聚丙烯纤维对水泥砂浆流动度影响试验研究

赖洋羿 张琦彬 唐军务



聚丙烯纤维对水泥砂浆流动度影响试验研究

赖洋羿 张琦彬 唐军务

（海军工程大学勤务学院 天津塘沽 300450)

聚丙烯纤维是一种高强度束装单丝有机纤维，水泥砂浆加入该种纤维可有效提高可有效地改善其抗裂、抗冲击、抗冻及抗疲劳等性能，但水泥砂浆加入聚丙烯纤维后会极大地改变其流动性，从而影响其施工性能。本文通过在水泥砂浆中掺入不同长度和掺量的聚丙烯纤维，对流动度的变化规律进行了研究分析。为聚丙烯纤维砂浆在实际工程中的运用提供参考数据。

聚丙烯纤维；水泥砂浆；掺量；长度；流动度

1引言

随着我国基础设施建设的稳步发展，水泥砂浆的使用也面临着更新换代。普通的水泥砂浆在机械冲击或内应力以及湿度或温度的作用下容易开裂，从而影响建筑的整体美观性能。通过在砂浆中加入聚丙烯纤维（PP）制成聚丙烯纤维复合材料，可以有效的控制砂浆塑性收缩、干缩、温度变化等微裂痕，防止及抑止裂缝的形成和发展。聚丙烯纤维大大改善了混凝土的阻裂抗渗性能，可以广泛运用于地下工程防水，工业民用建筑工程的屋面、墙体、地坪、水池、地下室，以及道路和桥梁等工程中，具有很好的抗裂、防渗、耐磨和保温性能。单俊鸿[1]等人发现，掺入聚丙烯纤维会降低混凝土的坍落度，减少的幅度为2.6%~39.3%，当掺加膨胀剂时，混凝土坍落度可以达到63.6%。崔邵炎[2]等人研究表明，掺加聚丙烯纤维后会使混凝土坍落度损失过大，造成了拌合、运输、浇筑、捣实和抹面工作困难，必要时可以保持水胶比不变，增大减水剂用量来弥补坍落度损失。宣卫红[3]通过比较12mm、25mm两种长度的纤维砂浆与基准砂浆的流动度，发现掺加纤维的砂浆比基准砂浆的初始流动度要小，纤维长度对新拌砂浆初始流动度有一定影响，纤维砂浆初始流动度与纤维长度成负相关性。目前国内对聚丙烯纤维工作性研究较多集中在掺加聚丙烯纤维对混凝土坍落度影响，纤维长度对砂浆流动性的研究较少，并且目前尚无考虑时间引起的纤维砂浆流动度损失的研究。

通过研究纤维长度、纤维掺量以及时间对砂浆流动度的影响，得出上述影响因素与砂浆流动度的关系曲线，可以对工程实际中砂浆流动度进行有效的预测和指导。

2试验

2.1原材料与实验配比

试验所用水泥为唐山市古治区大安水泥厂生产的强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，各项标准均符合国家规定。细骨料为天然河沙，粒径分布如表1所示。拌合用水为自来水。聚丙烯纤维由河北廊坊大城昊轩建材厂生产，常见的纤维长度有五种，分别为3mm、6mm、9mm、12mm、19mm，纤维具体参数见表2。

表1 细骨料级配分布

表2聚丙烯纤维的主要性能参数

2.2砂浆配合比及编号

水泥砂浆灰砂比是1:1.5，水灰比是0.5，制备基准砂浆（不含纤维）和掺加0.3%、0.6%、0.9%（质量比）的长度分别为3mm、6mm、9mm、12mm、19mm的15组纤维砂浆。

试件编号如下，3mm、6mm、9mm、12mm、19mm分别记为A、B、C、D、E，0.3%、0.6%、0.9%分别记为1、2、3。如SA1代表的是长度3mm掺量为0.3%的试件。不掺纤维的试件记为S0,对应的基准流动度为245mm。

