改性聚丙烯纤维砂浆性能的研究

杨继强

(天津城建大学土木工程学院，天津，300384)

在水泥砂浆中掺入聚丙烯纤维能有效抑制水泥砂浆的塑性收缩，从而控制裂缝的形成及发展，可对砂浆基体产生增强、增韧等效果，明显改善水泥基复合材料的性能。聚丙烯纤维包括单丝、束状纤维、短切纤维和网状纤维［1］等。聚丙烯纤维的化学性能稳定，浓盐酸和浓硫酸对其强度无影响，抗老化，安全无毒。且聚丙烯纤维在水泥基复合材料中能保持非常优异的性能，具有掺加工艺简单、掺入量少、价格低等特点。聚丙烯纤维水泥基复合材料可广泛用于地下工程、机场跑道、屋面、墙体、道路及桥梁工程中。但是，未经改性处理的聚丙烯纤维在水泥砂浆中易结团，分散性及纤维与水泥基体间的黏结力差，因此，相关科研单位对聚丙烯纤维进行了改性研究［2-3］。本文研究了改性聚丙烯纤维对砂浆性能的影响。

1 改性聚丙烯纤维对砂浆性能的影响机理

由于改性聚丙烯纤维具有良好的耐酸、耐碱性和自分散性，砂浆拌合后改性聚丙烯纤维能在砂浆基体内均匀分散，并在其中形成均匀分布的三维网络结构［4］，因而降低了砂浆基体中微裂缝尖端的应力集中，防止了微裂缝进一步扩展。另外，由于改性聚丙烯纤维抗拉强度高、直径小［5］，纤维在砂浆中分布间距小、数量多，在水泥基体中相互黏结呈乱向分布［6-7］，受到外力后纤维可有效地传递应力，从而提高了水泥砂浆的抗拉强度和抗变形能力。因此，在水泥砂浆中掺入改性聚丙烯纤维可有效改善水泥砂浆的和易性，以及抗收缩、抗冻融等耐久性能。

2 试验部分

2.1 原材料

试验采用32.5级普通硅酸盐水泥，细骨料为河砂;改性聚丙烯纤维由欣晟建筑纤维有限公司提供。

改性聚丙烯纤维的主要物理性能指标：

密度 0.91 g/cm3

熔点 165～173℃

拉伸极限 (23±8)%

抗拉强度 ＞500 MPa

弹性模量 ＞4 500 MPa

耐化学性 很强

2.2 试验内容

试验主要研究了改性聚丙烯纤维对砂浆稠度、砂浆分层度、砂浆强度、砂浆抗收缩性能和砂浆抗冻融性能，以及纤维的搅拌方式对砂浆性能的影响。

3 结果与讨论

3.1 砂浆稠度

试验依据JGJ/T70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》［8］进行。砂浆配合比为水泥280 kg/m3、河砂 1 450 kg/m3、水 310 kg/m3。纤维掺量分别为 0.9、1.2 kg/m3，纤维长度分别为 19、30 mm。试验共分5组。采用砂浆稠度仪测量其沉入量，并进行对比。纤维砂浆稠度试验结果见表1。

表1 纤维砂浆稠度试验结果

试验结果表明：掺入改性聚丙烯纤维的砂浆沉入量比无纤维砂浆略有减小，说明砂浆流动性变小;当纤维长度相同时，掺入量越大，砂浆流动性越小。稠度的增加可减少拌合物的离析和泌水现象，这主要是由于改性聚丙烯纤维在浆体中杂乱分布及水泥砂浆黏附性所致。

3.2 砂浆分层度

试验依据、砂浆配合比及纤维掺入参数同3.1节。试验共分5组。采用分层度筒测量其分层度，并进行对比。纤维砂浆分层度试验结果见表2。

试验结果表明：掺入改性聚丙烯纤维后砂浆的分层度值均有不同程度的减小，说明砂浆保水性能增强;当纤维长度相同时，掺入量越大，砂浆保水性能越好。这与聚丙烯纤维经改性处理后亲水性增强有关。

表2 纤维砂浆分层度试验结果

3.3 砂浆强度

试验依据、砂浆配合比及纤维掺入参数同3.1节。立方体抗压强度及劈裂抗拉强度试件尺寸皆为70.7 mm ×70.7 mm ×70.7 mm，每组 3 块。试验共分5组。纤维砂浆强度试验结果见表3。

表3 纤维砂浆强度试验结果

从表3数据可知，掺入改性聚丙烯纤维的砂浆与无纤维砂浆相比，纤维砂浆的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度的均值分别提高了13.1%和28.6%。这是由于改性聚丙烯纤维在砂浆基体内分散均匀且呈乱向分布，有利于提高纤维与水泥基料之间的黏接强度。当纤维掺量为0.9 kg/m3时，掺入长19 mm纤维的水泥砂浆强度比掺入长30 mm纤维的水泥砂浆强度更好。劈裂抗拉强度的增长大于立方体抗压强度的增长，说明改性聚丙烯纤维在抑制砂浆的开裂方面效果更好。

3.4 砂浆抗收缩性能

试验依据、砂浆配合比及纤维掺入参数同3.1节。试件尺寸为 40.0 mm ×40.0 mm ×160.0 mm，试验共分4组。试验采用SP-175型立式砂浆收缩仪。纤维砂浆抗收缩性能试验结果见表4。

