玄武巖纖維對水泥砂漿性能的影響

段小芳

(南通開放大學(xué) 建筑工程學(xué)院，江蘇 南通 226006)

玄武巖纖維力學(xué)性能好、價格低廉，是一種熱工性能良好的無機纖維材料。水泥砂漿抗拉強度低、塑性差、早齡期收縮大，將玄武巖纖維摻入水泥砂漿中可改善砂漿的物理、力學(xué)、收縮等性能。卓紅霞[1]研究發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維可以改善水泥砂漿的堆積密實度，隨著纖維摻量的增加，密實度先提升后降低。程從密等[2]研究發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維可以抑制水泥砂漿的自收縮和干燥收縮。李家俊[3]研究發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維摻量越大，對水泥砂漿干燥收縮抑制越顯著。馬曉杰[4]研究發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維可以提高水泥砂漿抗折強度，降低水泥砂漿干燥收縮，對抗壓強度影響較小。江朝華等[5]研究發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維降低了水泥砂漿的流動度，有效提高了水泥砂漿早齡期的強度和抗裂性能?？登锊ǖ萚6]的研究結(jié)論和文獻[5]基本一致。趙玉肖[7]認(rèn)為，玄武巖纖維對3 d、28 d齡期砂漿的抗壓強度及抗折強度均有顯著提高作用。學(xué)者們關(guān)于玄武巖纖維對水泥砂漿性能影響的研究結(jié)論并不一致。本研究在水泥砂漿中摻入不同體積率的玄武巖纖維，探究水泥砂漿流動性、孔隙率、吸水性、表觀密度、力學(xué)性能、干燥收縮性能的發(fā)展變化規(guī)律，以期為工程實踐提供參考。

1 試驗部分

1.1 原材料

試驗原材料選用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，砂子粒徑小于5 mm，水泥砂漿中水泥、砂、水的配合比為1∶2∶0.5。玄武巖纖維主要參數(shù)見表1，摻入的纖維體積為水泥砂漿體積的0%、0.08%、0.16%、0.24%、0.32%。

表1 玄武巖纖維主要參數(shù)

1.2 試驗方法

砂漿的流動值測定參考GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》[8]，水泥砂漿流動度采用砂漿流動儀(圖1)測定。砂漿分兩層裝入模具，第一層裝至模具高度的2/3處，然后裝入第二層，用搗棒搗壓，抹去高出模具的砂漿，最后將模具提起。試驗結(jié)束后，砂漿底面互相垂直兩個方向直徑的平均值即水泥膠砂流動度。

圖1 砂漿流動儀

砂漿孔隙率和吸水率測定參考ASTM C20—00StandardTestMethodsforApparentPorosity,WaterAbsorption,ApparentSpecificGravity,andBulkDensityofBurnedRefractoryBrickandShapesbyBoilingWater[9]。表觀密度、立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度、干燥收縮測定參考JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法》[10]。立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度試件尺寸為 70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，收縮試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。試件制作完成后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護，養(yǎng)護條件為溫度(20±5)℃、相對濕度90%。收縮試驗從1 d齡期開始測試。

先將28 d齡期的試件放在105 ℃烘箱中烘干，干重記為D；再將試件放到裝有蒸餾水的燒杯中煮沸 2 h，然后冷卻12 h，用細線懸掛試件測得懸掛重S；最后用布將試件表面擦干測得飽和重W。計算孔隙率P和吸水率A，測試結(jié)果取3個試件的平均值[11]。

孔隙率

(1)

吸水率

(2)

計算表觀密度ρ(測試結(jié)果取2次平均值)：

(3)

式中：ρ為砂漿表觀密度，kg/m3；m1為容量筒質(zhì)量，kg；m2為容量筒及砂漿總質(zhì)量，kg；V為容量筒容積，L(砂漿容量筒容積1 L，直徑108 mm，高109 mm)。

計算立方體抗壓強度fcc(測試結(jié)果取3個試件的平均值)：

(4)

