剑麻纤维增强水泥砂浆试验性能研究

吕　峰,钱俊懿,刘　定,汤邵青

(武汉轻工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430023)



剑麻纤维增强水泥砂浆试验性能研究

吕峰,钱俊懿,刘定,汤邵青

(武汉轻工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430023)

摘要：通过设置对比试验组，主要对比分析了不同长度及掺量下的剑麻纤维对普通水泥砂浆的流动度值、抗折强度及抗渗性能的影响，并深入研究了其作用机理。试验结果表明：剑麻纤维的长度与掺入量对普通水泥砂浆的物理性能有显著影响，掺量为4.5 kg/m3且长度为10 mm的剑麻纤维能使水泥砂浆具有更好的流动度，28 d剑麻纤维水泥砂浆的抗折强度提高了29.5%,抗渗性能提高了45.9%，可满足实际工程的需要。

关键词：剑麻纤维；水泥砂浆；抗折强度；抗渗性能

1引言

长期以来，水泥砂浆具有许多良好的性能而被广泛使用在建筑中，成为使用最广的建筑材料之一，但它也存在着许多缺点，如抗折强度低、抗冲击性和抗渗性差、易开裂等[1]。近年来，很多研究者对其进行了深入研究，同济大学王培民与刘恩贵采用SAE乳胶粉对水泥砂浆的减水性、引气性、保水性、力学强度等物理性能的影响进行了研究，史巍与张雄等研究了橡胶粉对水泥砂浆的隔声功能的影响，孙振平与叶丹玫等则研究了聚合物改性水泥砂浆含气量对力学性能的影响。纤维增强水泥砂浆因具有一系列优越的力学性能而受到广泛关注，胡海涛采用短切芳纶纤维、赵玉宵采用玄武岩纤维、徐松林采用钢纤维等来水泥砂浆以改善其物理性能，并取得了许多研究成果。剑麻纤维是一种绿色植物纤维，具有质地坚硬、抗拉强度高、耐腐蚀等众多优点[2]，有着广泛的应用前景，但目前采用剑麻纤维作为改性材料来改善水泥砂浆的物理性能的研究还较少。故本文将尝试通过采用不同长度的剑麻纤维及改变其掺入量来研究其对普通水泥砂浆的力学性能的影响，以获得最佳掺量与最佳长度时具有良好的流动度、抗折强度与抗渗性能，满足实际工程的需要，为剑麻纤维水泥砂浆的研究与应用提供指导。

2材料与方法

2.1　试验原材料

为了获得剑麻纤维长度与掺量两个变量对水泥砂浆性能的影响，本次试验须保证其他试验材料及试验条件相同，以排除其它因素的干扰，以下选择的试验原材料均符合水泥砂浆试验规程的相关要求：

(1)水：采用饮用清洁水,水中不得含有不溶性杂质，pH值需控制在6—8 左右。

(2)水泥：采用湖北黄石市生产的华新堡垒牌P.O.42.5普通硅酸盐水泥,其化学成分如表1所示。

表1　水泥的化学成分　/%

(3)细集料：采用厦门艾思欧标准砂有限公司根据GB/T17671-1999 idtSO679:1989生产的ISO标准砂。其技术指标如表2所示。

表2　ISO标准砂技术指标

(4)剑麻纤维：采用广西剑麻集团生产的剑麻纤维，由于剑麻纤维是天然纤维，剑麻的直径有大有小，其特征参数如表3所示。本次试验采用8±1 mm长的剑麻纤维，将剑麻纤维放入1%浓度的NaOH的溶液中浸泡处理30±1 min后，再进行清洗晾干,以消除剑麻纤维重的杂质对试验的干扰。

表3　剑麻纤维技术指标

(5)减水剂：试验采用TH-W5高效减水剂，主要以β-磺酸甲醛缩合物为主，复合多种辅助材料，其性能符合国家标准GB 8076—1997高效减水剂一等品指标。

2.2　流动度测定试验方法

流动度是衡量砂浆和易性的重要指标，而砂浆和易性直接影响了其拌合物是否便于施工，并保证质量均匀的综合性质，故良好的流动度是砂浆获得良好性能的前提。

按GB/T 2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》测定砂浆的流动度。采用浙江产NLD-3型水泥胶砂流动度测定仪来测定剑麻纤维水泥砂浆的流动度，跳桌频率设定为每秒一次，在25±1 s内完成25次跳动[3]。

2.3　抗折强度测定试验方法

试件采用40 mm×40 mm×160 mm棱柱体三联模制备，试件成型后用PE膜覆盖以防止水分蒸发，并将试模置于(20±3)℃下标准养护(24±2)h后拆模，拆模后立即放入温度为(20±2)℃的水中分别养护至3 d、7 d及28 d进行抗折强度试验[3]。

