高性能PVA 纤维砂浆的制备及性能研究

张延乐 孙林柱 朱亚兰 朱顺吉

(温州大学建筑与土木工程学院，浙江温州 325035)

高性能PVA 纤维砂浆的制备及性能研究

张延乐 孙林柱 朱亚兰 朱顺吉

(温州大学建筑与土木工程学院，浙江温州 325035)

为了研究高性能PVA纤维砂浆的制备及性能，通过控制纤维掺量和膨胀剂的添加设计了6组对比试验，进行试件的抗压强度与抗折强度的试验，试验结果表明，膨胀剂和PVA纤维复合的砂浆抗压强度改变不明显，但是抗折强度有较大幅度的提高;单掺PVA纤维及PVA纤维与膨胀剂复合，砂浆的折压比随纤维掺量的增加而提高。

膨胀剂，PVA纤维，抗压强度，抗折强度，水泥砂浆

0 引言

建筑砂浆作为建筑行业不可缺少的材料，随着建筑行业的不断发展，砂浆的作用也越来越重要。而砂浆抗裂性能差、强度较低一直是砂浆使用过程中的弱点，影响了它在一些工程中的应用，而纤维以其特有的性能，恰好弥补了砂浆这一弊端，再加上实际工程对高性能砂浆的需求日益突出，所以对高性能纤维砂浆的研究是非常迫切的［1，2］。

国内外的学者对此已经进行了一些研究，Victor C Li和Bang Yeon Lee通过添加PVA纤维研制出一种纤维增强砂浆，表明:素砂浆拉伸应变率为0.020%，纤维砂浆拉伸应变率达4.7%，砂浆的抗裂性能明显增加［3］。Shaikh Faiz Uddin Ahmed和 Hirozo Mihashi测试了聚乙烯醇(PVA)纤维增强水泥基复合材料的弯曲强度，发现:不同体积分数和长度的PVA纤维混合后对砂浆具有不同的增强效果［4］。戴建国和刘明等在砂浆中放入聚丙烯纤维，表明:聚丙烯纤维均匀、乱向地分布在砂浆中，可以有效地减少砂浆浇筑成型后的水分散失，抑制砂浆塑性收缩裂缝的产生，提高砂浆的抗裂性能［5］。黄俊和姜弘道等在砂浆中掺入了PVA纤维，表明:PVA纤维对砂浆抗裂强度的提高有限，但可以较大幅度的提高砂浆的韧性［6］。但是这些实验结果依然没有解决实际工程的问题。本试验通过改变纤维掺量和膨胀剂的添加，研究了高性能PVA纤维的制备及性能。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

1)水泥。

采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥，氯离子不大于0.06%，比表面积300 m2/kg。

