不同纤维对贝壳砂浆力学性能和干缩性能的影响研究

杨子杰，邓子铭，赵亚州，陈达

(河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098)

0 引 言

贝类在世界范围内产量丰富，而每年大量废弃贝壳的处理会引起严重的环境问题[1]。有研究发现[2]，废弃贝壳可替代天然骨料，具有良好的应用前景，这也是解决天然骨料资源日益短缺的一种途径。在沿海地区，淡化海砂作为建筑用砂的主要来源，其贝壳含量在5%～8%[3]。Yang 等[4]分析了在混凝土中使用贝壳作为骨料的可能性。研究表明，贝壳替代河砂比例的增加对水泥基材料的整体抗压强度和干缩有显著影响[5]；30%替代比的贝壳混凝土长期强度较普通混凝土下降约20%[6]。

纤维在混凝土和砂浆中被广泛应用，掺入纤维可提高砂浆或混凝土的机械强度，尤其是劈裂抗拉强度和抗弯强度[7]。此外，由于纤维的桥接作用，可降低砂浆或混凝土中裂缝的数量和宽度[8]。同时，纤维与基体的界面粘结有效降低了材料的干燥收缩[9]。贝壳砂浆中掺入纤维，能够弥补性能下降的劣势。有许多研究者在贝壳尺寸、处理方式上进行了研究[10-11]。本试验对掺入不同种类和用量纤维的贝壳砂浆进行了试验，对砂浆的新拌性能，抗压、抗折强度，劈裂抗拉强度，干缩等性能进行了研究，提出了最优的纤维种类和用量，研究结果对纤维在贝壳砂浆和淡化海砂中的应用具有参考作用。

1 试 验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5 水泥，主要化学成分见表1，物理力学性能见表2；砂：天然河砂，符合GB/T 14684—2001《建筑用砂》要求，堆积密度2.54 g/cm3，细度模数2.6，含水率0.87%；贝壳：来自东部沿海，粉碎后粒径小于5 mm，堆积密度2.82 g/cm3，细度模数3.16，含水率0.89%；水：自来水；萘系高效减水剂：减水率20%，固含量95%；纤维：钢纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维，基本参数见表3。

表1 水泥的主要化学成分 %

表2 水泥的物理力学性能

表3 纤维的基本参数

1.2 试验设计和方法

本试验中采用贝壳等质量取代20%天然河砂，基准组贝壳砂浆的配合比(kg/m3)为：m(水泥)∶m(河砂)∶m(贝壳)∶m(水)=450∶1080∶270∶202.5，减水剂掺量为水泥质量的 0.2%。在此基础上，分别掺加占总体积1%和2%的钢纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维。砂浆试件的制备根据GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》进行，混合料搅拌均匀后浇筑到模具中，分段振动压实后在23 ℃下硬化，1 d 后脱模，在20 ℃、相对湿度95%条件下养护至规定龄期。

1.3 性能测试

坍落度参照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行测试；抗压、抗折试验参照BS EN 1015—11—1999《水化砂浆抗压抗折测试方法》，养护7、28、90 d 后通过三点弯曲试验和单轴抗压试验获得抗压和抗折强度；劈裂抗拉试验参照JTJ 270—1998《水运工程混凝土试验规程》，在标准养护条件下养护28、90 d 后在万能试验机上测试；干缩测试参照ATSM C490—2017《砂浆和混凝土收缩确定方法》，在室温和干燥条件下测试 1、4、7、14、28、56 d 时的干缩值。

2 试验结果与分析

2.1 纤维对贝壳砂浆新拌性能的影响(见表4)

表4 纤维对贝壳砂浆坍落度的影响

由表4 可见，纤维的掺入减小了贝壳砂浆的坍落度，当纤维掺量为2%时，钢纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维贝壳砂浆的坍落度较基准组分别减少9.0%、11.5%、19.0%，玻璃纤维贝壳砂浆的流动性下降最明显。这是因为，纤维作为拌合物，需要水泥砂浆的包裹，从而导致包裹砂石的水泥砂浆相对减少，流动性也因此降低；而纤维掺量的增加使包裹体积也增大，导致流动性变差。同时，玻璃纤维具有较强的吸附能力，限制了砂浆中水的流动，导致坍落度下降显著。

2.2 纤维对贝壳砂浆强度的影响(见表5)

表5 纤维对贝壳砂浆强度的影响

2.2.1 纤维对贝壳砂浆抗压强度的影响

由表5 可见：

(1)在贝壳砂浆中掺入2%的钢纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维，其7 d 抗压强度较基准组分别提高20.6%、9.3%、3.9%，28 d 抗压强度较基准组分别提高10.1%、5.3%、0.7%，而90 d抗压强度较基准组分别提高10.1%、5.3%、0.9%。可以看出，钢纤维对抗压强度的提升效果最好，玻璃纤维和玄武岩纤维对抗压强度的影响较小。钢纤维本身强度较高，纤维在砂浆中经过均匀搅拌，形成了纤维网络，当承受压力时，强度较高的纤维能够直接承担更大的压力，同时，在水化过程中，不同方向的纤维阻碍了裂纹的产生和扩张，并且减轻了裂纹尖端的应力集中程度，因此改善了砂浆的变形性能和抗压强度。

(2)随着纤维掺量从1%增加到2%，钢纤维贝壳砂浆的抗压强度提高，而玄武岩纤维贝壳砂浆的抗压强度则提升不大，玻璃纤维贝壳砂浆的抗压强度有所降低。钢纤维对抗压强度的改善效果最好，这是由于更多的钢纤维在砂浆中分布，从而使砂浆更为密实；而玻璃纤维和玄武岩纤维在搅拌时易发生结团现象[12]，导致在砂浆中分布不均，不能形成有效的纤维网络，从而降低了抗压强度。

