剑麻纤维砂浆抗渗防裂性能试验.pdf

第 卷第 期 年 月 土木工程与管理学报 收稿日期 修回日期 作者简介 卢小丽 女 湖北广水人 讲师 硕士 研究方向为水泥基复合材料 通讯作者 苏 洁 女 湖北黄冈人 讲师 硕士 研究方向为混凝土材料及结构力学行为 基金项目 中央高校基本科研专项 剑麻纤维砂浆抗渗防裂性能试验 卢小丽 苏 洁 李丽平 武汉工程科技学院 工程学院 湖北 武汉 中国地质大学 工程学院 湖北 武汉 摘 要 为研究普通水泥砂浆掺入剑麻纤维后抗渗防裂性能 用平板法进行早期收缩裂缝试验 并取相同配合 比进行抗渗性能试验 研究不同长度 不同体积掺量的剑麻纤维对砂浆早期收缩性能和抗渗性能的影响 并开 展剑麻纤维影响抗渗性能和早期抗裂性能的相关性研究 试验结果表明 体积掺量 长度 的剑麻 纤维抗渗防裂效果均为最佳 裂缝降低系数为 最大渗水压力提高 剑麻纤维水泥砂浆抗渗性 能与抗裂性能两种耐久性能具有正相关性 即抗裂性能越高 抗渗性能越好 因为剑麻纤维均匀地分布在水泥 砂浆基体之中 它可以阻碍集料的分层和离析 保证水泥基材料早期的泌水性 抑制水泥基材料的干缩从而阻 止沉降裂纹的产生 且能约束基体变形并阻碍基体的错位运动 关键词 剑麻纤维 试验研究 抗渗性能 抗裂性能 相关性 中图分类号 文献标识码 文章编号 土木工程与管理学报 年 从上个世纪中期以来 水泥砂浆由于其自身 优良的性能而被广泛使用在各类民用建筑当中 并成为使用最普遍的建筑材料之一 特别是在建 筑物的外层 直接承受风雨侵蚀 但它也存在许 多缺点 如抗折强度低 抗裂防渗性能差等 目前 普遍使用掺入纤维的方法改善这类问题 剑麻纤 维是一种绿色 环保 经济的植物纤维 有着价格 低廉 质地坚韧 拉伸强度高 耐磨损 抗腐蚀等诸 多优越的性能 是一种理想的增强砂浆纤维材料 它能有效地组织砂浆表面失水和提及收缩 从而 拟制表面裂缝的出现 同时也可以降低砂浆的应 力集中 起到良好的抗渗防裂效果 进而增加基体 的使用寿命 然而 目前在国内外研究中 大 多数研究均侧重于对剑麻纤维增强水泥基材料力 学性能的研究 同时 在剑麻纤维增强水泥 基材料抗裂性能 和抗渗性能 的研究中 通 常集中于其中某个单一性能进行探究 并未考虑 两者性能之间的相关性 综合研究剑麻纤维抗渗 防裂性能的相关文献较少 本文在参考相关文献 的基础上 对剑麻纤维水泥砂浆的抗渗性能和抗 裂性能进行探究 并研究剑麻纤维水泥砂浆抗渗 性能与抗裂性能二者之间的相关性 揭示剑麻纤 维对水泥砂浆的抗渗抗裂机理 研究成果有助于 解决普通水泥砂浆的抗裂性能差等缺点 并推进 剑麻纤维增强水泥砂浆的进一步实际工程应用 试验概况 原材料 细骨料采用武汉本地普通河沙 级配良好 细 度模数为 最大粒径为 堆积密度和 表观密度符合规范 硅酸盐建筑制 品用砂 中要求 水泥为 普通硅酸盐 水泥 质量符合现行国家标准 通用 硅酸盐水泥 的要求 通过将成品剑麻分别剪 成 的短剑麻 图 之后按长度分批 用 的 溶液浸泡 清洗晒干 去 除杂质以确保试验研究中不受其他因素的影响 表 给出了剑麻纤维的物理性能和剑麻纤维 的化学组成质量百分比 图 剑麻和剑麻纤维 表 剑麻纤维的物理性能 性能 密度 伸长率 拉伸强度 拉伸弹性模量 数值 配合比设计 本文采用 因素 水平完全试验 在国内外 文献中 用剑麻纤维增强水泥基材料的力学性 能 的试验采用的剑麻纤维长度多为 剑麻纤维掺入量为最佳 因此本文试验的剑 麻纤维体积掺量分别选取为 三个水平 此外 剑麻纤维长度因素中选 取 三种不同长度 并考虑未掺纤维的 纯砂浆对比组 共计 组试件 根据 纤维混凝土结构技术规范 中要求 剑麻 纤维早期收缩裂缝试验的砂浆配合比中 灰砂比 水灰比 同时为了对比研究剑麻纤 维对早期收缩裂缝性能影响与抗渗性能之间的关 系 在剑麻纤维抗渗性能试验中 采用相同配合比 进行试验 组剑麻纤维水泥砂浆配合比设计 如表 所示 表 每 