新型纤维防水干粉砂浆性能研究

0 引言
干混砂浆, 就是以水泥等胶凝材料, 配合以砂、其它掺合料和砂浆外加剂, 通过干混工艺进行预拌制而形成的一种干粉建筑材料。它具有以下优点: 突破了传统砂浆生产工艺的限制, 大大提高了产品质量的稳定性; 由于商品化的生产规模, 使得固定成本的摊销大幅度降低, 在保证质量的前提下实现了最低的成本可以明显加快施工速度, 提高施工质量。同时, 由于减少了中间环节, 对环境保护带来了相当的好处, 因此推广迅速。但是传统砂浆一般都在现场施工拌制, 砂浆抗渗性差, 收缩率大, 工作性能也不理想。常常造成粉刷开裂、起壳、渗漏等建筑质量问题。为了解决传统砂浆的这些缺陷, 性能优异的干粉砂浆得到了迅速发展。近来, 通过纤维改性干混砂浆的研究发展迅速。纤维掺入砂浆中后, 可以具有以下功能[2- 7]: ①有效提高砂浆的抗裂能力; ②大大提高砂浆的抗渗防水性能; ③增强抗冲击能力; ④增强抗冻能力。因此, 本试验中采用玻璃和聚丙烯纤维改性干混砂浆。

1 试验原材料
水泥: 焦作坚固水泥厂生产的42.5 级普通硅酸盐泥; 细骨料: 细度模数为2.75 的中砂; 外加剂: 焦作协力建材出产的减水剂; 膨胀剂: 焦作协力建材提供的UEA; 可分散性乳胶粉:RE5010N; 高分子聚合物S80; 纤维: 聚丙烯纤维、玻璃纤维。

2 试验方法
对于干混防水砂浆最重要的是砂浆的抗渗能力、施工难易程度。本文考察了砂浆的强度、抗渗压力、粘结强度和吸水率。抗压、抗折强度, 参照GB 177- 85《水泥胶砂强度检测方法》进行。抗渗试验采用上口直径70 mm, 下口直径80 mm, 高度为30 mm 的试膜成型后经24 h 湿气养护, 然后脱膜并放入养护向中继续养护至28 d, 进行透水加压试验。粘结强度试验参照日本材料学会《非结构用聚合物水泥砂浆的标准试验方法》进行。试验采用40 mm×40 mm×160 mm 尺寸。基准砂浆也采用上述尺寸, 配合比为水泥∶砂∶水=1∶2∶0.5, 成型后同胶砂试验, 标准养护后, 将时间用切割机切成两半, 并在砂轮上修正。基准砂浆的粘贴面在浇筑前保持湿润, 把新拌的砂浆浇筑到40 mm×40 mm×80 mm 的基准砂浆断面上, 成型出40 mm×40 mm×160 mm 的砂浆, 喷淋洒水薄膜养护3 d 后脱膜, 而后薄膜养护到28 d。28 d 后按抗折强度的方法测定粘结抗折强度。

3 试验数据及分析
3.1 试验
试验过程中主要选用了市场上常见两种纤维聚丙烯纤维、玻璃纤维, 下面将通过试验研究这两种纤维对砂浆基本性能的影响并且确定出每种纤维的最佳掺量范围, 并对两种纤维对砂浆的改性效果进行比较。对比试验结果如下表1 所示: 其中灰砂比1∶3, 聚灰比0.2%,膨胀剂掺量9%, 减水剂掺量0.8%。

从表1 中可以看出, 在掺加聚丙烯纤维后, 能够明显的提高砂浆的强度( 包括抗压、抗折和粘结强抗度) , 降低吸水率, 从而提高抗渗性。与没有掺加纤维的砂浆相比, 掺加纤维的抗渗性能都有一定程度的提高, 这是因在砂浆中掺加适量的微细纤维可有效的抑制其早期干缩微裂及离析裂纹的产生与发展, 极大的减少了砂浆的收缩裂缝, 尤其是抑制了连通裂缝的产生。均匀分布在砂浆中彼此相粘结的大量纤维起了承托“骨料”的作用, 降低了砂浆表面的析水, 从而提高了抗渗性。

3.2 不同聚丙烯纤维掺量试验结果
在灰砂比为1∶3, 聚灰比为0.2%, 膨胀剂掺量为9%的情况下, 通过加入不同质量的聚丙烯纤维, 分析它们对砂浆性能的影响。其试验结果见表2。


