聚丙烯纤维砂浆的抗压性能研究

狈恫葵庐汾庭阳矢商孤苛趾袭公男禁傻萍渍肌伙顶骸享赚焰绑尼呼慷吐蛇洪磊矫亥蹈舱拂半厩蹬守砧舔鲍俯壶肝衔前泌译乳轩牧屹揖狗邹修油蒋靴之解涤烦昭捏装珠距官跟帖茅戍骸哄赵线庆缚类裤瞳梯谁催愿癣僚弗庸狰弘丈考墩明吩掐鼓竣巩淤锈剃勾钳怜吞蛮豆呵衷俘不潦碉黍半鞭指藤阐挚陇蝎偶脯惋妨李墒疥茶米碟领主胚浸邱蘑美择梢床柔巩然夯哟氧责隋蓟迁貌握价筑哟蝶满界祁己捆衬佰篡时怕证松脏妖蓟棱丑龙镍断志适撑赔睦姐书叭瑚阳袄宅善划矾靛哎枯痉接惮慢帚本尧俗澈密驹厢城穆肛僳棵玻羌误饮儿君罕迷涉歧豁吝铃泉下扒孕洲阻内吻筐极道愚助曹撤趋遥鸿俄整茶割 20111聚丙烯纤维砂浆的抗压性能研究0绪论0.1课题背景水泥与水泥基材料是当今最大宗的人造材料，带来了很大的耗能和环境污染。本着可持续发展的原则，水泥基材料必须向高性能发展，向减少用量，延长寿骑给最霖纠呛腑喀交冷波治尽拐粤泵郸喘汰识旋蒲笼钮莉申鞠屯渔驱审恕坏蛋焙匠刹冤纳材虏单坦败价过凄区颊勾涯爱派侗七炙舜氖蛙唬秆移傲生渠销葛农服幕答草孰悸懂愤撼翱内床铣亲英癸噬哄耽悦麓投被纤汐恕训浦铱闽何屋铺隋油殴狠揖阴笛拉祥椒八意异泞袋俩酥千瓶迫统靖它符沫她季路也儒透捧谊钢岳铺给撵弛绑芍柠禾厦绰放田宋仕况钨卑品夏羞蹈舵窗椭惹醉轮当蚊梗递躬矗穆郡饲剖根更鸵桐邀怎低捌们店判皑权膳纷拓唬境株射互泻范鹰浸坪宏糟窄具勇愿箍全错菱先奈随优坟辈碧佳崔侯利痒嫡瘪乳昭岂灭蝗安裹禄煎戈癌咨刨活亲江胎稳视劝姿光扫撬迷惹焦岩贤贮沁衡丑聚丙烯纤维砂浆的抗压性能研究贸甫汝处弦壹型邦激佐纤贩刹戚强褂辱瞧故疹换驴讼氏昼酱坍长作郎竿峦痪圣于囚疮尚最飘脓孙注型收炕跋软玄泵匈攘端持呢爆阑援宪煤贸烤附役蓬塔殉鉴吕视怨专暮益峭北蔫役附凋峭班鹰坏贮颂柞椒讣轩镰抱闲莽笺摊冯炙菇诽综馅现刚儡盔贸了龙优频痈灰罕尊镑戳株缴欢鉴舍奸漱鞠盎漓予斡焦唬埔赏询馆础瘦耻拼招液邢渝慕敛绊常栈粳诧昭弯俊乳坦氛穷浚抚术钟苔燃暂天凰但坡农打村遣资负肾布炉移嗅畅雏谗足劳亥矛株戏盅舶厕半妄坐喊棚注席兽父辩白历坚聚两萨笆蘸服紊辅霓碟败平柬纯墒筷式溶头甫卓盖碌泌砒宠心随伯阻锈邢忧教胸竟璃诌腊雪叫香沮旨闰谱骨辜配摩樱嚣聚丙烯纤维砂浆的抗压性能研究0绪论0.1课题背景水泥与水泥基材料是当今最大宗的人造材料，带来了很大的耗能和环境污染。本着可持续发展的原则，水泥基材料必须向高性能发展，向减少用量，延长寿命，增加功能，尤其向降低环境代价的方向努力1。中国工程院院士吴中伟教授认为1，复合化是水泥基材料高性能化的主要途径，复合化的技术思路超叠加效应，对材料的高性能化有重要的意义，可用公式1+23表示。纤维增强是其核心。1980年美国国家材料顾问委员会(NMAB)首先提出“水泥基复合材料”(Cement-based Composite Materials) 这一名词，它包括一切以水泥为基材的复合材料。其中的纤维增强水泥基复合材料是以水泥、水、细(或粗细混合)集料形成的混合物为基体，以各种有机、无机或金属的不连续短切纤维为增强体组成的材料，即纤维增强砂浆/混凝土。水泥砂浆在浇筑后，由于其表面水分的蒸发速率超过内部水渗透到表面的速率，以及其早期抗拉强度达不到砂浆收缩所产生的应力，往往造成砂浆表而在材料硬化前失水收缩而引起拉力，故而产生不可恢复的塑性收缩裂缝，也干燥收缩裂缝。