潮湿环境下短聚丙烯纤维对高强修补砂浆性能的影响研究

黄洪财，桂苗苗，王培新，徐仁崇，陈超

（厦门市建筑科学研究院集团股份有限公司，厦门 福建 361100）

潮湿环境下短聚丙烯纤维对高强修补砂浆性能的影响研究

黄洪财，桂苗苗，王培新，徐仁崇，陈超

（厦门市建筑科学研究院集团股份有限公司，厦门 福建 361100）

本文研究了潮湿环境下 3mm、6mm 短聚丙烯纤维对高强修补砂浆的工作性能及物理力学性能的影响。结果表明：在掺量 0.60% 的范围内，高强修补砂浆拌合物的稠度会随着短聚丙烯纤维掺量的增大而减少，但稠度减小的幅度总体上相对较小。在潮湿的水养护环境下，随着 3mm 短聚丙烯纤维掺量的增加，高强修补砂浆的 7d 抗折强度会慢慢减小，而 28d 抗折强度则呈现出波动的变化、组分间相差相对较小；7d 抗压强度会先增大而后减小，而 28d 的抗压强度则会减小。6mm 短聚丙烯纤维的加入会提高高强修补砂浆的 28d 抗压强度。随着 3mm 短聚丙烯纤维掺量的增加，高强修补砂浆 28d 压折比会急剧降低，柔韧性会显著提高，而 6mm 短聚丙烯纤维的加入则会增加高强修补砂浆压折比。

短聚丙烯纤维；高强；修补砂浆；潮湿环境

修补砂浆的开裂是影响砂浆修补效果的主要因素之一，实践证明纤维的掺入有利于减少混凝土及砂浆裂缝的产生，提高混凝土及砂浆的抗裂性能，特别是对早期收缩裂缝的产生具有很好的预防效果[1-3]。大坝、船闸、港口、桥墩等在潮湿环境下对服役工程的修复，修补砂浆的应用环境更加恶劣，对砂浆抗裂性能的要求也更高，通常通过在修补砂浆中加入抗裂纤维来提高修补砂浆的抗裂性能，以满足相应的使用要求[4-5]。本文通过研究潮湿环境下，3mm、6mm 短聚丙烯纤维的掺入对高强聚合物修补砂浆的工作性能及物理力学性能的影响，探索其相应的影响规律。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

（1）水泥：福建润丰水泥厂生产的 P·O42.5 水泥，其物理性能指标见表 1。

表 1 水泥的物理力学性能

（2）粉煤灰：漳州市后石电厂生产的 Ⅱ 级粉煤灰，细度 14.8%，需水量比 97%，烧失量 1.91%。

（3）矿粉：S95 级矿渣粉，比表面积 410m2/kg，流动度比 100%。

（4）无机填料：增加密实、减少收缩的作用，福建省大田县奋发环保材料有限公司提供，粒径 ＜0.16mm。

（5）河砂：厦门海城商贸有限公司生产，粒径＜2.5mm。

（6）减水剂：巴斯夫聚羧酸系粉剂。

（7）增粘剂：6021E型聚合物乳胶粉，北京天维宝辰化学产品有限公司生产。

（8）保水剂：羟丙基甲基纤维素醚（HPMC），北京天维宝辰化学产品有限公司生产。

（9）短纤维：短聚丙烯纤维，Ⅰ型长度为 3mm，Ⅱ 型为 3mm 长度规格、6mm 长度规格按 1:1 比例混合的纤维。

1.2 试验方法

在固定胶凝材料（水泥、粉煤灰、矿粉、无机填料）、水胶比、集料用量以及增粘剂、减水剂、保水剂不变的情况下，掺入 3mm、6mm 长的短聚丙烯纤维，通过调整短聚丙烯纤维的长度和掺量来研究不同种类、掺量的短聚丙烯纤维对高强修补砂浆的稠度、抗压抗折强度、压折比等性能的影响，具体配合比见表 2。试验时，先将聚丙烯纤维和胶凝材料、集料、粉状外加剂混合，预搅拌 30s，后再加水，按 JG/T 289—2010《混凝土结构加固用聚合物砂浆》中的要求拌和后，按 JGJ 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》中砂浆稠度的测试方法进行拌合物稠度测试，后制作40mm×40mm×160mm 的抗压、抗折强度试件，脱模后持续在 (20±2)℃ 的不流动水中养护,模拟相应的潮湿使用环境，至龄期后，测试相应的 7d、28d 抗压、抗折强度。

