玄武巖纖維水泥基灌漿料力學(xué)性能研究

農(nóng)澤清 陶紹平 潘美靜 易海鳳 龔泳帆

（揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

水泥基灌漿料是一種以水泥為膠凝材料，加入適量的礦物摻合料及外加劑形成的材料，具有流動(dòng)度高、強(qiáng)度高等特性[1-2]，它被廣泛應(yīng)用于設(shè)備基礎(chǔ)的二次灌漿、大型設(shè)備安裝、混凝土結(jié)構(gòu)加固及道路修補(bǔ)等領(lǐng)域[3]。但是，水泥基灌漿材料仍普遍存在性能不夠穩(wěn)定、成本較高、控制收縮困難等問題。丁泓力[4]通過調(diào)整普通硅酸鹽水泥和礦物摻合料的不同比例，選取硫代硫酸鈉、元明粉及純堿為早強(qiáng)劑，配制岀大流態(tài)、早強(qiáng)效果較好的水泥基灌漿料。俞鋒[5]將普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥復(fù)合，加入適量的膨脹劑，配制出早強(qiáng)微膨脹水泥基灌漿料。任宏偉[6]以3：7 的比例摻入普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥，灌漿料力學(xué)性能得到顯著提高。灌漿料施工過程中，往往用于舊混凝土的修補(bǔ)與連接，但是舊混凝土已經(jīng)收縮基本完全，界面處變形較??；灌漿料由于處于早齡期階段，收縮較大，容易出現(xiàn)新舊界面無(wú)法協(xié)同變形，出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致新舊界面粘結(jié)不牢固、修補(bǔ)效果受到影響。聚丙烯等有機(jī)纖維可以提高灌漿料的粘結(jié)性能，但是聚丙烯纖維長(zhǎng)度過長(zhǎng)時(shí)會(huì)對(duì)灌漿料的工作性能和力學(xué)性能造成不利影響[7]。本文通過在硅酸鹽水泥基灌漿料中摻入不同長(zhǎng)度及摻量的玄武巖纖維，探究玄武巖纖維長(zhǎng)度及摻量對(duì)灌漿料的力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

玄武巖纖維是由火山噴出巖經(jīng)高溫熔融后拉絲制成，具有良好的耐酸、耐堿、耐高溫、抗?jié)B性能，同時(shí)具有拉伸強(qiáng)度大，斷裂延伸率好等一系列優(yōu)點(diǎn)。將玄武巖纖維加入水泥基灌漿材料中，能夠?qū)w起到阻裂、增強(qiáng)、增韌的作用，對(duì)于提升水泥基材料的使用壽命等具有十分重要的意義。本文所用玄武巖纖維由江蘇某玄武巖纖維有限公司生產(chǎn)，普通硅酸鹽水泥基灌漿料來(lái)自南京某建材有限公司生產(chǎn)的H-40 型灌漿料，拌合水由揚(yáng)州市某自來(lái)水廠提供。本研究設(shè)計(jì)10 組實(shí)驗(yàn)配合比，在灌漿料中分別摻入體積摻量為0%、0.1%、0.15%、0.2%的短切玄武巖纖維，各摻量下短切玄武巖纖維的長(zhǎng)度分別為6mm、9mm、12mm。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 流動(dòng)度測(cè)定

流動(dòng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)參照《GBT8077-2012-混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》利用截錐圓模法測(cè)試玄武巖纖維水泥基灌漿料的流動(dòng)度，將在攪拌鍋內(nèi)攪拌好的水泥基灌漿材料倒入標(biāo)準(zhǔn)截錐試模內(nèi)，測(cè)試最大擴(kuò)散直徑與其垂直方向的直徑的算術(shù)平均值。

1.2.2 力學(xué)性能測(cè)定

力學(xué)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)參照GB/T17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》。

試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm 的長(zhǎng)方體試件，試件在20±1℃、相對(duì)濕度大于90%的水泥標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h 后脫模，置于20±1℃水中養(yǎng)護(hù)到設(shè)定齡期?？拐蹚?qiáng)度所用儀器為DKZ-5000 電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)測(cè)定，通過抗折強(qiáng)度測(cè)定后的兩個(gè)斷塊測(cè)定灌漿料的抗壓強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度測(cè)試所用儀器為長(zhǎng)春科新試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的GTC650 全數(shù)字電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

