玄武岩纤维对水泥砂浆性能的影响

段小芳

(南通开放大学 建筑工程学院，江苏 南通 226006)

玄武岩纤维力学性能好、价格低廉，是一种热工性能良好的无机纤维材料。水泥砂浆抗拉强度低、塑性差、早龄期收缩大，将玄武岩纤维掺入水泥砂浆中可改善砂浆的物理、力学、收缩等性能。卓红霞[1]研究发现，玄武岩纤维可以改善水泥砂浆的堆积密实度，随着纤维掺量的增加，密实度先提升后降低。程从密等[2]研究发现，玄武岩纤维可以抑制水泥砂浆的自收缩和干燥收缩。李家俊[3]研究发现，玄武岩纤维掺量越大，对水泥砂浆干燥收缩抑制越显著。马晓杰[4]研究发现，玄武岩纤维可以提高水泥砂浆抗折强度，降低水泥砂浆干燥收缩，对抗压强度影响较小。江朝华等[5]研究发现，玄武岩纤维降低了水泥砂浆的流动度，有效提高了水泥砂浆早龄期的强度和抗裂性能。康秋波等[6]的研究结论和文献[5]基本一致。赵玉肖[7]认为，玄武岩纤维对3 d、28 d龄期砂浆的抗压强度及抗折强度均有显著提高作用。学者们关于玄武岩纤维对水泥砂浆性能影响的研究结论并不一致。本研究在水泥砂浆中掺入不同体积率的玄武岩纤维，探究水泥砂浆流动性、孔隙率、吸水性、表观密度、力学性能、干燥收缩性能的发展变化规律，以期为工程实践提供参考。

1 试验部分

1.1 原材料

试验原材料选用P.O 42.5普通硅酸盐水泥，砂子粒径小于5 mm，水泥砂浆中水泥、砂、水的配合比为1∶2∶0.5。玄武岩纤维主要参数见表1，掺入的纤维体积为水泥砂浆体积的0%、0.08%、0.16%、0.24%、0.32%。

表1 玄武岩纤维主要参数

1.2 试验方法

砂浆的流动值测定参考GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》[8]，水泥砂浆流动度采用砂浆流动仪(图1)测定。砂浆分两层装入模具，第一层装至模具高度的2/3处，然后装入第二层，用捣棒捣压，抹去高出模具的砂浆，最后将模具提起。试验结束后，砂浆底面互相垂直两个方向直径的平均值即水泥胶砂流动度。

图1 砂浆流动仪

砂浆孔隙率和吸水率测定参考ASTM C20—00StandardTestMethodsforApparentPorosity,WaterAbsorption,ApparentSpecificGravity,andBulkDensityofBurnedRefractoryBrickandShapesbyBoilingWater[9]。表观密度、立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、干燥收缩测定参考JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》[10]。立方体抗压强度、劈裂抗拉强度试件尺寸为 70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，收缩试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。试件制作完成后在标准养护室养护，养护条件为温度(20±5)℃、相对湿度90%。收缩试验从1 d龄期开始测试。

先将28 d龄期的试件放在105 ℃烘箱中烘干，干重记为D；再将试件放到装有蒸馏水的烧杯中煮沸 2 h，然后冷却12 h，用细线悬挂试件测得悬挂重S；最后用布将试件表面擦干测得饱和重W。计算孔隙率P和吸水率A，测试结果取3个试件的平均值[11]。

孔隙率

(1)

吸水率

(2)

计算表观密度ρ(测试结果取2次平均值)：

(3)

式中：ρ为砂浆表观密度，kg/m3；m1为容量筒质量，kg；m2为容量筒及砂浆总质量，kg；V为容量筒容积，L(砂浆容量筒容积1 L，直径108 mm，高109 mm)。

计算立方体抗压强度fcc(测试结果取3个试件的平均值)：

(4)

式中：fcc为抗压强度，MPa；p为破坏荷载，N；A为试件受压面积，mm2。

计算劈裂抗拉强度fts(测试结果取3个试件的平均值)：

(5)

式中：fts为劈裂抗拉强度，MPa；p为破坏荷载，N；A为试件劈裂面面积，mm2。

干燥收缩试验测定砂浆在无外部荷载作用下的轴向长度变形，采用弓形螺旋测微计测试，测头置于试件两端，砂浆分两层装入模具，采用捣棒振捣。

计算干燥收缩值εdry(测试结果取3个试件的平均值)：

(6)

式中：l(t0)为试件终凝后测定的初始长度，mm；l(t)为每次测量时试件的长度，mm。

2 结果与讨论

2.1 流动性

玄武岩纤维砂浆流动度发展变化曲线见图2，从中可以看出随着玄武岩纤维掺量的增加，砂浆流动度降低。当玄武岩纤维掺量为0.32%时，流动度较纤维掺量为0%的基准试件降低6.64%。这是因为玄武岩纤维在水泥砂浆中形成乱象分布的三维支撑体系，阻碍水泥砂浆流动，故流动度降低。

图2 玄武岩纤维砂浆流动度发展变化曲线

2.2 孔隙率

玄武岩纤维砂浆养护28 d后孔隙率发展变化曲线见图3，从中可以看出随着玄武岩纤维掺量的增加，孔隙率提高。当玄武岩纤维掺量为0.32%时，孔隙率达到20.3%，较纤维掺量为0%的基准试件增幅为18.71%。这是因为玄武岩纤维在砂浆中形成的三维网络支撑结构阻碍了砂浆流动，浆体内部分布不均匀，纤维掺量越大，孔隙率越高。