2.4　抗渗性能试验方法

根据文献[4]中的试验方法,将拌合物装入尺寸为Φ60×Φ80×30的试模中，用金属棒插捣以赶出试模内部气泡，待充分插捣后刮出多余砂浆，抹平表面，养护成型。待养护1 d后，将成型试件放进温度20±2 ℃，相对湿度95%的标准养护室养护28 d。将密封好的试件安装在抗渗仪上，记录试验开始的时间，后将水压加到1.2 MPa，并保持试验在此恒压下压足24 h。然后降压，从套模中取出试件。若在恒压过程中，有试件端面出现渗水，则记录此出水时间并停止对该试件加压，该试件的渗水高度即为试件的高度；对没有出现渗水现象的试件，将试件放在压力机上，沿纵截面将试件劈成两半，待看清水痕后(约2—3 nin)，用笔标出水痕，即为渗水轮廓，沿底边划十等分，量出各等分点处的渗水高度，取各等分点渗水高度的平均值作为该试件的渗水高度；表面渗水的试件，其渗透高度即为试件本身高度。以l组6个试件测试值的平均值作为试验结果。

3结果与分析

3.1　剑麻纤维最佳掺量试验

本类试验中控制剑麻纤维长度与胶砂比值保持不变，改变剑麻纤维的掺量，以获得具有较好流动度及抗折强度的剑麻纤维最佳掺量。采用的剑麻长度均为8 mm。为研究剑麻纤维对水泥砂浆性能的影响，设置一组不加剑麻纤维的普通砂浆试验组作为基准对比组。

3.1.1流动度测定试验

在搅拌试验过程中，发现加入剑麻纤维的水泥砂浆的泌水现象有不同表现，当剑麻纤维掺量大于4.5 kg/m3时，剑麻纤维水泥砂浆几乎不发生泌水现象。剑麻纤维水泥砂浆的流动度测定结果如表4所示。

表4　流动度检测结果　/mm

可以看出，随着剑麻纤维掺量由小增大，剑麻砂浆的流动度值出现先下降后增大，且各区间变化幅度各有不同。表明：适量的剑麻纤维可对水泥砂浆流动度产生积极作用，为使剑麻砂浆获得较好的流动度可使用适量的剑麻纤维。因为在按照等质量比以剑麻纤维取代砂的情况下，剑麻纤维具有更大的体积比和表面积比，且剑麻纤维自身的腔体结构使其的单位质量吸水能力较砂要大，所以在掺量为1.5 kg/m3及3.0 kg/m3时，均能大幅度降低砂浆的流动度。当掺量为6.0kg/m3时，由于剑麻纤维量过大，吸收水分过多，网状分布过于密集，使得集料单位面积的水泥胶覆盖率过小，拌合物流动性过差。而在掺量为4.5 kg/m3时，由于剑麻纤维掺入砂浆后，虽进一步减少了水泥砂浆的表面析水，同时剑麻纤维在砂浆中的网状分布也有效地阻止了流动性，获得了较为理想的流动度。

3.1.2抗折强度测定试验

图1　不同纤维掺量下的水泥砂浆抗折试验

剑麻纤维水泥砂浆抗折强度检测结果如下图1所示。从图1中可明显看到，剑麻纤维可有效提高水泥砂浆的抗折强度，在3个龄期内，不同剑麻掺量下的水泥砂浆有不同程度的影响。剑麻掺量为1.5kg/m3时，抗折强度提高最多时期出现在7d-28d；掺量为3kg/m3时，3d至7d期间抗折强度增幅最大；而掺量为4.5 kg/m3时，3龄期均具有较良好的抗折强度，3—7d强度也有较大提高。对比普通水泥砂浆抗折强度，剑麻纤维水泥砂浆随着剑麻掺量在一定范围内(0—4.5 kg/m3)的增加，3个龄期内水泥砂浆的抗折强度均有提高。本次试验中，28 d剑麻掺量为4.5 kg/m3试验组获得最大抗折强度，比基准组抗折强度提高25.2%。这是由于剑麻纤维在水泥砂浆中以任意形式分布在三维空间内，剑麻纤维中纤维素纤维表面的大量羟基可以与水泥水化产物中的大量羟基基团发生化学作用而形成氢键提高了抗折性能[5]。同时，纤维素纤维能够有效的提供诸如粘着强度和抗拉强度等关键性质所需的平衡从而增强了水泥砂浆的抗折性能。而对于掺量为6 kg/m3试验组,3个龄期的抗折强服均大大低于普通水泥砂浆，且抗折强度值很小。这是由于过多的剑麻纤维使得水泥胶不能充分包裹纤维表面与集料表面，黏结不充分，并且大量的剑麻纤维不能均匀分开分布于空间砂浆内，在搅拌时容易成团，降低了砂浆内部密实度，降低了材料的连续性，增大了内部缺陷，从而降低了砂浆的抗折强度。