表4 纤维砂浆抗收缩性能试验结果

试验结果表明，掺入改性聚丙烯纤维对控制砂浆早期收缩有明显的改善效果。这是由于改性聚丙烯纤维保水性能好，减少了砂浆基体水分的过早流失。在砂浆中掺入0.9 kg/m3、长度为19 mm的改性聚丙烯纤维时［3］，纤维砂浆干缩率降低了33.3%。

3.5 砂浆抗冻融性能

试验依据、砂浆配合比及纤维掺入参数同3.1节。试件尺寸为 70.7 mm ×70.7 mm ×70.7 mm，试验共分5组，每组9块。砂浆冻融试验采用D4型低温试验箱，选择慢冻法，试件经25次冻融循环后分别测定其质量损失及抗压强度损失。纤维砂浆抗冻融性能试验结果见表5。

表5 纤维砂浆抗冻融性能试验结果

试验结果表明，掺入改性聚丙烯纤维的砂浆其质量损失和抗压强度损失都远小于无纤维的普通砂浆，特别是19/1.2和30/0.9类型的砂浆效果更为明显。这是由于改性聚丙烯纤维的掺入使硬化后的砂浆密实性增强，不仅使砂浆早期收缩减少，而且使砂浆中微孔隙含量降低，能有效改善砂浆的抗冻融能力。

3.6 不同搅拌方式对纤维砂浆性能的影响

采用正确的搅拌方式对纤维砂浆性能的改善具有重要的作用，搅拌过程中应主要防止纤维分布不均匀和避免引起纤维结团。采用两种搅拌方式进行了试验：

(1)湿拌和法——将水泥和河砂依次倒入自落式搅拌机搅拌2 min，然后开始逐渐加水和纤维(纤维已放入一定量的水中)，再搅拌5 min，使砂浆搅拌均匀，将搅拌好的砂浆分别装入模具待测。

(2)干拌和法——将水泥、河砂和改性聚丙烯纤维依次倒入自落式搅拌机搅拌4 min，然后开始逐渐加水，再搅拌6 min，使砂浆搅拌均匀，将搅拌好的砂浆分别装入模具待测。

选择改性聚丙烯纤维掺入长度为19 mm、掺量为0.9 kg/m3，在不同搅拌方式下进行试验，测定纤维砂浆的抗压强度，结果见表6。

表6 搅拌方式对纤维砂浆抗压强度的影响

试验结果表明，干拌和法成型的砂浆比湿拌和法成型的砂浆抗压强度高。干拌和法中改性聚丙烯纤维在水泥、河砂中被强烈分散，因而纤维在砂浆中分散性好;湿拌和法中纤维提前置于水中润湿，然后被水泥浆包裹，因此容易打结，影响纤维在砂浆中的均匀分散［2］。以28 d试件的抗压强度比较为例，干拌和法为 13.5 MPa，湿拌和法为9.6 MPa，干拌和法试件比湿拌和法试件的抗压强度提高了40.6%，改善效果显著。

4 结论

(1)掺入改性聚丙烯纤维可使砂浆沉入量降低、分层度值变小，水泥砂浆稠度和保水性能增强，减少了砂浆拌合物的离析、泌水等现象。

(2)砂浆中改性聚丙烯纤维掺量为0.9 kg/m3时，掺入长19 mm的纤维比掺入长30 mm的纤维对砂浆强度的增长效果更好;劈裂抗拉强度增长大于立方体抗压强度的增长，说明聚丙烯纤维在抑制砂浆的开裂方面效果更好。

(3)掺入改性聚丙烯纤维能有效控制砂浆的早期干缩，水泥砂浆中掺入 0.9 kg/m3、长度为19 mm的改性聚丙烯纤维时，干缩率降低33.3%。

(4)掺入改性聚丙烯纤维能有效提高砂浆的抗冻融性能，特别是19/1.2和30/0.9类型的砂浆效果更为明显。

(5)改性聚丙烯纤维添加到砂浆中的搅拌方式适合采用干拌和法，此时纤维易于在砂浆中均匀分散;干拌和法成型的砂浆比湿拌和法成型的砂浆抗压强度提高了40.6%。

［1］黄乘亚，龚克成，李红.改性聚丙烯纤维水泥基复合材料力学性能研究［J］.混凝土与水泥制品，2001(6)：40-42.

［2］赵晶，赵亚丁，张桂敏.改性聚丙烯纤维在混凝土中的应用研究［J］.混凝土，2000(9)：59-61.

［3］杨继强.聚丙烯纤维对砂浆早期干缩性能影响的试验研究［J］.天津城市建设学院学报，2004(2)：125-128.

［4］龚益，沈荣熹，李清海.杜拉纤维在土建工程中的应用［M］.北京：机械工业出版社，2002：106-107.

［5］戴建国，刘明，黄乘逵.聚丙烯纤维混凝土和砂浆的塑性收缩试验研究［J］.沈阳建筑工程学院学报，2000(3)：195-198.

［6］湖南大学，天津大学，同济大学，等.土木工程材料［M］.北京：中国建筑工业出版社，2002：148-149.

［7］张礼和，谈慕华，马一平，等.PP纤维水泥界面黏接与抗干缩开裂性能研究［J］.建筑材料学报，2001(1)：17-21.

［8］陕西省建筑科学研究院.JGJ/T70—2009建筑砂浆基本性能试验方法标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，2009.