表 2 短聚丙烯纤维对高强修补砂浆性能影响的试验配合比

2 结果和讨论

表 3 为表 2 中不同种类、掺量短聚丙烯纤维高强修补砂浆配比组分的稠度，7d、28d 抗压、抗折强度，压折比的试验结果。

表 3 短聚丙烯纤维对高强修补砂浆性能影响的试验结果

2.1 短聚丙烯纤维对高强修补砂浆稠度的影响

图 1 为表 2 中几种不同掺量、种类的短聚丙烯纤维对高强修补砂浆拌合物稠度的影响图。

图 1 短纤维对高强修补砂浆稠度的影响图

由图 1 可以看出，在其他条件不变的情况下，随着短聚丙烯纤维掺量的增加，高强修补砂浆拌合物的稠度总体呈现着缓慢减小的趋势。说明了短聚丙烯纤维掺量对高强修补砂浆拌合物的稠度有一定的影响，随着短聚丙烯纤维量的增加，高强修补砂浆拌合物会变稠。

同时，由表 3 中的稠度数据可知，随着短聚丙烯纤维掺量的增加，1#～5# 配比高强修补砂浆拌合物稠度减少的幅度总体上不是很大，从短纤维掺量为 0.07% 的 1# 配比的112mm，减小到 Ⅱ 型 0.60% 掺量的 6# 配比的 105mm，说明了在 0.60% 的掺量范围内，3mm、6mm 短聚丙烯纤维对高强修补砂浆拌合物稠度减少的幅度总体上相对较小。

2.2 短聚丙烯纤维对高强修补砂浆抗压、抗折性能的影响

图 2、图 3 为表 2 中几种不同掺量、种类的短聚丙烯纤维对高强修补砂浆的 7d、28d 抗压、抗折强度的影响图；图 4为表 2 中几种不同掺量、种类的短聚丙烯纤维对高强修补砂浆的 7d、28d 压折比的影响图。

图 2 短纤维对 7d、28d 抗折强度的影响图

图 3 短纤维对 7d、28d 抗压强度的影响图

图 4 短纤维对 7d、28d 压折比的影响图

由表 3、图 2 可知，在使用Ⅰ型 3mm 短聚丙烯纤维的1#～4# 配比中，在潮湿的养护环境下，随着 3mm 短纤维掺量的增加，高强修补砂浆的 7d 的抗折强度会慢慢减小，而28d 抗折强度呈现出波动的变化、组分间相差相对较小；而多掺了 0.30% 的 6mm 短纤维的 5# 配比组分的 7d、28d 抗折强度与 3# 配比组分相比，相差不大；总体上看，在 1#～5# 配比组分中，短聚丙烯纤维对高强修补砂浆 7d 抗折强度的影响比28d 抗折强度的大。

由表 3、图 3 可知，在使用Ⅰ型 3mm 短聚丙烯纤维的1#～4# 配比中，在潮湿的养护环境下，随着 3mm 短纤维掺量的增加，高强修补砂浆的 7d 抗压强度会先增大而后减小，而 28d 抗压强度则会减小；而多掺了 0.30% 的 6mm 短纤维的5# 配比组分的 7d 抗压强度同 3# 配比组分的相近，28d 抗压强度则增加较多；总体上看，在 1#～5# 配比组分中，短聚丙烯纤维对高强修补砂浆 28d 抗压强度的影响比 7d 抗压强度的大。

由表 3、图 4 可知，在使用Ⅰ型 3mm 的短聚丙烯纤维的1#～4# 配比中，随着短聚丙烯纤维掺量的增加，其 7d 的压折比先增大而后减小，总体上 7d 压折比间的差值相对较小，而28d 的压折比则急剧的降低；而多掺了 0.30% 的 6mm 短纤维的 5# 配比组分同 3# 配比组分的 7d 压折比相近，28d 压折比则有所增加。说明了在高强修补砂浆中使用 3mm 的短聚丙烯纤维，在 0.45% 的掺量范围内，高强修补砂浆后期的柔韧性会随着聚丙烯纤维的掺量的增加而增强，而 3mm、6mm 短聚丙烯纤维混掺对高强修补砂浆的柔韧性则并非一定具有增强作用。

2.3 机理分析

由纤维的阻裂理论——复合材料力学理论和纤维间距理论可知，纤维在砂浆中的效应主要有增强效应和空间效应，二者相互作用从而提高了砂浆的抗裂能力[6]。聚丙烯纤维加入到高强修补砂浆配比中，加水拌合后，纤维在拌合物中呈现着三维乱向分布，容易形成空间立体结构，从而阻止了拌和物的沉降、降低了拌合物的流动性，从而降低了高强修补砂浆拌合物的稠度；同时，因聚丙烯纤维具有较大的表面积，加入到高强修补砂浆中拌合后，需要大量的水泥浆体包裹，而导致水泥浆体的含量相对减少，纤维掺量越高，消耗的水泥浆体就相应的越多，从而也使拌合物稠度变稠[7]。3mm、6mm 长的短聚丙烯纤维，其相应的空间立体效应相比长纤维较小，所以其对高强修补砂浆拌合物稠度降低的总体幅度相对较小。