2.2.2 纤维对贝壳砂浆抗折强度的影响

由表5 可见，掺入纤维后贝壳砂浆的抗折强度较基准组提高。纤维掺量为2%时，钢纤维贝壳砂浆各龄期抗折强度较基准组提高了27.2%～44.5%，玄武岩纤维贝壳砂浆各龄期抗折强度较基准组提高了18.1%～29.9%，而玻璃纤维贝壳砂浆各龄期抗折强度较基准组提高了8.6%～11.6%。90 d 龄期时，掺2%钢纤维贝壳砂浆的抗折强度较基准组提高了34.6%。钢纤维对抗折强度的增强效果最好，其次为玄武岩纤维，这是由纤维本身的强度决定的，纤维在砂浆中能够传递应力并且承受拉力，从而抑制裂纹的扩展和延伸。在贝壳砂浆中，裂纹容易沿着贝壳断面延伸，经过搅拌的纤维能够均匀分布在砂浆中，而和开裂面垂直的纤维能有效阻止裂纹的发展，因此纤维本身强度的影响也更为明显，而玻璃纤维由于强度较低，并且不能很好地均匀分布，因此砂浆容易在没有纤维分布的地方折断开裂。纤维掺量的增加提高了砂浆的长期抗折强度，90 d龄期时，掺2%钢纤维和玄武岩纤维的贝壳砂浆抗折强度较掺1%纤维的分别提高了6.2%和3.9%，而玻璃纤维掺量的增加对抗折强度提升效果微弱，这是由于玻璃纤维本身较低的强度和掺量提高后，纤维团聚导致其在砂浆中分布不均，因此强度没有变化。

2.2.3 纤维对贝壳砂浆劈裂抗拉强度的影响

由表5 可见：

(1)纤维可明显提高贝壳砂浆的劈裂抗拉强度。当掺量为2%时，钢纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维贝壳砂浆的28 d 抗拉强度较基准组分别提高了30.9%、19.9%和7.9%，90 d 抗拉强度较基准组分别提高了37.1%、25.4%、8.8%，这主要是因为纤维在贝壳砂浆中起到了阻碍裂纹发展的作用，同时纤维本身较高的拉伸强度也影响砂浆的抗拉强度，钢纤维的力学强度高于玄武岩纤维和玻璃纤维，因此，钢纤维在贝壳砂浆中能够发挥更大的作用，改善其抗拉性能。

(2)当纤维掺量分别为0、1%、2%时，掺量每增大1%，钢纤维贝壳砂浆的90 d 劈裂抗折强度分别提高了22.6%、11.8%，玄武岩纤维贝壳砂浆的90 d 劈裂抗折强度分别提高了12.7%、11.2%，而玻璃纤维纤维贝壳砂浆的90 d 劈裂抗折强度仅分别提高了5.2%、3.5%。当纤维方向与拉伸方向相同时，纤维能够承担拉力，阻碍裂纹发展，因此，含量较高的玻璃纤维在搅拌中由于团聚和容易弯曲，对拉伸强度的提高效果也相对较低。

2.3 纤维对贝壳砂浆干缩性能的影响(见图1)

图1 纤维对贝壳砂浆干缩性能的影响

失水收缩导致的变形和开裂是水泥材料中普遍存在的问题，砂浆中缺乏粒径较大的石子，因此干缩更为明显，掺入纤维能够有效改善砂浆的收缩开裂现象。由图1 可以看出，贝壳砂浆的干缩随养护时间的延长而增大。3 种纤维都对贝壳砂浆的干缩性有所改善，2%的玻璃纤维对砂浆的干缩性改善最好，钢纤维次之；纤维掺量的增加有助于减小干缩。相比于基准组，玻璃纤维贝壳砂浆最终的干缩率从0.12%降低到了0.04%，随着纤维掺量的增加，砂浆干缩的降低更为明显。砂浆内水分向环境中迁移和水泥水化从而引起失水收缩，纤维的加入使得裂缝减少，结构更密实，阻碍了水分流失，因此减小了干缩。结果表明，2%的钢纤维和玻璃纤维能够显著改善贝壳砂浆的干缩性能。

3 结 论

(1)在贝壳砂浆中加入3 种纤维均能够有效地提高砂浆的力学性能。钢纤维和玄武岩纤维对抗压和抗折强度的增强效果较好，而玻璃纤维稍差。掺2%钢纤维时，贝壳砂浆的90 d 抗压、抗折、劈裂抗拉强度较基准组分别提高了10.1%、34.6%、37.1%，表现出最好的增强效果。

(2)3 种纤维的掺入均降低了贝壳砂浆的流动性，玻璃纤维贝壳砂浆的坍落度较低。而在干缩性能上，纤维的加入改善了贝壳砂浆的收缩性，玻璃纤维贝壳砂浆结构密实，抑制收缩能力最好，钢纤维的改善效果也优于玄武岩纤维。

(3)从纤维掺量来看，在2%掺量以内，较高纤维掺量的贝壳砂浆表现出了更好的性能，钢纤维容易分散，掺量增加对性能有明显的改善。而由于团聚作用，玻璃纤维掺量的增加对于贝壳砂浆的增强效果较弱，因此在使用玻璃纤维时，建议采取有效的方法对玻璃纤维进行分散。