式中：fcc為抗壓強度，MPa；p為破壞荷載，N；A為試件受壓面積，mm2。

計算劈裂抗拉強度fts(測試結(jié)果取3個試件的平均值)：

(5)

式中：fts為劈裂抗拉強度，MPa；p為破壞荷載，N；A為試件劈裂面面積，mm2。

干燥收縮試驗測定砂漿在無外部荷載作用下的軸向長度變形，采用弓形螺旋測微計測試，測頭置于試件兩端，砂漿分兩層裝入模具，采用搗棒振搗。

計算干燥收縮值εdry(測試結(jié)果取3個試件的平均值)：

(6)

式中：l(t0)為試件終凝后測定的初始長度，mm；l(t)為每次測量時試件的長度，mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 流動性

玄武巖纖維砂漿流動度發(fā)展變化曲線見圖2，從中可以看出隨著玄武巖纖維摻量的增加，砂漿流動度降低。當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.32%時，流動度較纖維摻量為0%的基準(zhǔn)試件降低6.64%。這是因為玄武巖纖維在水泥砂漿中形成亂象分布的三維支撐體系，阻礙水泥砂漿流動，故流動度降低。

圖2 玄武巖纖維砂漿流動度發(fā)展變化曲線

2.2 孔隙率

玄武巖纖維砂漿養(yǎng)護28 d后孔隙率發(fā)展變化曲線見圖3，從中可以看出隨著玄武巖纖維摻量的增加，孔隙率提高。當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.32%時，孔隙率達到20.3%，較纖維摻量為0%的基準(zhǔn)試件增幅為18.71%。這是因為玄武巖纖維在砂漿中形成的三維網(wǎng)絡(luò)支撐結(jié)構(gòu)阻礙了砂漿流動，漿體內(nèi)部分布不均勻，纖維摻量越大，孔隙率越高。

圖3 玄武巖纖維砂漿孔隙率發(fā)展變化曲線

2.3 吸水性

玄武巖纖維砂漿養(yǎng)護28 d后吸水率發(fā)展變化曲線見圖4，從中可以看出隨著玄武巖纖維摻量的增加，砂漿吸水率提高。當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.32%時，吸水率為9.8%，較摻量為0%的基準(zhǔn)試件增加22.50%。玄武巖纖維摻入后，砂漿孔隙率與吸水性提高。

圖4 玄武巖纖維砂漿吸水率發(fā)展變化曲線

2.4 表觀密度

玄武巖纖維砂漿養(yǎng)護28 d后表觀密度發(fā)展變化曲線見圖5，從中可以看出隨著玄武巖纖維摻量的增加，砂漿表觀密度降低。當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.32%時，表觀密度較摻量為0%的基準(zhǔn)試件降低4.27%。摻入玄武巖纖維后，砂漿孔隙率提高，表觀密度降低。

圖5 玄武巖纖維砂漿表觀密度發(fā)展變化曲線

2.5 力學(xué)性能

2.5.1立方體抗壓強度

玄武巖纖維砂漿養(yǎng)護3 d和28 d的立方體抗壓強度發(fā)展變化曲線見圖6。3 d齡期時，砂漿立方體抗壓強度隨著玄武巖纖維摻量的增加先增加后降低。原因分析：玄武巖纖維力學(xué)性能好，彈性模量大，在砂漿中形成不規(guī)則三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，齡期3 d時砂漿強度較低，外部荷載通過橋接作用由玄武巖纖維承受，抗壓強度提高；當(dāng)纖維摻量過大時，砂漿容易成團，內(nèi)部漿體分布不均勻，抗壓強度降低。28 d齡期時，砂漿立方體抗壓強度隨著玄武巖纖維摻量的增加而降低，原因是玄武巖纖維形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)阻止了漿體流動，漿體內(nèi)部分布不均勻，密實度降低，抗壓強度降低。