2 結(jié)果與討論

2.1 流動(dòng)度測(cè)定

將不同長(zhǎng)度及摻量的玄武巖纖維摻入灌漿料中，測(cè)試灌漿料的截錐流動(dòng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。不摻玄武巖纖維時(shí)，灌漿料的流動(dòng)度達(dá)到336 mm，隨著玄武巖纖維長(zhǎng)度從6 mm～12 mm 和纖維摻量從0.10%～0.20%變化，灌漿料流動(dòng)度從310 mm 下降至260 mm。由圖1 可以發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維長(zhǎng)度和摻量的增加對(duì)灌漿料的流動(dòng)度產(chǎn)生了不利影響，且隨著玄武巖纖維摻量從0.10%提升至0.20%，灌漿料的流動(dòng)度顯著下降，灌漿料的流動(dòng)度均下降10%以上。這主要是因?yàn)樾鋷r纖維對(duì)灌漿料具有一定的吸附和阻滯作用，降低了灌漿料的流動(dòng)性。同時(shí)，玄武巖纖維的長(zhǎng)度增大亦會(huì)導(dǎo)致灌漿料的流動(dòng)度下降，灌漿料的流動(dòng)度均下降7%以上。這主要是因?yàn)槎糖行鋷r纖維攪拌后成為單絲，在與灌漿料充分接觸后，纖維單絲呈現(xiàn)出無(wú)序分散的狀態(tài)。因而，玄武巖纖維在灌漿料中主要具有加筋、粘結(jié)作用，提高了灌漿料的粘聚性流，降低了灌漿料的流變性。

表1 不同纖維摻量及長(zhǎng)度時(shí)的灌漿料流動(dòng)度

圖1 纖維摻量及長(zhǎng)度對(duì)水泥基灌漿料流動(dòng)度影響

2.2 力學(xué)性能研究

將不同長(zhǎng)度及摻量的玄武巖纖維摻入灌漿料中，測(cè)試灌漿料的各齡期抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。由表可知，隨著玄武巖纖維長(zhǎng)度從6 mm～12 mm 和纖維摻量從0.10%～0.20%變化，玄武巖纖維的摻入有利于提高灌漿料各齡期的抗折強(qiáng)度，且早期提升效果明顯，3 d 齡期時(shí)，纖維長(zhǎng)度12 mm、摻量為0.15%的水泥基灌漿料抗折強(qiáng)度最高，可達(dá)到13.2MPa，提升85.9%。隨著纖維摻量的增加，灌漿料早期強(qiáng)度增加，后期纖維摻量的增加則對(duì)抗折強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。28 d 齡期時(shí)，纖維長(zhǎng)度9 mm、摻量為0.15%的灌漿料抗折強(qiáng)度最高，可達(dá)到17.6MPa，提升20.5%。主要原因是灌漿料受彎過程中，試件底面中央?yún)^(qū)域主要承受拉應(yīng)力，在加載過程中，試件內(nèi)部原本存在的微裂縫逐漸貫通，導(dǎo)致試件發(fā)生破壞。灌漿料內(nèi)部的玄武巖纖維在有利于在試件受彎過程延緩原生裂縫的擴(kuò)展，纖維在試件斷裂過程中發(fā)生斷裂或被拔出，吸收了部分能量從而提升灌漿料的抗折強(qiáng)度。

表2 不同纖維摻量及長(zhǎng)度時(shí)的灌漿料抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度

同時(shí)，玄武巖纖維的摻入有利于提高灌漿料各齡期的抗壓強(qiáng)度，3d 時(shí)抗折強(qiáng)度提升最為明顯。摻入12mm 的玄武巖纖維的灌漿料早期抗折強(qiáng)度明顯提高，可達(dá)到58.5MPa，后期強(qiáng)度相較摻入9mm 玄武巖纖維的灌漿料有所降低。9mm 玄武巖纖維在0.15%摻量的下，灌漿料的28d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高，達(dá)到85.4MPa，提升14.6%。值得注意的是，隨著長(zhǎng)度達(dá)到12 mm，摻量達(dá)到0.15%時(shí)，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。主要原因是玄武巖纖維摻入后，密集分布于灌漿料內(nèi)部，形成了類似細(xì)小的受力筋，當(dāng)灌漿料受壓時(shí)，應(yīng)力傳遞給纖維，玄武巖纖維較高的彈性模量提高了灌漿料的強(qiáng)度。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）玄武巖纖維的摻入降低了灌漿料的流動(dòng)度，摻量和長(zhǎng)度的提高對(duì)流動(dòng)度均造成不利影響，灌漿料流動(dòng)度從336 mm 下降至260 mm。不同長(zhǎng)度的玄武巖纖維摻入灌漿料時(shí)，灌漿料的流動(dòng)度均下降10%以上。

（2）玄武巖纖維的摻入有利于提高灌漿料各齡期的抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度，各長(zhǎng)度及摻量下，28d 抗折強(qiáng)度最多提升20.5%，抗壓強(qiáng)度提升14.6%。纖維摻量過量時(shí)對(duì)灌漿料的抗折強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。

（3）摻入硅酸鹽水泥基灌漿料中的玄武巖纖維，最佳摻量為0.15%，最佳長(zhǎng)度為9mm，此時(shí)灌漿料的28d 抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別達(dá)到17.6 MPa 和85.4 MPa。