聚丙烯纤维对聚合物水泥砂浆性能的影响

聚丙烯纤维对聚合物水泥砂浆性能的影响

张水 李国忠 姜葱葱 张卫豪
(济南大学材料科学与工程学院, 济南250022)

1 前言
聚丙烯纤维具有施工方便、成本低廉、耐化学腐蚀等优点,将其作为增强材料掺入水泥砂浆中,可以减少砂浆在硬化过程中微裂纹的产生,并阻止或延缓其扩展,从而有效提高砂浆的抗拉强度[1]。但是聚丙烯纤维表面光滑、表面能低、分子链上不含任何活性基团,且表面疏水,导致其与水泥基体粘结性能较差[2-3]。同时,由于聚丙烯纤维增强水泥砂浆内部存在大量孔隙,造成水泥水化物、聚丙烯纤维和骨料界面接触不够充分,降低了水泥砂浆的耐久性能,这些都影响到聚丙烯纤维在水泥基材料中的应用效果,制约了其应用范围[4-5]。为此,本试验采用掺加一定量的聚合物乳液对聚丙烯纤维水泥砂浆进行改性,以期提高聚丙烯纤维与水泥砂浆基体的界面粘结性能,提高砂浆的抗折强度,并改善其抗渗性能。

2 试验
2.1 原材料
水泥采用山东省某水泥厂生产的42.5R 级普通硅酸盐水泥,其化学组成见表1;河砂,细度模数2.8,含泥量<1.5%,符合JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》要求;聚丙烯纤维为四川华神化学建材有限责任公司生产, 其横截面为三叶型,长16mm~20mm,直径为24μm;苯丙乳液为北京东方亚科力化工科技有限公司生产,其主要技术指标见表2;减水剂为山东省建筑科学研究院外加剂厂生产的萘系高效减水剂;试验用水为自来水。


2.2 配合比
水泥砂浆配合比包括基准水泥砂浆S0、聚合物水泥砂浆S0′、聚丙烯纤维水泥砂浆S1~S3 以及聚丙烯纤维聚合物水泥砂浆S1′~S3′四种配合比(见表3),其中: 聚丙烯纤维掺量为纤维占水泥砂浆的体积分数,聚合物乳液和减水剂掺量分别为聚合物乳液和减水剂占水泥的质量分数。搅拌方法按GB1346-2001《水泥标准稠度、用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行:先将水泥、砂和聚丙烯纤维放入砂浆搅拌机内慢速干拌1.5min,然后在10s 内将水、减水剂与聚合物乳液的混合体倒入搅拌机内,再快速搅拌1.5min。

2.3 试验方法
2.3.1 力学强度
参照GB/T17671-1999 《水泥胶砂强度检验方法》,在尺寸为40mm×40mm×160mm 试模中成型试样,标准养护至规定龄期。先进行抗折强度试验,折断后的断块再进行抗压强度试验。

2.3.2 抗渗性能
参照JTGE30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》, 制得尺寸为Ф70mm×Ф80mm×30mm 的试样。将试样放进标准养护箱(20℃、相对湿度95%)养护28d 后脱模,利用抗渗仪测定试样的抗渗性:起始水压设为0.1MPa,以后每隔1h 升压0.1MPa,当6 个试件中有至少3 个试样表面出现渗水现象时即可停止试验并记下此时的压力值。

3 试验结果与分析
3.1 力学强度
表4 列出了不同配合比聚丙烯聚合物乳液改性水泥砂浆试样3d、28d 的抗折强度和抗压强度。

由表4 可知,单掺聚丙烯纤维可增大水泥砂浆的抗折强度,且在其试验掺量范围内,试样的抗折强度随着纤维掺量的增大而增大, 当纤维掺量为0.6kg/m3和0.8kg/m3 时,与基准砂浆试样(S0)相比,其(S2、S3)28d 抗折强度分别增大了15.44%和18.65%。单掺聚丙烯纤维在一定程度上增大了水泥砂浆的抗压强度,但其增强效果不明显。单掺10%苯丙乳液在一定程度上增大了水泥砂浆的抗折强度,但同时也降低了其抗压强度。同时掺加聚丙烯纤维和10%苯丙乳液可以较明显地增大水泥砂浆的抗折强度, 当纤维掺量为0.6kg/m3 和0.8kg/m3 时,与基准砂浆试样(S0)相比,其(S2′ 、S3′ )28d 抗折强度分别增大了29.20% 和33.64%。同时掺加纤维和聚合物乳液虽然降低了水泥砂浆的抗压强度,但其降幅较小。

