聚丙烯纤维增强水泥砂浆性能的机理分析

(重庆交通大学 重庆 400074)

一、引言

预应力锚固技术具有能充分发挥岩土自身的强度、施工中不破坏原有岩体的整体性、占用空间小、见效快的造价低等特点，在岩土工程领域得到广泛应用。随着高边坡高速公路的发展，对高边坡锚固的要求越来越高，特别是永久性锚索，要求有可靠的锚固效果、避免预应力损失。通常人们是通过提高水泥的标号或砂浆的标号来改善锚固段材料的锚固性能。但事实证明，受锚索灌浆管尺度和灌浆深度等工艺方面和材料抗压性的限制，单纯通过提高水泥浆的标号并不能很好地改善锚索的锚固性能，为了提高锚固段的锚固力，人们早已开始将目光投向灌浆材料，它作为预应力锚固体系的薄弱环节，一直制约着行业的发展。自上世纪60年代以来，世界各国的专家陆续开始从事在砂浆中掺加各种纤维材料来改善其作用性能研究。常见的纤维材料有钢纤维、玻璃纤维、合成纤维等。通过在砂浆中掺入一定量的纤维材料而生成的纤维复合材料具有高比强、高比模、韧性好等优良特性。同普通锚固砂浆相比，纤维砂浆的强度、砂浆与孔壁之间的的粘结强度及其受力、变形、开裂诸方面得到了提高和改善，大大提高了砂浆的锚固能力，到减少锚固长度、降低锚索失效率的效果。

二、纤维对砂浆力学性能的影响

(一)纤维对砂浆抗压、抗拉强度的影响

试验结果表明[1]：在水泥砂浆中掺入一定量的聚丙烯纤维后，复合砂浆材料的抗拉强度和抗折强度随聚丙烯纤维掺量的增加先增大后减小。分析原因可知，普通水泥砂浆强度主要来自于水泥浆与细集料界面结合强度，纤维的加入一定程度上改善了水泥砂浆的脆性，提高了其韧性，当纤维掺量较小时，砂浆抗压强度主要依靠水泥浆粘结强度提供，此时纤维在砂浆中零散分布，加筋作用并不明显，反而因其比表面积较大，加大了水泥浆的裹附量，提供粘结强度的有效水泥浆减少，粘结强度下降；当纤维掺量逐渐增大时，砂浆强度由水泥浆粘结强度与纤维加筋作用共同体现，大大增强了水泥浆和集料界面的粘结强度，进而提高了水泥砂浆抗折强度；同时由于聚丙烯纤维在砂浆中均匀分布可起到物理配筋作用，阻止裂纹的形成与扩展，提高了砂浆破坏极限强度；当纤维掺量超过一定范围后，由于纤维易在砂浆中结团分布，无法充分发挥其加筋作用，导致抗折强度降低。

PVA纤维砂浆受压或受弯时裂缝发展缓慢，裂缝宽度也较小，表现出一定的延性性质[2]。

(二)纤维对界面粘结性能的影响

许多试验研究通过纤维拉拔试验来分析纤维与砂浆之间的粘结性能。结果表明[3]：水灰质量比、纤维埋入长度、纤维埋入角度、水泥砂浆龄期都影响聚丙烯纤维与水泥砂浆的粘结性能，其中水灰质量比影响程度最大；同时随着水灰质量比的减小、纤维埋入长度的增大、纤维埋入角度的增大，聚丙烯纤维水泥砂浆的粘结强度逐渐增大。

也有人采用轴向拉伸试验来测试纤维聚合物砂浆和旧水泥基体的界面粘结强度。试验结果表明：在纤维体积掺量为0.1%、0.3%时，钢纤维、碳纤维、聚丙烯纤维的掺入降低了新拌砂浆与基体之间的界面粘结强度，当随着纤维掺量的增加，新拌砂浆与基体的界面粘结强度有所提高，当纤维掺量为0.9%时，甚至超过普通砂浆与基体的界面粘结强度。同时当在纤维砂浆中复掺SBR乳液时，均能有效改善砂浆与基体的界面粘结性能，且随着乳液掺量的增加作用效果越好。

纤维对新版砂浆与旧水泥基体界面粘结性能作用机理比较复杂，分析其原因，主要体现在一下几个方面:(1)纤维的掺入影响了新拌砂浆的流动性及保水性使得新拌砂浆与水泥基体接触面湿润程度不一致，从而导致界面过渡层厚度发生变化；(2)纤维对新拌砂浆能起到抗裂作用，对硬化后的砂浆能起到减少干燥收缩的作用，从而减少了粘结界面处因新拌砂浆收缩开裂而产生的微裂缝；(3)纤维的掺入对新拌砂浆起到“桥联”的作用，增强了硬化后砂浆的自身强度，减少砂浆基体在拉拔过程中碎裂的可能性，从而对界面粘结起到积极作用。

(三)纤维对砂浆的抗开裂性能的影响。通常砂浆在大面积施工后，材料表面在硬化前往往会失水收缩引起拉应力，因而产生不可恢复的干缩，这是由于砂浆表面水的蒸发速率超过内部水渗透到表面的速率，以及砂浆的早期抗拉强度达不到砂浆收缩产生的应力造成。为了减少砂浆产生的干缩，可采取在新拌砂浆中加入纤维的方法。纤维的掺入，对砂浆早期干缩有明显的影响，使早期收缩受到抑制，并使砂浆劈裂抗拉强度有明显的提高。现有的大量研究报道针对各种因素对塑性收缩抗裂的影响进行分析，主要是对纤维的掺量、长度和截面形状等因素进行试验研究。也有少数文章对纤维抗裂试验机理进行分析，[5]通过试验结果说明，聚丙烯纤维的抗裂效果主要不是在对水分蒸发率的降低，而在于对塑性抗拉强度的提高，也就是说，掺聚丙烯纤维的砂浆开裂面积率的倒数与其塑性抗拉强度之间应存在某种正相关性。根据试验结果得出塑性抗拉强度σt和开裂面积率倒数1/Scr之间大致符合线性关系，其拟合的数学关系式为

Scr=497.345σ-10.425

其中，1/Scr为开裂面积率的倒数。

从上式可以看出，开裂面积率倒数随塑性抗拉强度的增大而增大。因此，若要降低试样的开裂面积率，就应当提高塑性抗拉强度。

(四)纤维对预应力锚索极限承载力的影响。纤维灌浆材料中的纤维能有效地阻止灌浆材料中微裂纹的发展，提高预应力锚索的极限承载力。当普通砂浆所受局部应力过大时，砂浆开裂破坏，导致应力继续向锚固段后方传递，这样又使这一部微发生应力集中，相应的砂浆继续开裂，如此发展导致砂浆在集中力作用下分段破坏。纤维砂浆的受力特点则有所不同，当荷载作用时，先期的极限荷载作用下破坏的砂浆段仍存在残余强度，残余强度的发挥可以部分消除传来的外部荷载，因此在荷载逐步向锚固段后方传递的过程中，荷载被逐渐削弱，应力幅值逐渐减小，从而参与抵抗外部荷载的砂浆段长度增加，当采用同样长度的锚固段时，由于纤维砂浆的积极作用，使得锚杆的极限承载力的发挥得到提高。

三、前景展望

现有的研究主要是针对纤维砂浆的抗压强度、抗折强度和抗冲击能力，抑制砂浆的收缩等方面开展，很少涉及纤维砂浆对预应力锚索体系锚固效果的作用，尤其是对锚固段剪应力分布规律的影响，另外关于纤维砂浆作为注浆材料的锚固体系的预应力损失情况也有待研究。