3.1.3抗渗性能实验

不同掺量的剑麻纤维下的，28 d剑麻纤维水泥砂浆抗渗性能的渗入高度测定值如表5所示。

表5　渗入高度　/mm

从上表5可知道，随着剑麻掺量的增加，水泥砂浆的抗渗性能不断提高，但提高幅度越来越缓，当继续增加剑麻掺量时，水泥砂浆的渗入高度不降反增。说明适量的剑麻纤维可有效改善水泥砂浆的渗入高度，提高水泥砂浆的抗渗性能，为使水泥砂浆获得较好的抗渗性能应掺入适量的剑麻纤维。本次试验中，28 d剑麻纤维为4.5 kg/m3的水泥砂浆的抗渗性能提高了40%。这是因为水泥砂浆内部孔隙率、孔分布和孔特征是影响水泥砂浆抗渗性的主要因素，而适量的剑麻纤维以任意形式分布在砂浆内部三维空间内，形成的多向支撑体系能减少砂浆的泌水，降低砂浆中的孔隙率，并减少砂浆的塑性收缩裂缝，而能大幅度提高砂浆的抗渗性。同时，剑麻纤维能有效地降低砂浆中的毛细孔隙率，避免了连通毛细孔的形成，提高了水泥砂浆的抗渗性。当剑麻纤维过量时，纤维不能均匀分布于内部，结团现象严重，不仅没能降低砂浆中的孔隙率，反而由于水泥胶包裹黏结不充分而使得内部缺陷增大，毛细孔隙率增大，抗渗性能表弱。

3.2　剑麻纤维最佳长度试验

类同以上试验，本类试验中控制剑麻纤维掺量与胶砂比值保持不变，仅仅改变剑麻纤维的长度，以获得具有较好流动度、抗折强度及抗渗性能的剑麻纤维最佳长度。以上面试验结果为试验基础，即剑麻纤维的掺量选为4.5 kg/m3，采用的剑麻长度分别为0 mm、5 mm、10 mm、15 mm及20 mm。

3.2.1流动度测定试验

本试验中不同长度的剑麻纤维下的水泥砂浆的流动度测定结果如表6所示。

表6　流动度检测结果　/mm

从上表6可以发现，随着剑麻纤维长度的增长，砂浆的流动度逐渐减小，当长度大于一定值时，剑麻砂浆的流动度出现急剧减小而不符合实验的要求。表明：适当长度的剑麻纤维能有效减小水泥砂浆拌合物的流动性，为获得较好的流动度，可选择适当长度的剑麻纤维。这是由于较短的剑麻纤维，无法形成有效的网状结构，反而在拌合物集料间充当了一定的润滑作用，减小了集料间的黏结作用和摩阻力，增大了水泥砂浆的流动度；当剑麻纤维增长时，剑麻纤维形成了一定的网状结构，阻止了水泥砂浆的流，降低了砂浆的流动度；当剑麻纤维长度过长时，纤维自身会发生一定程度的卷曲，相互缠绕而使得分散不均，流动度测定时，不仅阻止了集料的流动，自身也不能有效流动，从而大大降低了砂浆的流动度。

3.2.2抗折强度测定试验

3个龄期的剑麻纤维水泥砂浆抗折强度检测结果如图2所示。

图2　不同纤维长度下的水泥砂浆抗折试验

从图2可以看出，随着剑麻纤维长度的增长，3个龄期的剑麻纤维水泥砂浆的抗折强度普遍呈先提高后降低趋势。表明：剑麻纤维的长度影响砂浆的抗折强度，适当长度的纤维能较大的提高砂浆的抗折强度。本试验中，当剑麻纤维长度为10 mm时，可使得砂浆的28 d抗折强度提高29.5%。这是因为剑麻纤维较短时，剑麻纤维与材料界面的有效接触面积较小，黏结强度较小，容易出现滑移而被拔出；随着纤维长度的增长，有效接触面积增大，而由纤维素纤维与水泥水化产物物理硬化作用产生的黏结力进一步增大，在砂浆基体间形成的有效作用增大，分担了一部分拉力，从而提高了砂浆的抗折强度；当剑麻长度过大时，由于纤维自身产生的卷曲及成团现象，使得砂浆中的剑麻纤维无法有效的发挥抗拉作用，甚至由于增大了局部缺陷反而降低了砂浆的抗折强度。