2)砂子。

普通黄砂，中砂，细度模数2.3，连续级配，堆积密度1 400 kg/m3，表观密度2 400 kg/m3。

3)硅灰。

活性二氧化硅微粉，活性指数(28 d)不小于85%～98%，平均粒径0.10μm～0.225μm，由贵州海天铁合金磨料有限公司生产。

4)粉煤灰。

温州市某电厂筛选粉煤灰，比表面积400m2/kg，密度2.1 g/cm3。

5)减水剂。

由苏州弗克新型建材有限公司生产的聚羧酸盐减水剂(粉剂)，外观浅黄色粉末，含固量98%，砂浆减水率不小于20%。

6)养护剂。

吸水树脂，白色粉末，密度:1.117 g/m3。

7)膨胀剂。

钙矾石类膨胀剂，7 d水中限制膨胀率0.03%。

8)PVA纤维。

日本可乐丽公司生产的K-ⅡPVA纤维，纤维呈束状，其性能指标见表1。

表1 K-ⅡPVA纤维基本性能指标

1.2 试验设计

综合考虑各种材料影响，选择水泥∶砂子∶水为2.88∶1∶0.52，考虑PVA及膨胀剂对砂浆性能的影响，设计配合比见表2。

表2 设计配合比 kg

1.3 试验方法

1)试件尺寸。

抗压试验试件尺寸:10 cm×10 cm×10 cm;抗折试验试件尺寸:4 cm×4 cm×16 cm。

2)试验设备。

抗压试验:TYA-2000型电液式压力试验机，无锡新路达仪器设备有限公司制造，最大实验力2 000 kN，精度等级1级。

抗折试验:DKZ-5000型电动抗折试验机，无锡建仪仪器机械有限公司制造。

3)试件方法。

本试验按GJG70—90建筑砂浆基本性能试验方法进行，设计了三种不同纤维掺量(0，1%，2%)和两种膨胀剂掺量(0，10%)，每组中控制相同的水胶比(0.36)、粉煤灰(20%)、硅灰(10%)、减水剂(1.5%)和增强剂(0.55%)掺量，控制纤维和膨胀剂的添加，形成两组对比试验，编号为1～6，分别进行抗压试验和抗折试验。

2 结果与讨论

根据上述实验所得试验结果见表3。

表3 试验结果及折压比

2.1 PVA纤维和膨胀剂复合作用下对砂浆抗压强度的影响

PVA纤维和膨胀剂对砂浆7 d及28 d抗压强度的影响如图1所示。

图1 PVA纤维和膨胀剂对砂浆抗压强度的影响曲线

从图1可以看出，与基准砂浆相比，单掺PVA纤维和双掺纤维和膨胀剂的砂浆7 d和28 d抗压强度都略有降低，原因是PVA纤维的弹性模量小于砂浆的弹性模量，根据复合材料理论，与不掺纤维的砂浆相比，掺入纤维的砂浆强度有所降低。但可以明显看出，加了膨胀剂的砂浆抗压强度比不加膨胀剂的强度提高较多，最多的提高了17.2%。因为膨胀剂可以有效的填补砂浆凝结硬化过程中产生的裂缝，从而使砂浆更密实，强度提高。

2.2 PVA纤维和膨胀剂复合作用下对砂浆抗折强度的影响

PVA纤维和膨胀剂对砂浆7 d及28 d抗折强度的影响如图2所示。

图2 PVA纤维和膨胀剂对砂浆抗折强度的影响曲线

从图2可以看出，与基准砂浆相比，单掺PVA纤维和双掺纤维和膨胀剂的砂浆7 d和28 d抗折强度都有提高，且纤维掺量在1%～2%之间时，砂浆抗折强度提高最多。7 d强度最多提高了18.5%，28 d强度最多提高了7.3%。并且可以明显看出，加了膨胀剂的砂浆抗折强度比不加膨胀剂的强度提高较多，最多的提高了35.4%，由图2可以看出膨胀剂在纤维砂浆中的作用非常明显。

与基准砂浆相比，PVA纤维砂浆抗压强度有所降低，而抗折强度却大幅度提高，原因在于砂浆内部的细微裂缝对抗折强度影响远大于抗压强度。由于凝结硬化收缩产生的砂浆内部微裂缝，PVA纤维阻止了这些裂缝的扩展，使裂缝数量减少且尺寸变小，降低了裂缝尖端应力集中程度，而裂缝对抗折强度的影响远大于抗压强度。而不管是抗压强度还是抗折强度，加了膨胀剂的砂浆强度均有不同幅度的提高，因为膨胀剂可以补偿砂浆收缩产生的细小裂缝，使砂浆更密实，提高砂浆性能［7-9］。

2.3 对折压比的影响

PVA纤维和膨胀剂对砂浆7 d及28 d折压比的影响如图3所示。

图3 PVA纤维和膨胀剂对砂浆折压比的影响曲线

由图3可知，不管是单掺PVA纤维还是PVA纤维与膨胀剂复合的砂浆，其7 d和28 d折压比都随着纤维掺量的增加而提高，单掺PVA纤维的砂浆7 d折压比提高了38.9%，28 d提高了21.6%;PVA纤维与膨胀剂混合的砂浆7 d折压比提高了25%，28 d提高了37.9%。而折压比可以反映砂浆脆性的高低，折压比越大，砂浆的脆性越大，抗裂性越高［10］。