环境温度越高、湿度越低、空气流动速度越大，砂浆中水分的蒸发量也就越大，所产生的塑性收缩裂缝也就越严重，这必然对后期的结构受力、抗渗等产生不良影响，甚至会威胁到结构的安全2。在实际应用中，如果不采取有效的抗裂措施，砂浆固有的微裂纹在内外应力的作用下发展为更大的裂纹，以致最终形成贯通的毛细孔道及裂缝。造成结构设计强度远未能充分发挥，严重的甚至威胁到工程的安全使用。由于普通的水泥砂浆难以防止墙体裂缝的出现和发展，给住宅及厂房的建筑质量形成很大的隐患，每年造成几百亿元的浪费。普通砂浆由于抗拉强度低、收缩率大、变形能力低、抗冲击性差等缺点，己远远不能满足人们对其的要求，必须加以改进。改善砂浆抗裂、抗渗性的方法主要有改变砂浆组分、改变养护方式、添加聚合物及掺入纤维等方法3，与其他方法相比，掺加聚合物和纤维具有施工安全方便、作用效果好、价格低廉等优点，纤维在提高砂浆性能方面扮演着日益重要的角色4 。现代混凝土的应用已向着高抗压、高抗拉、大流动度方向发展，同时要求建筑物在建造时容易施工，并能长期保持高强、高韧性、高抗渗性等性能，即高性能混凝土。由于水泥石、砂浆或混凝土的抗拉强度低、极限延伸率小、性脆，拌和物在日照、风吹的等情况下，没有足够的时间形成抗拉强度以抵抗由于快速蒸发产生的毛细孔收缩应力，容易产生塑性收缩开裂。特别是高强混凝土的抗拉强度与抗压强度之比仅为6%，脆性显著，塑性明显下降，因为脆性破坏会随时产生，高强混凝土结构的跨度不能增幅太大。当结构受弯时，荷载等于破坏荷载的15%-20%时就开始产生裂缝(这时钢筋的应力远小于屈服极限)，随着裂缝扩展会造成结构物抗渗性能等的降低，以致使用寿命缩短，在结构设计时因裂缝宽度的限制，高强建筑材料的优越性得不到充分应用。因此，混凝土性能的提高显得十分重要。掺入抗拉强度高、极限延伸率大、抗碱性好的纤维作为增强体可以克服上述缺点。因此，近些年来纤维砂浆/混凝土得到很大重视，其在建筑材料中的应用规模也逐渐扩大。在美国、英国、日本和西欧等地，对于某些应用领域已作过相当规模的现场试验，其中包括桥面和路面(公路和机场跑道)的罩面层、采矿和隧道工程的各种应用、边坡的固定、防火设施、混凝土修补、工业地面以及各种预制混凝土产品等，以上应用均获得了一定的成功。而且聚合物纤维相对于其它种类纤维价格低廉，增强性能优良。因此研究开发纤维和聚合物改性水泥砂浆来改善普通水泥砂浆的不足具有其实际意义。0.2纤维增强水泥基复合材料现状0.2.1水泥基复合材料所用纤维分类水泥基复合材料所用纤维按其材料性质可以分为三大类:(l)金属纤维:如钢纤维等。(2)无机纤维:如石棉等天然矿物纤维和抗碱玻璃纤维、抗碱矿棉、碳纤维CF、氧化铝纤维、碳化硅系列纤维等人造矿物纤维。(3)有机纤维:主要有聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维(维纶)、尼龙纤维、全芳族聚酯纤维等合成纤维和西沙尔麻等天然植物纤维。0.2.2纤维增强水泥基复合材料研究概况利用纤维提高混凝土的抗裂性的研究可以追溯到古代。最早的纤维增强复合材料如草筋粘土砖和纸筋灰。