剑麻纤维水泥砂浆原材料用量 编号 纤维掺量 纤维长度 编号 纤维掺量 纤维长度 注 为纯砂浆 为剑麻纤维水泥砂浆 抗裂性能试件制作 根据 纤维混凝土结构技术规 程 中相关规定 剑麻纤维水泥砂浆早期收缩 裂缝试验使用模具如图 所示 纤维砂浆的试件 为平面薄板 模具边框由高 等肢角钢制 作 边框内设直径为 间距 的单排栓 钉 栓钉长度为 底板上铺聚乙烯薄膜隔 离层 每组 个 剑麻纤维水泥砂浆制作工艺如 下 先将砂倒入搅拌机中 开启搅拌机 边搅拌边 加入剑麻纤维 此过程持续约 后将水泥和 水一起加入搅拌 将已经制备完成的剑麻纤维水泥砂浆倒入图 所示试模中 振捣 抹平后用塑料薄膜覆盖 室温为 试件成型 后取下塑料薄 膜 用电风扇吹试件表面 风速 环境温度 为 相对湿度不大于 成型后 观察裂缝数量 宽度和长度 裂缝以肉眼可见裂 缝为准 用钢尺测量裂缝长度 当裂缝出现明显弯 第 期卢小丽等 剑麻纤维砂浆抗渗防裂性能试验 800 100 600 20 6 L203 600 图 早期收缩裂缝试验模具 折时 用折线长度之和代表裂缝长度 用读数显 微镜 分度值 测度裂缝宽度 取裂缝重 点附近的宽度代表该裂缝的名义最大宽度 按下 式计算裂缝总面积 式中 为试件裂缝总面积 为第 条裂缝名义最大宽度 为第 条裂缝的长 度 裂缝降低系数按下式规定计算 式中 为纯水泥砂浆裂缝面积 抗渗性能试件制作 将搅拌好的剑麻纤维水泥砂浆倒入上口直径 下口直径 高 的截头圆锥带 底金属试模 用抹刀插捣数次 当填充砂浆略高于 试模边缘时 用抹刀以 角一次性将多余的砂 浆刮去 然后再用抹刀以较平的角度在试模表面 反方向刮平 每组 个试件 抗渗性能试件成型 后在室温的环境下 静置 脱模 将其放入养 护室养护 后取出 清除表面杂质后用玻璃胶 密封装入水泥砂浆渗透仪中进行实验 加载方案为 从 开始加压 恒压 后增加 以后每隔 增加 当 个试件中有 个试件端面有渗水现象时 停止试 验 记录当前水压 为了比较各项掺量对抗渗性 能结果的影响 采用下列公式计算 式中 为纤维增强砂浆试验结果数值 为普通水泥砂浆试验结果数值 试验结果与分析 试验结果 平板约束试验试件成型并按照要求养护 后 按试验规程检测 组平板试件裂缝面积 并 进行阻裂效能等级评价 分别找出每组试件的最 长裂缝长度和最大裂缝宽度 平板试件的裂缝分 布情况见图 图 裂缝检测结果以及相关指标 的计算结果见表 其中裂缝面积为每组 个试 件裂缝面积的平均值 两者数值相差不超过 图 纯水泥砂浆平板试件裂缝分布 图 典型剑麻纤维水泥砂浆平板试件裂缝分布 剑麻纤维对水泥砂浆早期收缩裂缝和抗渗 性能影响规律分析 对比表 中的剑麻纤维掺入组和纯砂浆试验 组 得出剑麻纤维能极大地抑制水泥砂浆早期收 缩裂 缝 的 产 生 裂 缝 降 低 系 数 为 按照规范的相关评价体系 全部可评定 为一级阻裂效能 此外对比图 可以直观看出 在加入剑麻纤维后 平板试件裂缝明显减少了 根据图 所示 在纤维长度一定的情况下 剑麻纤 维水泥砂浆早期收缩裂缝面积随剑麻纤维体积掺 量的增加而增加 在体积掺量一定的情况下 剑麻 纤维水泥砂浆早期收缩面积随剑麻纤维长度的增 加而增加 同时值得注意的是 体积掺量少的 长 度相对较短的剑麻纤维比体积掺量较大 长度较 大的剑麻纤维对增强水泥砂浆的早期抗裂性能效 果更为显著 早期抗渗性能研究方法是对一定时间内试件 渗水高度进行研究 进而判断试件抗渗性能 而 本文是将试件渗水时的渗水压力作为抗渗性能指 标 剑麻纤维的加入能够高效地提高水泥砂浆的 最大渗水压力 试验数据得出 最大渗水压力增 长了 根据图 所示 在纤维长度 一定的情况下 剑麻纤维水泥砂浆最大渗水压力 随着剑麻纤维体积掺量的提高而降低 在体积掺 量一定的情况下 剑麻纤维水泥砂浆最大深水压 土木工程与管理学报 年 力随着剑麻纤维长度的增加而减少 同时 和剑 麻纤维对增强水泥砂浆的早期抗裂性能相似 体 积掺量较少 纤维长度相对较短的对抗渗性能提 