图3 玄武岩纤维砂浆孔隙率发展变化曲线

2.3 吸水性

玄武岩纤维砂浆养护28 d后吸水率发展变化曲线见图4，从中可以看出随着玄武岩纤维掺量的增加，砂浆吸水率提高。当玄武岩纤维掺量为0.32%时，吸水率为9.8%，较掺量为0%的基准试件增加22.50%。玄武岩纤维掺入后，砂浆孔隙率与吸水性提高。

图4 玄武岩纤维砂浆吸水率发展变化曲线

2.4 表观密度

玄武岩纤维砂浆养护28 d后表观密度发展变化曲线见图5，从中可以看出随着玄武岩纤维掺量的增加，砂浆表观密度降低。当玄武岩纤维掺量为0.32%时，表观密度较掺量为0%的基准试件降低4.27%。掺入玄武岩纤维后，砂浆孔隙率提高，表观密度降低。

图5 玄武岩纤维砂浆表观密度发展变化曲线

2.5 力学性能

2.5.1立方体抗压强度

玄武岩纤维砂浆养护3 d和28 d的立方体抗压强度发展变化曲线见图6。3 d龄期时，砂浆立方体抗压强度随着玄武岩纤维掺量的增加先增加后降低。原因分析：玄武岩纤维力学性能好，弹性模量大，在砂浆中形成不规则三维网状结构，龄期3 d时砂浆强度较低，外部荷载通过桥接作用由玄武岩纤维承受，抗压强度提高；当纤维掺量过大时，砂浆容易成团，内部浆体分布不均匀，抗压强度降低。28 d龄期时，砂浆立方体抗压强度随着玄武岩纤维掺量的增加而降低，原因是玄武岩纤维形成的三维网状结构阻止了浆体流动，浆体内部分布不均匀，密实度降低，抗压强度降低。

图6 玄武岩纤维砂浆立方体抗压强度发展变化曲线

2.5.2劈裂抗拉强度

玄武岩纤维砂浆养护3 d和28 d的劈裂抗拉强度发展变化曲线见图7，从中可以看出随着玄武岩纤维掺量的增加，砂浆劈裂抗拉强度提高。与不掺玄武岩纤维的基准试件相比：当纤维掺量为0.16%时，抗拉强度增加19.06%；当纤维掺量为0.32%时，抗拉强度增加23.10%。由此可见，当纤维掺量为0%～0.16%时，抗拉强度增幅显著；当纤维掺量高于0.16%时，抗拉强度增幅变小。当纤维掺量较小时，玄武岩纤维可以均匀分布在水泥浆体中，提高水泥浆体和骨料的黏结性能。随着外部荷载的增大，砂浆承受的拉应力增大，当达到其极限时，玄武岩纤维通过桥接作用继续承受拉应力，砂浆抗拉强度提高。若玄武岩纤维掺量过大，则不易在浆体内部均匀分布，会导致砂浆抗拉强度降低。

图7 玄武岩纤维砂浆劈裂抗拉强度发展变化曲线

2.5.3拉压比

玄武岩纤维砂浆养护3 d和28 d的拉压比发展变化曲线见图8，从中可以看出玄武岩纤维可以有效提高拉压比，对 3 d龄期的水泥砂浆更显著。当玄武岩纤维掺量为0.24%时，3 d和28 d龄期的水泥砂浆拉压比分别为0.144和0.138，较未掺玄武岩纤维时分别提高了28.85%和50.03%。拉压比提高说明玄武岩纤维降低了水泥砂浆脆性，提高了塑性和抗裂性能[12]。

图8 玄武岩纤维砂浆拉压比发展变化曲线

2.6 干燥收缩性能

玄武岩纤维砂浆干燥收缩发展变化曲线见图9，从中可以看出掺入玄武岩纤维后，砂浆干燥收缩值变小。当玄武岩纤维掺量为0%～0.16%时，试件的收缩率降低1.8%～15.16%；当玄武岩纤维掺量为0.16%～0.32%时，试件的收缩率降低16%～31%。这说明玄武岩纤维对砂浆收缩起到了较好的约束作用。原因主要是纤维弹性模量大，在砂浆中乱象分布形成三维骨架，和水泥浆体产生较好的黏结，有效抑制了砂浆收缩。纤维掺量越大，这种抑制作用越显著[13]。由图9可见，砂浆干燥收缩应变值随着龄期的增加而增大，0～7 d增幅显著，7～28 d增幅平缓。原因是前7 d试件中自由水含量大，干燥收缩应变值近似线性增长；7～28 d随着水化反应的进行，水分逐渐减少，干燥收缩应变值增幅放缓并趋于平稳。

图9 玄武岩纤维砂浆干燥收缩发展变化曲线

3 结论

(1)玄武岩纤维降低了水泥砂浆流动性和表观密度，提高了水泥砂浆孔隙率和吸水性。

(2)当龄期为28 d时，随着玄武岩纤维掺量的增大，水泥砂浆的抗压强度降低，劈裂抗拉强度先提高后降低，拉压比增大。

(3)当龄期为3 d时，随着玄武岩纤维掺量的增大，水泥砂浆的抗压强度和劈裂抗拉强度先提高后降低，拉压比增大；3 d龄期的拉压比大于28 d龄期。

(4)随着玄武岩纤维掺量的增大，水泥砂浆干燥收缩应变值降低。

(5)综合考虑玄武岩纤维对水泥砂浆各项性能的影响，建议玄武岩纤维最优掺量为0.24%。