改性膠砂混合料基三維間隔織物材料制備及力學(xué)性能

戴前天，孫 濤，王桂明，蔣 賀，周吉學(xué)

(1.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070；2.珠海春禾新材料研究院有限公司，珠海 519000；3.安徽海螺水泥股份有限公司，蕪湖 241000；4.中國鐵建二十局集團有限公司，西安 710016)

混凝土帆布(concrete canvas，CC)是一種三維間隔織物增強水泥復(fù)合材料[1,2]，具有獨特成型方法及優(yōu)異的性能。三維織物增強水泥復(fù)合材料的成型特點是預(yù)先將水泥基粉體從三維間隔織物表面空隙中填充到三維織物中[3-5]，通過灑水促使水泥水化，在短時間內(nèi)硬化形成一層兼具力學(xué)性能和耐久性能的薄混凝土層。相比于傳統(tǒng)混凝土材料，CC具有使用方便、運用靈活的優(yōu)點[6,7]。但是，由于混凝土帆布采用粉末填充的制備工藝和灑水硬化的成型方式，導(dǎo)致水泥粉體在三維間隔織物中的均勻性和顆粒堆積密實度較差。因此，凝結(jié)硬化后拉伸和彎曲強度較低[8]。

為提升三維間隔織物增強水泥復(fù)合材料(Three-dimensional Spacer Fabric Reinforced Cement Composite Material，3DFCM)的力學(xué)性能，該文基于自制的超早強速凝快硬膠凝材料(Ultra Early Strength Quick Setting Fast Hardening Cementitious Material，UESQM)，摻入適量砂和玻璃纖維，在優(yōu)化基體配合比的基礎(chǔ)上，研究了砂的粒徑、膠砂比以及玻璃纖維體積率對其力學(xué)性能的影響。

1 試 驗

1.1 原材料

1)膠凝材料：試驗所用膠凝材料為自制UESQM，力學(xué)性能測試試樣尺寸40 mm×40 mm×160 mm，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下，不同齡期抗折強度(ff)、抗壓強度(fc)數(shù)據(jù)見表1。

表1 UESQM抗壓抗折強度能 /MPa

2)砂：試驗所用砂為水洗海砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，表觀密度為2 610 kg/m3,堆積密度為1 410 kg/m3。水洗海砂顆粒級配曲線，見圖1。

3)玻璃纖維：試驗所用玻璃纖維為深圳纖谷科技有限公司生產(chǎn)的長度為6 mm的短切玻璃纖維，基本指標(biāo)見表2。

4)三維間隔織物：試驗所用三維間隔織物為常熟美順琪紡織科技有限公司生產(chǎn)，滌綸纖維經(jīng)編，間隔層結(jié)構(gòu)X-90°，厚18 mm。

表2 玻璃纖維基本指標(biāo)

1.2 方法

試驗根據(jù)GB/T 17671《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》測試膠砂力學(xué)性能；根據(jù)ASTM C1185《非石棉纖維水泥平板、屋頂板和板壁墻以及墻板的取樣及測試的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》和GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》等測試3DSFCM的抗拉性能和抗折性能。抗壓和抗折試樣尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，抗彎試樣和抗拉試樣尺寸為450 mm×112.5 mm×18 mm。

1.3 試驗配合比

試驗分別考慮了UESQM與砂的膠砂比(0.4、0.6、0.8)、砂的粒徑范圍(0.075～1.18 mm、0.075～0.6 mm、0.075～0.3 mm)和玻璃纖維體積率(0.5%、1%、1.5%)，試驗配合比見表3。

表3 試驗配合比 /g

1.4 三維間隔織物增強水泥復(fù)合材料的制備

分別采用Z1組、Z2組和Z3組配合比，在三維間隔織物表面分次平鋪膠凝材料，依靠振動方式，輔以外力密實膠凝材料，振動時刷子清掃表面，防止粉末在表面團聚，重復(fù)此過程直至三維間隔織物表面孔洞基本被膠凝材料填充密實，稱重計算表觀密度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同粒徑對膠凝材料力學(xué)性能的影響