2.3试验步骤

2.3.1砂浆初始流动度试验

将称量好的水泥和纤维放入称量仪器中干拌1min，加入水后，在水泥净浆搅拌机中慢搅30s，使纤维充分分散，随后加入细骨料快搅1min。随后迅速地将新拌砂浆分两次装入截头圆锥试模中进行流动度试验，试验完成后，用钢尺测量胶砂底面互相垂直的两个方向直径，计算平均值，该平均值即为该水量的水泥胶砂流动度。具体的方法及仪器均参照GB/T2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》[4]进行试验。

2.3.2砂浆流动度随时间变化试验

流动度试验按照规范的要求从胶砂加水开始到测量扩散直径结束，需要在6min内完成。实际上流动度试验大多数都可以在3min内完成，因此取3min作为试验时间。一次流动度损失试验需要进行三次流动度测试，时间节点分别为3min、30min、1h。具体的操作方法及试验仪器与新拌砂浆初始流动度试验相同。

2.4试验结果与分析

具体试验结果如表3所示

表3流动度试验数据结果

编号SA1SB1SC1SD1SE1SA2SB2SC2SD2SE2SA3SB3SC3SD3SE3 纤维长度mm369121936912193691219 纤维掺量%0.30.30.30.30.30.60.60.60.60.60.90.90.90.90.9 流动度3min239238235233232230230210195190195188172150155 30min/215/207//196/191////// 60min/209/192//182/180//////

2.4.1聚丙烯纤维长度对流动度的影响

图1为单掺3mm、6mm、9mm、12mm、19mm的聚丙烯纤维在0.3%、0.6%、0.9%掺量下的流动度变化折线图。

图1聚丙烯纤维流动度随长度变化规律

从图1折线变化规律可以看出，由于纤维长度的不同大致形成3种流动度变化的趋势，其中3mm、6mm变化趋势类似，12mm、19mm变化趋势类似。根据走势将纤维分类，把3mm、6mm称为短纤维，9mm称为中纤维，12mm、19mm称为长纤维。相同掺量下可以得到聚丙烯纤维流动度短纤维＞中纤维＞长纤维。由此可见，在相同掺量的情况下，纤维长度越长流动度越差，纤维长度与流动度呈负相关。其原因可能是短纤维的长度和细骨料直径相差不大，在砂浆中很难形成骨架结构，而长纤维在水泥基材中分散较好呈乱向均匀分布，可在砂浆中形成三维骨架结构，中纤维介于两者之间。因此长、中、短三类纤维有各自的流动度变化趋势。

2.4.2聚丙烯纤维掺量对流动度的影响

根据表3的数据，得到单掺3mm、6mm、9mm、12mm、19mm的聚丙烯纤维在0.3%、0.6%、0.9%掺量下的流动度损失百分比变化规律，见图2，其中基准流动度为245mm。

从图2折线变化规律可以看出：当掺量为0.3%时，所有长度的纤维流动度损失较小，损失率约为5%；当掺量为0.6%时，短纤维流动度损失较小，损失率约为6%，中长纤维流动度损失明显，损失率在14~22%之间；当掺量为0.9%时，所有长度的纤维流动度损失较大，损失率在20.4%~36.7%之间。由此可见，在相同长度的情况下，聚丙烯纤维掺量与流动度呈负相关。按照GB175-2007《通用硅酸盐水泥》[6]中的8.6条款，普通硅酸盐水泥进行胶砂强度检测时，其用水量按0.5水灰比和胶砂流动度不小于180mm来确定。当掺量为0.9%时，中长纤维流动度低于180mm，在实际施工中会造成拌合、运输、浇筑等工作困难。