3.2 抗渗性
水泥砂浆属于耐水材料,具有刚性自防水功能,但由于其本身是一种多孔性材料, 在一定水压作用下,水分仍有可能渗透到一定深度,从而引起各种耐久性问题,因此,抗渗性是水泥砂浆耐久性的一个重要指标[6]。对不同配合比试样进行抗渗试验,结果见表5。

由表5 可以看出,掺加适量的聚丙烯纤维可以提高水泥砂浆的抗渗性能, 当纤维掺量为0.4kg/m3 和0.6kg/m3 时,与基准水泥砂浆试样(S0)相比,其(S1、S2)抗渗压力增大了50.0%。与单掺聚丙烯纤维相比,单掺10%苯丙乳液对改善水泥砂浆抗渗性能的效果更为明显, 其对水泥砂浆抗渗压力的增幅达到了100.0%。同时掺加聚丙烯纤维和苯丙乳液可以显著提高水泥砂浆的抗渗性能,当掺加0.6kg/m3 聚丙烯纤维和10%苯丙乳液时, 试样(S2′) 的抗渗压力值高达1.0MPa,为试样S0 的5.0 倍、试样S0′的2.5 倍、试样S2 的3.3 倍,这表明聚丙烯纤维和苯丙乳液在水泥砂浆中产生了较好的复合效应,使水泥砂浆的抗渗性能得到了显著提高。

3.3 微观结构分析
水泥砂浆的微观形貌见图1。

从图1(a)中可以看出,未掺苯丙乳液时,聚丙烯纤维表面比较光滑,仅有少量的水泥水化产物附着在其上,这表明纤维与水泥基体粘结不牢固。另外,在纤维附近还发现存在少量微裂纹,这些微裂纹在外力作用下极易扩展到纤维与水泥砂浆基体的界面,造成纤维与基体的粘结性能降低,削弱了纤维对水泥砂浆的增强效果。从图1(b)可看出,掺加苯丙乳液后,在纤维的表面形成了一层聚合物膜,纤维与基体粘结比较紧密,且纤维附近无微裂纹,这表明聚合物乳液的掺入改善了纤维与基体的界面粘结性能。在水泥砂浆中掺加适量聚丙烯纤维, 纤维在基体中可分散均匀,并呈现三维乱向分布状态,对骨料可起到支撑作用, 可抑制砂浆离析, 降低砂浆表面泌水现象,从而有效减少沉降裂缝、塑性收缩裂缝、干燥收缩裂缝的形成。在裂缝的发展过程中,纤维可以使裂缝尖端的应力集中作用降低, 延缓裂缝发展及连通裂缝的出现。纤维的阻裂作用较明显地提高了砂浆的抗折强度,改善了抗渗性能。然而,在水泥砂浆中掺加聚丙烯纤维会增加基体中的界面数, 再加上聚丙烯纤维表面疏水,纤维与基体的界面效应呈弱界面效应,使纤维的增强效果受到了限制。在水泥砂浆中掺加聚合物乳液,一方面,聚合物颗粒可填充孔隙,使砂浆密实度提高,聚合物乳液失水后,在基体中形成聚合物膜,可切断砂浆中的毛细管道, 从而提高砂浆的抗渗性能; 另一方面,聚合物乳液可在纤维与基体界面形成柔性界面层,改善纤维与基体的界面结构, 使纤维的增强效果更加明显。纤维与聚合物乳液产生了较好的复合效应,使水泥砂浆的抗折强度和抗渗性能得到显著提高。

4 结论
(1)单掺聚丙烯纤维可以在一定程度上提高水泥砂浆的抗折强度。同时掺加适量的聚丙烯纤维和10%苯丙乳液可以进一步增大水泥砂浆的抗折强度,当纤维掺量为0.6kg/m3 和0.8kg/m3 时, 与基准砂浆试样(S0) 相比, 其(S2′、S3′)28d 抗折强度分别增大了29.20%和33.64%。
(2)单掺10%苯丙乳液可以提高水泥砂浆的抗渗性能,与基准砂浆试样(S0)相比,其抗渗压力增大了1.0 倍。同时掺加10%苯丙乳液和适量聚丙烯纤维可以进一步提高水泥砂浆的抗渗性能, 当纤维掺量为0.6kg/m3 时,其(S2′)抗渗压力达到了1.0MPa,为基准砂浆试样(S0)的5.0 倍。
(3)聚丙烯纤维因其表面光滑、表面疏水,其与基体之间易产生弱界面效应,纤维在水泥砂浆中的增强效果受到了限制。苯丙乳液的填充作用及其成膜特性显著提高了砂浆的抗渗性能,并通过在纤维与基体间形成柔性界面层, 改善了纤维与基体的界面结构,使纤维的增强效果得到了提高。

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