玄武岩纤维水泥基灌浆料力学性能研究

农泽清 陶绍平 潘美静 易海凤 龚泳帆

（扬州大学 建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127）

0 引言

水泥基灌浆料是一种以水泥为胶凝材料，加入适量的矿物掺合料及外加剂形成的材料，具有流动度高、强度高等特性[1-2]，它被广泛应用于设备基础的二次灌浆、大型设备安装、混凝土结构加固及道路修补等领域[3]。但是，水泥基灌浆材料仍普遍存在性能不够稳定、成本较高、控制收缩困难等问题。丁泓力[4]通过调整普通硅酸盐水泥和矿物掺合料的不同比例，选取硫代硫酸钠、元明粉及纯碱为早强剂，配制岀大流态、早强效果较好的水泥基灌浆料。俞锋[5]将普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥复合，加入适量的膨胀剂，配制出早强微膨胀水泥基灌浆料。任宏伟[6]以3：7 的比例掺入普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥，灌浆料力学性能得到显著提高。灌浆料施工过程中，往往用于旧混凝土的修补与连接，但是旧混凝土已经收缩基本完全，界面处变形较小；灌浆料由于处于早龄期阶段，收缩较大，容易出现新旧界面无法协同变形，出现裂缝，导致新旧界面粘结不牢固、修补效果受到影响。聚丙烯等有机纤维可以提高灌浆料的粘结性能，但是聚丙烯纤维长度过长时会对灌浆料的工作性能和力学性能造成不利影响[7]。本文通过在硅酸盐水泥基灌浆料中掺入不同长度及掺量的玄武岩纤维，探究玄武岩纤维长度及掺量对灌浆料的力学性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

玄武岩纤维是由火山喷出岩经高温熔融后拉丝制成，具有良好的耐酸、耐碱、耐高温、抗渗性能，同时具有拉伸强度大，断裂延伸率好等一系列优点。将玄武岩纤维加入水泥基灌浆材料中，能够对基体起到阻裂、增强、增韧的作用，对于提升水泥基材料的使用寿命等具有十分重要的意义。本文所用玄武岩纤维由江苏某玄武岩纤维有限公司生产，普通硅酸盐水泥基灌浆料来自南京某建材有限公司生产的H-40 型灌浆料，拌合水由扬州市某自来水厂提供。本研究设计10 组实验配合比，在灌浆料中分别掺入体积掺量为0%、0.1%、0.15%、0.2%的短切玄武岩纤维，各掺量下短切玄武岩纤维的长度分别为6mm、9mm、12mm。

1.2 试验方法

1.2.1 流动度测定

流动度测试标准参照《GBT8077-2012-混凝土外加剂匀质性试验方法》利用截锥圆模法测试玄武岩纤维水泥基灌浆料的流动度，将在搅拌锅内搅拌好的水泥基灌浆材料倒入标准截锥试模内，测试最大扩散直径与其垂直方向的直径的算术平均值。

1.2.2 力学性能测定

力学性能测试标准参照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》。

试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm 的长方体试件，试件在20±1℃、相对湿度大于90%的水泥标准养护箱内养护24 h 后脱模，置于20±1℃水中养护到设定龄期。抗折强度所用仪器为DKZ-5000 电动抗折试验机测定，通过抗折强度测定后的两个断块测定灌浆料的抗压强度，抗压强度测试所用仪器为长春科新试验仪器有限公司生产的GTC650 全数字电液伺服万能试验机。