从图1 中, 我们可看出, 掺加纤维以后能稍微的提高砂浆试块的7 d 和28 d 抗压强度, 但是对砂浆的强度的提高总的趋势不是很大, 并且其强度并不是单纯的随着纤维的掺量的增加而增加, 而是先增加然后减少, 这是因为纤维掺加过多可能容易成团, 反而降低了纤维的实际利用效率, 从而可以看出纤维有一个最佳的掺量, 本试验中的最佳掺量为0.2%。

从图2 中可以看出在掺加纤维后, 能增加砂浆的抗折强度, 但不是单纯的线性增加, 而是先增加, 然后又减少。主要是因为聚丙烯纤维的乱向分布形式有助于削弱砂浆的塑性收缩,收缩的能量被分散到每立方米上千万条具有高抗拉强度而弹性模量相对较低的纤维单丝上, 从而极为有效的增强了砂浆的韧性, 抑制了裂缝的产生和发展。由于纤维以单位体积较大的数量均匀分布在混凝土内部, 故裂缝在发展过程中必然遇到纤维的阻挡, 消耗了能量, 难以进一步发展, 从而阻碍裂缝起到了抗裂的作用。纤维的加入犹如在砂浆中加入了微细筋, 这些纤维筋抑制了砂浆开裂的过程, 提高了其断裂性能, 但纤维掺加过多可能容易成团, 反而降低了纤维的实际利用效率, 表中显示掺量为0.2%时最好, 这说明纤维有一个最佳的掺量。不过纤维的掺量对稠度和分层度影响不大。掺入聚丙烯纤维的分层度略有下降。这是因为均匀分布在砂浆中彼此相粘结的大量纤维起了承托骨料的作用, 降低了砂浆表面的析水和骨料的沉降离析, 保证了早期均匀的泌水, 阻碍了沉降裂缝的形成。砂浆的抗拉强度提高, 韧性提高, 抗裂性能提高。

从图3 可以看出, 随着纤维的增加, 其吸水率逐渐减小, 其抗渗性逐渐提高。聚丙烯纤维的加入可以使砂浆的抗渗性有较大提高。掺入大量的纤维可以有效的抑制砂浆早期干缩微裂及离析裂纹的产生与发展, 极大减少了砂浆的收缩裂缝, 尤其是有效抑制了连通裂缝的产生; 均匀分布在砂浆中彼此相粘结的大量纤维起到了承托骨料的作用, 降低了砂浆边面的析水与集料的离析, 从而使砂浆直径为50~100 nm 和大于100 nm 的空隙( 这类空隙是引起砂浆渗水的主要原因) 的含量大大降低, 可以极大地提高抗渗能力。

3.3 两种纤维复掺对砂浆的影响
砂浆中掺入有机纤维后可以提高砂浆的韧性, 用单一纤维对水泥基材改性, 可通过提高纤维掺量或调整纤维直径、长度的方法来增加强度提高韧性。但是这些方法都有一定的限制, 如纤维掺量过大, 分散性就不好, 难以均匀分布在水泥基体中, 超过一定量后容易成团, 反而起不到增强、增韧的效果。纤维长度不能过大, 纤维长度太长, 不仅难以在砂浆中均匀分散, 而且也易成团影响纤维增强、增韧效果, 同时当纤维长度大于其临界长度后, 纤维会被拔断, 强度虽然得到充分的发挥, 但是增韧效果较差。由此可见单一纤维的增强、增韧效果是有限的。可以考虑不同品种纤维,不同长度的纤维进行混杂使用以达到更佳的效果。不同品种纤维的混杂一般是弹性模量相差较大的两种或多种纤维进行混杂。同样在聚灰比为0.2%, 灰砂比为1∶3, 膨胀剂掺量为9%的情况下:第四组F4 在其中加入0.1%的玻璃纤维和0.2%的聚丙烯纤维; 第五组F5 在其中加入0.15%的玻璃纤维和0.15%的聚丙烯纤维; 第六组F6 在其中加入0.2%的玻璃纤维和0.1%的聚丙烯纤维, 其试验结果见表3。

从表3 中可以看出, 聚丙烯纤维的掺量越大, 砂浆试块的性能越好, 这说明聚丙烯纤维比玻璃纤维掺加后的复合效果更好一些。但是, 考虑到经济效益, 选第二种方案较好。