在3種粒徑范圍下，不同膠砂比的膠凝材料抗折抗壓測試結(jié)果，見圖2，圖中B/S表示膠砂比。

由圖2可知，當(dāng)B/S=0.4時，A1組除在3 h(0.125 d)齡期時略低于B1組的外，其他齡期強度均最高，7 d抗壓強度可達到67.2 MPa，28 d抗壓強度較7 d略有下降但仍高于其他組別，B1組7 d抗折強度最高可達到11.7 MPa；當(dāng)B/S=0.6時，試樣的力學(xué)性能在7 d后增長較為緩慢，C2組抗壓強度和抗折強度各齡期下均最高，28 d抗壓強度和抗折強度為63.3 MPa和11.7 MPa；當(dāng)B/S=0.8時，A3組7 d抗壓強度56.7 MPa，C3組7 d和28 d抗壓強度分別可達到65.7 MPa和70.5 MPa，C3組7 d和28 d抗折強度分別可達到10.5 MPa和10.3 MPa。

綜上所述，當(dāng)B/S=0.6時，粒徑在0.075～0.3 mm，其抗壓抗折強度均高于其他膠砂比組；當(dāng)B/S=0.4時，粒徑在0.075～1.18 mm和0.075～0.6 mm組，其抗折抗壓強度均高于B/S=0.6和B/S=0.8，兩種粒徑范圍組抗壓抗折強度。

2.2 玻璃纖維體積率對膠砂混合料力學(xué)性能的影響

圖3為3種粒徑范圍下，玻璃纖維體積率對膠砂混合料抗折、抗壓強度的影響。

由圖3可知，固定B/S=0.4，D組隨著玻璃纖維體積率的增加，膠砂混合料的抗壓性能隨之降低，抗折強度先增加后減少，D1組7 d和28 d抗折強度分別為10.7 MPa和11.5 MPa，對比未加玻璃纖維組，分別增加了9.2%和6.4%；E3組7 d和28 d抗折強度12.1 MPa和12.4 MPa，對比未加玻璃纖維組，分別增加了3.5%和11.7%；F組各齡期抗壓強度均低于未摻加玻璃纖維組，抗折強度隨著纖維摻量的增加而增長，F(xiàn)3組7 d和28 d抗折強度分別為11.7 MPa和12.3 MPa，相較于未摻加玻璃纖維組分別增長了10.2%和4.9%。

綜上所述，玻璃纖維在早期對膠砂混合料抗折性能提升不明顯，隨著齡期的增加，玻璃纖維能夠顯著提高此種膠砂混合料的抗折性能但其抗壓性能反而有略微降低，考慮到此種膠砂混合料填充于三維間隔織物中，玻璃纖維能夠緩解三維間隔織物隔層中的膠砂混合料灑水硬化后斷裂脫落現(xiàn)象，本實驗在粒徑0.075～1.18 mm、0.075～0.6 mm和0.075～0.3 mm下的最佳玻璃纖維體積摻量分別為0.5%、0.5%和1.5%。

2.3 三維間隔織物增強水泥復(fù)合材料力學(xué)性能

表4所示為3DSFCM的力學(xué)性能測試結(jié)果。由表4可知，3種粒徑范圍試樣的抗彎強度分別為2.2 MPa、2.6 MPa和4.1 MPa，Z2組的抗彎性能最高可達到4.1 MPa，Z3組和Z1組的試樣高于混凝土帆布的2.4 MPa。Z2組抗拉強度最高可達到7.0 MPa，高于Z1組和Z3組的3.3 MPa和4.2 MPa，但3組別抗拉強度均高于混凝土帆布的0.72 MPa。

表4 抗彎抗拉性能

3 結(jié) 論

a.不同粒徑條件下，B/S對膠凝材料力學(xué)性能的影響不同，粒徑在0.075～1.18 mm，最佳B/S=0.4；粒徑在0.075～0.6 mm，最佳B/S=0.4；粒徑在0.075～0.3 mm，最佳B/S=0.6。

b.玻璃纖維在早期對膠砂混合料抗折性能提升不明顯，隨著齡期的增加，玻璃纖維能夠顯著提高此種膠砂混合料的抗折性能，粒徑0.075～0.6 mm、B/S=0.4、玻璃纖維體積率1.5%組，28 d抗折強度最高可達到12.4 MPa，但玻璃纖維會降低抗壓強度，此組配合比下，28 d抗壓強度僅僅有54.1 MPa低于未加玻璃纖維組的57.6 MPa。

c.超早強速凝快硬材料內(nèi)摻砂粒徑范圍0.075～0.6 mm、膠砂比0.6和玻璃纖維體積率1.5%制備的三維間隔織物增強水泥復(fù)合材料抗拉強度為3.3 MPa、7.0 MPa,抗彎強度為4.1 MPa優(yōu)于傳統(tǒng)混凝土帆布的0.72 MPa抗拉強度和2.4 MPa抗彎強度。