圖6 玄武巖纖維砂漿立方體抗壓強度發(fā)展變化曲線

2.5.2劈裂抗拉強度

玄武巖纖維砂漿養(yǎng)護3 d和28 d的劈裂抗拉強度發(fā)展變化曲線見圖7，從中可以看出隨著玄武巖纖維摻量的增加，砂漿劈裂抗拉強度提高。與不摻玄武巖纖維的基準(zhǔn)試件相比：當(dāng)纖維摻量為0.16%時，抗拉強度增加19.06%；當(dāng)纖維摻量為0.32%時，抗拉強度增加23.10%。由此可見，當(dāng)纖維摻量為0%～0.16%時，抗拉強度增幅顯著；當(dāng)纖維摻量高于0.16%時，抗拉強度增幅變小。當(dāng)纖維摻量較小時，玄武巖纖維可以均勻分布在水泥漿體中，提高水泥漿體和骨料的黏結(jié)性能。隨著外部荷載的增大，砂漿承受的拉應(yīng)力增大，當(dāng)達到其極限時，玄武巖纖維通過橋接作用繼續(xù)承受拉應(yīng)力，砂漿抗拉強度提高。若玄武巖纖維摻量過大，則不易在漿體內(nèi)部均勻分布，會導(dǎo)致砂漿抗拉強度降低。

圖7 玄武巖纖維砂漿劈裂抗拉強度發(fā)展變化曲線

2.5.3拉壓比

玄武巖纖維砂漿養(yǎng)護3 d和28 d的拉壓比發(fā)展變化曲線見圖8，從中可以看出玄武巖纖維可以有效提高拉壓比，對 3 d齡期的水泥砂漿更顯著。當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.24%時，3 d和28 d齡期的水泥砂漿拉壓比分別為0.144和0.138，較未摻玄武巖纖維時分別提高了28.85%和50.03%。拉壓比提高說明玄武巖纖維降低了水泥砂漿脆性，提高了塑性和抗裂性能[12]。

圖8 玄武巖纖維砂漿拉壓比發(fā)展變化曲線

2.6 干燥收縮性能

玄武巖纖維砂漿干燥收縮發(fā)展變化曲線見圖9，從中可以看出摻入玄武巖纖維后，砂漿干燥收縮值變小。當(dāng)玄武巖纖維摻量為0%～0.16%時，試件的收縮率降低1.8%～15.16%；當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.16%～0.32%時，試件的收縮率降低16%～31%。這說明玄武巖纖維對砂漿收縮起到了較好的約束作用。原因主要是纖維彈性模量大，在砂漿中亂象分布形成三維骨架，和水泥漿體產(chǎn)生較好的黏結(jié)，有效抑制了砂漿收縮。纖維摻量越大，這種抑制作用越顯著[13]。由圖9可見，砂漿干燥收縮應(yīng)變值隨著齡期的增加而增大，0～7 d增幅顯著，7～28 d增幅平緩。原因是前7 d試件中自由水含量大，干燥收縮應(yīng)變值近似線性增長；7～28 d隨著水化反應(yīng)的進行，水分逐漸減少，干燥收縮應(yīng)變值增幅放緩并趨于平穩(wěn)。

圖9 玄武巖纖維砂漿干燥收縮發(fā)展變化曲線

3 結(jié)論

(1)玄武巖纖維降低了水泥砂漿流動性和表觀密度，提高了水泥砂漿孔隙率和吸水性。

(2)當(dāng)齡期為28 d時，隨著玄武巖纖維摻量的增大，水泥砂漿的抗壓強度降低，劈裂抗拉強度先提高后降低，拉壓比增大。

(3)當(dāng)齡期為3 d時，隨著玄武巖纖維摻量的增大，水泥砂漿的抗壓強度和劈裂抗拉強度先提高后降低，拉壓比增大；3 d齡期的拉壓比大于28 d齡期。

(4)隨著玄武巖纖維摻量的增大，水泥砂漿干燥收縮應(yīng)變值降低。

(5)綜合考慮玄武巖纖維對水泥砂漿各項性能的影響，建議玄武巖纖維最優(yōu)摻量為0.24%。