脹,且在相同吸水率時(shí),木質(zhì)纖維增強(qiáng)水泥砂漿試塊的濕脹率最大,而玻璃纖維增強(qiáng)水泥砂漿試塊的濕脹率最小。在相同吸水率時(shí),玻璃纖維增強(qiáng)水泥砂漿的濕脹率與玄武巖纖維增強(qiáng)水泥砂漿試塊相當(dāng),但是結(jié)合前述的90d干縮率可知,玻璃纖維水泥砂漿試塊的干縮率會(huì)低于后者,這也說明纖維增強(qiáng)水泥砂漿試塊中的玻璃纖維更加有利于抑制干縮,并具有最好的干縮濕脹穩(wěn)定性[17]。

圖7 纖維增強(qiáng)水泥砂漿的濕脹率與吸水率的關(guān)系曲線Fig. 7 Relation curve between moisture expansion and water absorption of fiber reinforced cement mortar

3 結(jié)論

（1）基準(zhǔn)砂漿和纖維增強(qiáng)砂漿試塊的自收縮率都會(huì)隨著齡期增加而逐漸增大,在相同齡期下,纖維增強(qiáng)砂漿試塊的自收縮率都明顯低于基準(zhǔn)砂漿的自收縮率。相同齡期下纖維增強(qiáng)砂漿試塊的收縮率會(huì)明顯高于自收縮率,其中,基準(zhǔn)砂漿的自收縮率與收縮率的比值約為19.4%,而纖維增強(qiáng)砂漿的自收縮率與收縮率的比值介于15.8%～17.4%。

（2）基準(zhǔn)砂漿和纖維增強(qiáng)水泥砂漿試塊的失水率都會(huì)隨著齡期增加而逐漸增大,且基準(zhǔn)砂漿試塊的失水率最小,其次為木質(zhì)素纖維砂漿試塊,而玄武巖纖維砂漿試塊的失水率最大；四種纖維增強(qiáng)水泥砂漿在齡期90d時(shí)的失水率差別并不大,整體介于6.89%～7.31%之間。

（3）纖維增強(qiáng)水泥砂漿試塊的35d濕脹率與90d干縮率的變化趨勢(shì)一致,即玻璃纖維砂漿試塊的90d干縮率和35d濕脹率最小,這主要與玻璃纖在砂漿試塊中呈三維網(wǎng)狀分布且與砂漿基體結(jié)合力較強(qiáng)有關(guān)?；鶞?zhǔn)砂漿和纖維增強(qiáng)水泥砂漿試塊的失水率與收縮率密切相關(guān),在相同失水率的情況下,玻璃纖維增強(qiáng)水泥砂漿試塊的收縮率是纖維增強(qiáng)水泥砂漿試塊中最小的,即玻璃纖維更加有利于抑制水泥砂漿試塊的收縮。