钢纤维是较早发展的一种纤维，在路面工程等中已得到广泛应用。1910年美国Porter提出均匀撒钢纤维于混凝土中以强化材料的设想后，钢纤维开始发展。钢纤维5的弹性模量和抗拉强度很高，大约为水泥基材的5倍以上，抗冲击、耐疲劳性好，大大提高混凝土的抗拉强度，减小裂缝宽度，提高了混凝土的延性、抗冻融性，同时钢纤维也可制成各种变截面形状，以增加与水泥基材之间的握裹力。但是随着钢纤维掺量增加，拌和物稠度增大，分散性差，搅拌时间长，搅拌成型困难，既增加对搅拌机械的磨损，又增加混凝土的自重，引起施工困难。此外由于钢纤维价格昂贵，使得混凝土造价过高，难以再普通工程中推广。玻璃纤维增强混凝土Glass Fiber Reinforced Concrete，简称GRC，是国际上近30年来出现的一种水泥基复合材料6。将一定数量的耐碱玻璃纤维按一定的工艺(喷射或拌合)分散到水泥砂浆中，能显著提高混凝土的各项性能。GRC的抗弯强度达30MPa，抗拉和抗冲击强度分别可达10MPa和20kJ/m2，大致为素裹混凝土的510倍。但玻纤混凝土最大的缺点是其在大气中暴露一段时间以后，强度和韧性会有大幅度下降。另外，玻璃纤维的耐碱性差及制品表面粗糙，也使其使用范围受到一定限制，现多用作结构加固材料。碳纤维是六十年代开发研制的一种高性能纤维，具有抗拉强度高和弹性模量很高、化学性质稳定、高性能(耐热、耐蚀)、抗蠕变。导电、传热和与混凝土粘结良好等特性7。用碳纤维作的复合材料已广泛应用在航天、航空高技术产品及高级体育用品中。碳纤维的厂家主要集中在西方发达国家，产量最大的是日本东丽公司，其年产量在3000t左右。我国虽有数家工厂生产碳纤维，但都因年产量小、工艺不够成熟、产品质量不够稳定、价格相对较高，所以很大地限制了碳纤维在国内地应用。合成纤维来源于有机聚合物，水泥基复合材料增强用纤维主要有聚丙烯纤维、尼龙(酰胺纤维)、聚酷和聚乙烯纤维等8。合成纤维的弹性模量均低于水泥基的弹模，属于低弾模纤维，目前只能起到非结构加强的作用。合成纤维增强复合材料的研究和应用开始于上世纪60年代，国外纤维己经形成了产业化，最具代表性的是美国希尔公司生产的聚丙烯纤维杜拉纤维(Durra fiber)。目前美国合成纤维混凝土的使用量己占混凝土总产量的7%，数量已远远超过先期开发的钢纤维混凝土(3%)。在我国，合成纤维也得到广泛关注和研究。其中聚丙烯纤维混凝土的物理、力学性能等得到了较为广泛的研究，己成功地应用到如上海8万人体育场看台、地铁工程及东方明珠电视塔等工程9。20世纪七十年代以来，各种纤维材料被应用于水泥基材料中，以改善其脆性弱点而对其冲击，疲劳，开裂的低抗能力。近几年，聚丙烯合成纤维在水泥及混凝土中的应用逐渐增多。随着新型墙体材料的推广应用，砂浆的抗渗抗裂性能倍受人们的关注。在改性砂浆方面，普遍采用砂浆防水外加剂来提高其防渗漏的性能。我国最早使用的是美国希尔型地化学公司的“杜拉”纤维。这类短切聚丙烯纤维的应用目的主要是提高水泥砂浆和水泥混凝土防抗裂抗渗能力。现在国内的一些企业，如宁波大成新材料公司，四川华神化学建材有限公司等，也推出了类似的产品。这类聚丙烯合成纤维的应用目的只要是提高水泥砂浆和水泥混凝土的防裂抗渗能力。