当纤维掺量变大，纤维之间间距会变小，更容易形成三维骨架结构，进一步阻碍砂浆的流动。纤维间距按照式⑴[6]计算，计算结果如表2所示。

⑴

式中： S‑‑‑‑‑‑‑‑‑­­­­纤维平均间距；

d‑‑‑‑‑‑‑‑‑­­­­纤维的直径；

P‑‑‑‑‑‑‑‑‑­­­­纤维体积率的百分数。

表4 纤维间距计算表

注：SA1掺量为0.3%，SA2掺量为0.6%，SA3掺量为0.9%，均为质量比。

均需要换算成体积比。

由表4可知，随着掺量逐渐增大，纤维间距随之变小，更加容易形成三维骨架结构。纤维掺量为0.6%以上时，纤维间距变化不大。此外，由于纤维通过摩擦力对砂浆的扩散起阻碍作用，因此纤维掺量变大流动度减小。图2中12mm掺量为0.9%的流动度出现峰值，与预期结果不相吻合，其原因是在搅拌过程中没有彻底拌匀，造成聚丙烯纤维分散不彻底，在试验过程中出现了纤维成团的现象，因此该流动度损失较大，在实际工程中应使用有效的方法将纤维分散均匀，避免造成一些施工和质量问题。

2.4.3砂浆流动度随时间变化规律

当掺量为0.9%时，新拌砂浆流动度小于180mm，不满足规范所规定的施工标准，因此仅考虑0.3%和0.6%两种掺量。根据2.4.1的分析结果选取长短纤维各一种，参照表3数据将单掺6mm、12mm的聚丙烯纤维在0.3%、0.6%掺量下的砂浆流动度损失随时间变化绘制为图3。

图3聚丙烯纤维流动度随时间变化规律

从图3可以看出，砂浆流动度随时间呈线性负相关，因此流动度随时间变化有较强的可预测性，可以通过新拌砂浆流动度来推断拌合时间是否满足施工要求。经过计算发现，30min流动度损失在5.48~8.61%之间，1h流动度损失10.61~13.88%之间。因此在砂浆成型后1h内时，砂浆流动性依然保持较好。在2h以后，观察砂浆表面呈现出板结硬化的趋势，无法进行流动度测定试验。

3结论

聚丙烯纤维长度与流动度呈负相关，当纤维长于12mm或者短于6mm时长度对流动度影响较小，纤维长度在6~12mm时对流动度影响较大。

聚丙烯纤维掺量与流动度呈负相关，掺量较低时纤维长度对流动度影响较小。掺量较高时纤维长度对流动度有明显的影响，聚丙烯纤维质量比一般不能超过0.9%。

砂浆拌合时间与流动度呈线性负相关,可以通过新拌砂浆流动度推断某拌合时间的流动度。经计算自然环境下新拌砂浆1h内流动性损失较小，满足施工的要求。2h以后，砂浆表面出现硬化的趋势，流动度难以满足施工所需的要求。

[1]单俊鸿,周明凯,李北星.聚丙烯纤维混凝土在桥面铺装中的应用与施工[J].施工技术,2005,34（11）：78-8.

[2]崔绍炎.聚丙烯纤维混凝土在泵站流道中的应用[J].山西建筑,2007, 33（1）：167-168.

[3]宣卫红,赵晖.聚丙烯纤维的长度对新拌砂浆工作性能的影响及其机理分析[J].混凝土,2007,266（12）：110-112.

[4]GB/T2419—2005,水泥胶砂流动度测定方法[S].2005.

[5]GB175—2007,通用硅酸盐水泥[S].2005.

[6]克伦歇尔H,内维尔A,等.纤维间距和纤维比表面积[C]//纤维增强水泥与混凝土：国际材料与结构实验室联合会1975年会议论文集（第一册）.杨顺喜,沈荣熹,等译.北京：中国建筑工业出版社,1980.

赖洋羿（1995-），男，江西赣州人，硕士，研究方向为海洋结构物运用工程。

张琦彬（1975-），男，浙江台州人，博士，硕士生导师，研究方向为海防结构工程。

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1007-6344（2017）03-0012-01