高强修补砂浆配比组分中所使用的胶凝材料量较大，集料的颗粒较小，砂浆配比总体级配相对较好，水化后期试件密实度高、孔隙率相对较少。聚丙烯纤维的加入，会消耗大量的水泥浆体，使胶凝作用的材料含量相对减少，从而降低了胶凝材料对集料的包裹作用；同时，3mm 短聚丙烯纤维的加入，在水化后期密实度相对较好的高强修补砂浆中，其所形成的空间立体支撑作用相对较小，而在高强修补砂浆试件中所形成的界面和孔隙则相应的有了极大的增多[8-9]。所以随着 3mm 聚丙烯纤维掺量的增加，高强修补砂浆的 28d 抗压强度会急剧的降低。而同时，短聚丙烯纤维掺量的提高，对水化后期高强修补砂浆受弯、抗折过程中裂缝的加强作用则较为显著，抵消了自身在修补砂浆中所消耗的浆体、增加了界面的负作用，所以使高强修补砂浆 28d 抗折强度的变化相对较小。

高强修补砂浆中，随着 3mm 丙烯纤维掺量的增加，其对高强修补砂浆 28d 抗折强度的影响相对较小，而抗压强度的降低则相对较大，使高强修补砂浆的压折比随掺量的增加而降低，从而增强了高强修补砂浆的柔韧性。

3 结论

（1）在短聚丙烯纤维掺量为 0.60% 的范围内，高强修补砂浆拌合物的稠度随着短聚丙烯纤维掺量的增大而减少，但稠度减小的幅度总体上相对较小。

（2）在潮湿的水养护环境下，随着 3mm 短聚丙烯纤维掺量的增加，高强修补砂浆的 7d 抗折强度会慢慢的减小，而28d 的抗折强度则呈现出波动的变化、组分间相差相对较小；7d 抗压强度会先增大而后减小，而 28d 抗压强度则会减小；6mm 短聚丙烯纤维的加入会提高高强修补砂浆 28d 抗压强度。

（3）潮湿的水养护环境下，随着 3mm 短聚丙烯纤维掺量的增加，高强修补砂浆 28d 压折比会急剧的降低，柔韧性会显著的增强，而 6mm 短聚丙烯纤维的加入则会增加高强修补砂浆的压折比。

[1] 王玲玲，陈彦文，潘文浩，等．聚丙烯纤维砂浆抗裂性能研究[J]．混凝土，2011(12): 113-115．

[2] 司秀勇，潘慧敏．维对混凝土早期抗裂性能的影响[J]．硅酸盐通报，2011,30(6): 1425-1429．

[3] 李长风，刘加平，刘建忠，等．烯纤维砂浆抗裂性能的定量图像分析[J]．混凝土，2009(8): 94-96．

[4] 黄从运，陈超，陈川，等．聚丙烯纤维聚合物乳液改性修补砂浆及界面处理对其粘结性能的影响[J]．化学建材，2009,25(2): 24-27．

[5] 张恒， 刘兴元．纤维增强干粉修补砂浆的力学性能研究[J]. 低温建筑技术，2013(6): 14-15．

[6] 钱春香，耿飞，李丽．聚丙烯纤维提高水泥砂浆抗塑性开裂的机理[J]．东南大学学报，2005,35(5): 786-791．

[7] 赵丽杰，李崇智，章银祥．复掺聚合物和纤维对砂浆性能的影响[J]．河南科技大学学报，2013,34(4): 70-75．

[8] Filho R D，Sanjun M A. Effect of low modulus sisal and polypropylene fi bre on the free and restrained shrinkage of mortars at early age[J]. Cement and Concrete Research, 1999, 29(11): 1597-1604.

[9] 张帅．聚丙烯纤维增强水泥复合材料的性能与机理研究[D]．济南：济南大学，2009: 44-46．

［通讯地址］福建省厦门市同安区新民镇凤岭路 760 号 厦门市建筑科学研究院集团股份有限公司 研发中心（361100）

黄洪财（1978—），男，硕士，工程师，建筑材料与工程专业，主要从事建筑材料的研究与测试工作。