4 纤维改性机理分析
各种纤维材料加入水泥基体中, 理论上主要有以下三种作用[1, 8- 15]: ①提高基体的抗拉强度; ②阻止基体中原有缺陷( 微裂缝) 的扩展并延缓新裂缝的出现; ③提高基体的变形能力并从而改善其韧性与抗冲击性。均匀而任意分布的短纤维对水泥基材料的作用机理, 存在两种解释模型: 纤维间距机理和复合材料机理[1, 16- 17]。日本学者小林一辅认为, 纤维间距机理比较符合实际情况。

4.1 纤维间距机理
“纤维间距机理”( 又称纤维阻裂机理) , 根据线弹性断裂力学来说明纤维对于裂缝发生和发展的约束作用。认为在水泥基材料内部原来就存在缺陷, 欲提高其强度, 必须尽可能地减少缺陷的程度, 提高韧性, 降低内部裂缝端部的应力集中系数。根据Griffith 的脆性破坏理论, 水泥基材料内部有许多裂纹和空隙等缺陷, 当外力作用于这种材料时, 就在缺陷的部位产生较大的集中应力, 于是裂纹就从这些部位开始发展, 最后导致整个水泥基材料的破坏。加入纤维后由于纤维的乱向分布形式有助于削弱砂浆的塑性收缩, 收缩的能量被分散到每立方米上千万条具有高抗拉强度而弹性模量相对较低的纤维单丝上, 从而极为有效的增强了砂浆的韧性, 抑制了裂缝的产生和发展。由于纤维以单位体积较大的数量均匀分布在混凝土内部, 故裂缝在发展过程中必然遇到纤维的阻挡, 消耗了能量, 难以进一步发展, 从而阻碍裂缝起到了抗裂的作用。纤维的加入犹如在砂浆中加入了微细筋, 这些纤维筋抑制了砂浆开裂的过程, 提高了其断裂性能。

4.2 复合材料机理
理论出发点是复合材料构成的混合原理, 将纤维增强水泥基材料看作是纤维强化体系, 并应用混合原理来推定其抗拉和抗弯强度, 提出纤维增强水泥基材料强度与纤维掺入量、方向、长径比以及粘结力之间的关系。复合材料机理一般被理解为FPR 之类的纤维强化复合材料的强化法则, 该复合体的强度可以由纤维和被补强材料的容积比以及纤维和被补强材料的应力来表征( 在纤维和被补强材料的弹性变形相等的条件下才适用) 。即:

5 结论
( 1) 在干拌砂浆中加入短切纤维, 可以使砂浆的韧性得到改善, 提高砂浆的抗裂性、抗渗性。试验中采用了两种纤维: 聚丙烯纤维、玻璃纤维这两种纤维的综合改性效果, 聚丙烯纤维的效果较好, 长度要好。聚丙烯纤维的最佳的质量掺量为0.20%左右。如果两种纤维复掺的话, 可选用0.15%的聚丙烯纤维和0.15%的玻璃纤维。
( 2) 可再分散乳胶粉已经成为干拌砂浆一个相当重要的组分。乳胶粉可以使砂浆的和易性和力学性能, 韧性得到改善。综合对砂浆和易性、韧性和粘结性能的改善效果后得出, 乳胶粉的效果较好, 最佳质量掺量均为0.2%,
( 3) 在干拌砂浆中掺入一定量的UEA 膨胀剂后, 使得砂浆的抗裂性提高, 同时UEA 的加入可以使砂浆的抗渗性得到提高。
( 4) 灰砂比对干拌砂浆的和易性和力学性能都有较大的影响。灰砂比过小强度低; 过大则容易产生干缩裂缝, 综合考虑以上1∶3 是较为理想的, 此时, 砂浆的和易性较好, 同时砂浆的拉压比, 折压比也相对较高, 也即韧性较好, 粘结性能下降不大。
( 5) 在以上试验研究的基础上, 我们确定出了干拌砂浆的配合比。其基本配合比是水泥∶中砂∶减水剂∶膨胀剂∶水∶可再分散乳胶粉∶纤维=1∶3∶0.001∶0.09∶0.5∶0.002∶0.002, 在工地根据实际要求加水拌和即可使用。

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