高更多 高达 表 剑麻纤维水泥砂浆早期收缩裂缝实验结果及最大渗水压力结果 试件编号 纤维掺量 纤维长度 最大裂缝长度 最大裂缝宽度 裂缝面积 裂缝降低 系数 最大渗水压 0 050 100 15 0 50 100 150 200 250 300 mm 6 mm 9 mm 12 mm mm 2 图 剑麻纤维水泥砂浆早期收缩裂缝试验结果 0 050 100 15 0 40 0 45 0 50 0 55 0 60 6 mm 9 mm 12 mm mm MPa 图 剑麻纤维水泥砂浆抗渗性能试验结果 在图 中任选一点带入到图 中可以发现 早期抗裂性能越好 即裂缝面积越低的试件 最大 渗水压力越大 即抗渗性能越好 也就意味着早 期抗裂性能越强 后期抗渗性能就越好 对比以上结论发现 在水泥砂浆中掺入纤维 长度相对较短 体积掺量较少的剑麻纤维对水泥 砂浆的早期抗裂性能和抗渗性能均有所提升且趋 势一致 剑麻纤维对水泥砂浆早期收缩裂缝和抗渗 性能共同影响机理分析 为揭示上述试验现象的内在物理机制 认识 纤维基体的黏结破坏机理 利用扫描电镜 分析技术观察了剑麻纤维原始形貌和剑麻纤维水 泥砂浆开裂破坏后的细观表面形貌 如图 所示 目前的研究表明 纤维在水泥基体中 至少有以下三个主要的作用 提高基体开裂 的应力水平 使水泥基体能够承受更高的应力 改善基体的应变能延展性 从而增加能力提 高它的韧性 减少和抑制水泥基体的塑性沉 降裂缝 以上三个主要作用可以通过 提出的复合材料混合定律证实 从图 中可以 发现 剑麻纤维本身是纤维束状并聚集成整体 而通过图 能发现每根纤维束并不是紧密相连 纤维的表面会出现许多的孔隙 通过比例尺换算 该孔隙宽度约为 由于这些孔隙的存在 当普通水泥砂浆加入的剑麻纤维均匀的分布在水 泥砂浆基体之中 它可以阻碍集料的分层和离析 保证水泥基材料早期的泌水性 抑制水泥基材料 的干缩从而阻止沉降裂纹的产生 从图 中可以 看出 在剑麻纤维附近的水泥基体整体性很好 很 少有空隙出现 空隙减少意味着阻止材料内部裂 纹的扩展或改变裂纹延伸方向 减少裂缝的宽度 和平均断裂空间 同时减少裂缝的贯通从而提升 了水泥砂浆的整体性 而整体性增加也就意味着 在水泥砂浆集体中的空隙小 裂缝少 最终导致水 泥砂浆的抗渗性能和抗裂性能就会有很大的提 升 图 剑麻纤维表面形貌 图 剑麻纤维端部形貌 纤维 水泥基符合材料可以看成由两相组 成 水泥基相及纤维分散相 当荷载作用在基体 第 期卢小丽等 剑麻纤维砂浆抗渗防裂性能试验 材料上 基相承担并主要作为传递和分散荷载的 介质 将荷载传递到分散相上 这样 荷载主要由 高强度 高模量的分散相承担 分散相纤维约束基 体变形并阻碍基体的错位运动 从图 中可 以看到受力而部分断裂的纤维束 也就意味着在 受荷状态下 剑麻纤维的加入对水泥基材料在整 体性上有所提升 增强水泥砂浆抗渗防裂性能 图 剑麻纤维和水泥接触面 图 剑麻纤维水泥砂浆开裂破坏后的细观表面形貌 图 剑麻纤维纤维素断裂情况 结 论 剑麻纤维水泥砂浆对比普通水泥砂浆裂 缝面积减少 且各配合比的阻裂 效能等级均能达到一级 其中体积掺量为 长度为 的剑麻纤维加入到水泥砂浆中 早 期收缩裂缝面积最小 为 抗裂效果最 好 裂缝降低系数为 剑麻纤维水泥砂浆最大渗水压力相对于 普通水泥砂浆提高 各配合比均 有一定程度提高 其中体积掺量为 长度为 的剑麻纤维加入到水泥砂浆中 抗渗性能最 好 提高 随着剑麻纤维体积掺量和长度的减小 剑麻纤维水泥砂浆的抗渗性能与抗裂性能均逐步 提高 且抗裂面积越小 抗渗性能越强 剑麻纤维 能够较好地改善水泥砂浆的抗裂防渗性能 且剑 麻纤维水泥砂浆抗渗性能与抗裂性能两种耐久性 能具有正相关性 即抗裂性能越高 抗渗性能越 好 参考文献 包惠明 孟汉卿 剑麻纤维混凝土力学性能试验研 究 混凝土 黄琼念 覃 峰 马福荣 等 剑麻纤维水泥混凝 土复合材料性能试验的研究 广西大学学报 自然科学版