3.3.3抗渗性能试验

在不同长度的剑麻纤维下，28d的剑麻纤维水泥砂浆试件的渗入高度测定结果如表7所示。

表7　渗入高度　/mm

由上表7可知，随着剑麻纤维长度的增加，砂浆渗入高度先降低后升高，当剑麻纤维长度为10 mm时，砂浆的渗入高度值达到最小，抗渗性能达到最佳。这表明：适当长度的剑麻纤维对砂浆的抗渗性能有一定的改善作用，为获得较好的抗渗性能，可以在普通砂浆中加入适当长度的剑麻纤维。本次试验中，长度为10 mm的剑麻纤维有效降低了砂浆的渗入高度达45.9%。这是因为长度不大于10 mm时，随着纤维长度的增加，纤维能更有效地填充砂浆内

部的空隙，减少了砂浆内部空隙的数量和大小，增加了砂浆基体的密实性，提高了砂浆的抗渗性能；当剑麻纤维长度超过10mm时，由于一部分剑麻纤维自身会发生一定程度的卷曲，分布不均匀而出现结团现象，且随着纤维长度的增加，这种卷曲及不均匀结团现象越严重，导致砂浆基体局部孔隙率增多，内部缺陷增大，从而导致砂浆密实度降低，降低了砂浆的抗渗性能。

4结论

通过设置对比试验研究，表明剑麻纤维的长度与掺量对水泥砂浆的流动度、抗折强度及抗渗性能等物理性能有不同程度的影响，主要结论如下。

(1)剑麻纤维的掺量对砂浆的性能有较大的影响，适量的剑麻纤维可改善水泥砂浆的流动度、提高抗折强度及抗渗性能。当剑麻纤维长度为8 mm，掺量为4.5 kg/m3时，28 d砂浆的抗折强度比普通砂浆提高了25.2%，抗渗性能提高了40%；

(2)剑麻纤维的长度也影响了砂浆的综合性能，保持纤维最佳掺量不变时，适当的剑麻纤维长度也能有效提高砂浆的抗折强度及抗渗性能。当剑麻纤维的长度为10 mm时，28 d砂浆的抗折强度比普通砂浆提高了29.5%，抗渗性能提高了45.9%。

本试验研究结果表明剑麻纤维水泥砂浆明显提高了普通水泥砂浆的抗折强度与抗渗性能，可满足工程应用的需要，具有一定的借鉴作用。

参考文献：

[1]田颖, 赵帅, 李国忠. 芳纶纤维改性水泥砂浆的性能研究[J]. 江苏建材, 2008(1)：16-18.

[2]李国忠, 田颖, 赵帅. 芳纶纤维砂浆的抗折强度与抗塑性收缩开裂[J]. 建筑材料学报, 2009,12(1)：93-95.

[3]GB/T 2419-2005,水泥胶砂流动度测定方法[S].

[4]尹明千. 聚丙烯纤维对砂浆抗渗性能的影响[J]. 建筑技术, 2011,42(6)：549-551.

[5]覃峰, 黄琼念, 包惠明，等. 剑麻纤维水泥混凝土性能试验研究[J]. 新型建筑材料, 2008, 35(4)：47-50.

Research on test property and mechanism of sisal fiber reinforced cement mortar

LVFeng,QIANJun-yi,LIUDing，TANGShao-qing

(School of Civil Engineering and Architecture Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China)

Abstract：By setting the contrast test of the sisal fiber cement concrete and ordinary cement mortar with different length and content of sisal fibers, main analysis was made on the influence of fluidity, flexural strength and permeability resistance, and further study on its mechanism. The test showed that its length and content could make remarkable effect on the physical properties of ordinary cement mortar. When its dosage was 4.5 kg/m3and length was 10 mm, sisal fiber cement concrete has had a better fluidity than cement mortar, and 28d’s flexural strength increased by 29.5%, permeability resistance increased by 45.9%, meeting the need of practical engineering.

Key words：sisal fiber; cement mortar; flexural strength; permeability resistance

DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2015.02.026 10.3969/j.issn.2095-7386.2015.02.025

文章编号：2095-7386(2015)02-0116-06 2095-7386(2015)02-0112-04

基金项目：湖北省教育厅人文社科研究项目(14Y035)；武汉轻工大学研究生教育创新计划项目(2014cx009). 国家软科学研究项目(2012GXS4B056)”;国家粮食行业公益性项目(201413002-2).

通信作者：张葵(1966-)，女，教授，E-mail:k.ZHANGwhpu.edu.cn. 祁华清(1965-)，男，博士，教授，E-mail:qihuaqing@sohu.com.

作者简介：孙正正(1990-)，男，硕士研究生，E-mail:whpusuzz@163.com. 王倩(1987-)，女，硕士研究生，E-mail:wqlv317@126.com.

收稿日期：2015-01-27. 2015-01-27.

中图分类号：TU 528.58

文献标识码：A