2 结果与讨论

2.1 流动度测定

将不同长度及掺量的玄武岩纤维掺入灌浆料中，测试灌浆料的截锥流动度，试验结果如表1 所示。不掺玄武岩纤维时，灌浆料的流动度达到336 mm，随着玄武岩纤维长度从6 mm～12 mm 和纤维掺量从0.10%～0.20%变化，灌浆料流动度从310 mm 下降至260 mm。由图1 可以发现，玄武岩纤维长度和掺量的增加对灌浆料的流动度产生了不利影响，且随着玄武岩纤维掺量从0.10%提升至0.20%，灌浆料的流动度显著下降，灌浆料的流动度均下降10%以上。这主要是因为玄武岩纤维对灌浆料具有一定的吸附和阻滞作用，降低了灌浆料的流动性。同时，玄武岩纤维的长度增大亦会导致灌浆料的流动度下降，灌浆料的流动度均下降7%以上。这主要是因为短切玄武岩纤维搅拌后成为单丝，在与灌浆料充分接触后，纤维单丝呈现出无序分散的状态。因而，玄武岩纤维在灌浆料中主要具有加筋、粘结作用，提高了灌浆料的粘聚性流，降低了灌浆料的流变性。

表1 不同纤维掺量及长度时的灌浆料流动度

图1 纤维掺量及长度对水泥基灌浆料流动度影响

2.2 力学性能研究

将不同长度及掺量的玄武岩纤维掺入灌浆料中，测试灌浆料的各龄期抗折强度和抗压强度，试验结果如表2 所示。由表可知，随着玄武岩纤维长度从6 mm～12 mm 和纤维掺量从0.10%～0.20%变化，玄武岩纤维的掺入有利于提高灌浆料各龄期的抗折强度，且早期提升效果明显，3 d 龄期时，纤维长度12 mm、掺量为0.15%的水泥基灌浆料抗折强度最高，可达到13.2MPa，提升85.9%。随着纤维掺量的增加，灌浆料早期强度增加，后期纤维掺量的增加则对抗折强度产生不利影响。28 d 龄期时，纤维长度9 mm、掺量为0.15%的灌浆料抗折强度最高，可达到17.6MPa，提升20.5%。主要原因是灌浆料受弯过程中，试件底面中央区域主要承受拉应力，在加载过程中，试件内部原本存在的微裂缝逐渐贯通，导致试件发生破坏。灌浆料内部的玄武岩纤维在有利于在试件受弯过程延缓原生裂缝的扩展，纤维在试件断裂过程中发生断裂或被拔出，吸收了部分能量从而提升灌浆料的抗折强度。

表2 不同纤维掺量及长度时的灌浆料抗折强度和抗压强度

同时，玄武岩纤维的掺入有利于提高灌浆料各龄期的抗压强度，3d 时抗折强度提升最为明显。掺入12mm 的玄武岩纤维的灌浆料早期抗折强度明显提高，可达到58.5MPa，后期强度相较掺入9mm 玄武岩纤维的灌浆料有所降低。9mm 玄武岩纤维在0.15%掺量的下，灌浆料的28d 抗压强度达到最高，达到85.4MPa，提升14.6%。值得注意的是，随着长度达到12 mm，掺量达到0.15%时，抗压强度出现明显的下降趋势。主要原因是玄武岩纤维掺入后，密集分布于灌浆料内部，形成了类似细小的受力筋，当灌浆料受压时，应力传递给纤维，玄武岩纤维较高的弹性模量提高了灌浆料的强度。

3 结语

（1）玄武岩纤维的掺入降低了灌浆料的流动度，掺量和长度的提高对流动度均造成不利影响，灌浆料流动度从336 mm 下降至260 mm。不同长度的玄武岩纤维掺入灌浆料时，灌浆料的流动度均下降10%以上。

（2）玄武岩纤维的掺入有利于提高灌浆料各龄期的抗折强度及抗压强度，各长度及掺量下，28d 抗折强度最多提升20.5%，抗压强度提升14.6%。纤维掺量过量时对灌浆料的抗折强度产生不利影响。

（3）掺入硅酸盐水泥基灌浆料中的玄武岩纤维，最佳掺量为0.15%，最佳长度为9mm，此时灌浆料的28d 抗折强度和抗压强度达到最大值，分别达到17.6 MPa 和85.4 MPa。