3 结语

通过以上研究可以得到如下结论:

1)膨胀剂的添加对砂浆的抗压强度和抗折强度都有提高，膨胀剂有效地填补了砂浆凝结硬化过程中产生的裂缝，从而使砂浆更密实，性能提高;

2)PVA纤维导致砂浆抗压强度略有降低，原因是PVA纤维弹性模量小于砂浆弹性模量，根据复合材料理论，与不掺纤维的砂浆相比，掺入纤维的砂浆强度有所降低;

3)PVA纤维和膨胀剂复合的砂浆抗折强度比基准砂浆有较大幅度的提高，凝结硬化收缩产生的砂浆内部微裂缝，PVA纤维阻止裂缝的扩展，降低裂缝尖端应力集中程度;膨胀剂则是补偿砂浆收缩产生的细小裂缝，使得砂浆更密实，提高砂浆性能;

4)随着纤维掺量的增加，砂浆的折压比逐渐提高，且早期提高比后期明显。

［1］ 魏发骏，伊利君.硅灰—粉煤灰水泥的研究［J］.武汉理工大学学报，1989(2):243-248.

［2］ 王培铭，孙振平，蒋正武.商品砂浆的研究与应用［M］.北京:化学工业出版社，2005.

［3］ Bang Yeon Lee，Victor C Li.Strain hardening fiber reinforced alkali-activated mortar-A feasibility study［J］.Construction and Building Materials，2012，37(12):55-56.

［4］ Shaikh Faiz Uddin Ahmed，Hirozo Mihashi.Strain hardening behavior of lightweight hybrid polyvinyl alcohol(PVA)fiber reinforced cement composites［J］.Materials and Structures，2011，44(7):1179-1191.

［5］ 戴建国，刘 明，黄承逵，等.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(自然科学版)，2000，16(3):195-198.

［6］ 黄 俊，姜弘道，陈 瑛，等.短纤维及混杂纤维砂浆轴向拉伸试验研究［J］.混凝土，2006(12):31-34.

［7］ 戴建国，刘 明.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，2000，16(3):195-198.

［8］ 宣卫红，刘建忠，李骁春，等.聚丙烯纤维与水泥砂浆粘结性能试验［J］.江苏大学学报(自然科学版)，2010，31(6):726-730.

［9］ 邓宗才.聚丙烯腈纤维对混凝土早期抗裂性能的影响［J］.公路，2003(7):163-165.

［10］ 文 婧，殷少辉，朱卫中，等.纤维和膨胀剂对砂浆收缩开裂的影响［J］.低温建筑技术，2013(4):11-13.

Research on manufacturing of high-performance PVA fiber mortar and its performance

Zhang Yanle Sun Linzhu Zhu Yalan Zhu Shunji

(School of Architecture and Engineering College，Wenzhou University，Wenzhou 325035，China)

In order to research themanufacturing and performance for the high-performance PVA fibermorta，the paper undertakes 6 groups of comparative tests by controlling the fiber mixing volume and addition of expansion agent，has the tests of the anti-pressure and anti-fracture strength of the trials，proves by the test results that the expansion agentand PVA fiber compositemortar has no evident changes in the anti-pressure strength，but its anti-facture strength is greatly improved，the ratio of bending strength to compressive strength is promoted with increased mixture of fiber for the singlemixture of fiber and the composite of PVA fiber and expansion agent.

expansion agent，PVA fiber，anti-pressure strength，anti-fracture strength，cementmortar

TU521

A

1009-6825(2015)29-0121-03

2015-08-05

张延乐(1991-)，男，在读本科生; 孙林柱(1964-)，男，教授; 朱亚兰(1991-)，女，在读硕士;

朱顺吉(1993-)，男，在读本科生