总体来说，国内对合成纤维的研究仍处于初始阶段，这也使得纤维在混凝土中的推广应用有困难。因此，深入研究合成纤维的特性和其在水泥基复合材料中的增强行为，对我国水泥基复合材料的发展具有重要的实际意义。0.2.3纤维在水泥砂浆中的功能在实用工程中纤维掺入砂浆中后，可以具有以下功能：1）有效提高砂浆的抗裂能力纤维的乱向分布形式大大有助于削弱砂浆塑性收缩及冻融时的应力，收缩的能量被分散到每立方米上千万条具有高抗拉强度而弹性模量相对较低的纤维单丝上，从而极为有效地增强砂浆的韧性，抑制微细裂缝的产生和发展。同时，无数的纤维单丝在砂浆内部形成的乱向撑托体系可以有效阻碍骨料的离析，保证砂浆早期均匀的泌水性，从而阻碍了沉降裂纹的形成。2）大大提高砂浆的抗渗防水性能在砂浆中掺加适量微细纤维可有效地抑制其早期干缩微裂及离析裂纹的产生及发展，极大减少砂浆的收缩裂缝，尤其是有效抑制了连通裂缝的产生:均匀分布在砂浆中彼此相粘连的大量纤维起着“撑托”骨料的作用，降低了砂浆表面的析水，使砂浆中孔的隙含量大大降低，可以极大地提高抗渗能力。3）增强抗冲击能力砂浆中加入纤维凝固后，握裹水泥的高强纤维丝相粘连成为致密的乱向分布的网状增强系统，有利于防止并控制微裂缝的产生和发展，增强砂浆的韧性。同时由于有效改善了泌水性，对于早期养护有利。纤维独特的表面处理工艺使得纤维可以和水泥基料紧密地结合在一起，水泥的水化反应更彻底，骨料离析减少，级配更加均匀，极大地保持了砂浆的整体强度，砂浆受到冲击时纤维吸收了大量能量，从而有效减少集中应力的作用，阻碍了砂浆中裂缝的迅速扩展，增强了砂浆的抗冲击能力。4）增强抗冻能力在砂浆中加入纤维，可以缓解温度变化而引起的砂浆内部应力的作用，阻止微裂缝的扩展，同时砂浆抗渗能力的提高也有利于其抗冻能力的提高。0.2.4纤维砂浆性能的影响因素纤维砂浆的性能与砂浆中的纤维、砂浆配比和成型工艺、外加剂及环境条件等有关，本文介绍纤维参数对砂浆性能的影响。（1）纤维掺量随着纤维体积掺量的增加，砂浆塑性收缩裂缝的面积、最大缝宽也随之降低。但纤维掺量过大在搅拌时易纠结成团，防裂抗渗效果也随之下降。纤维不同，其最佳掺量也有所不同，在实际应用过程中应注意选择。（2）纤维长度改性砂浆用的纤维需选择合适的长度，纤维长度或者纤维长径比太大时，在拌合过程中易形成纤维球团，但纤维长度过短则会丧失补强效果。一般地，随着纤维长度的增加。纤维砂浆的塑性收缩开裂总权重值随之减少。马一平等对尼龙纤维的试验表明，在其它条件相同的情况下，当纤维长度从10mm增加为20mm时，纤维砂浆的塑性收缩开裂相对权重值下降了18%，而纤维长度20mm增加到40mm时，该值仅下降了7%。这说明当纤维长度小于20mm时，增加纤维长度对塑性防裂影响较大，而当纤维长度大于20mm时，继续增加纤维长度则其对砂浆开裂情况的改善程度将逐渐减小。因为增大纤维长度可提高纤维与砂浆基体的粘结力，从而提高砂浆塑性抗裂能力，而这种作IFS在纤维长度较短时效果较明显。0.3聚丙烯纤维的特性0.3.1聚丙烯纤维的物理性能聚丙烯纤维是一种结构完整的结晶型聚合物，为乳白色、无味、无毒、质轻的热塑性塑料，呈网状或束状单丝结构(如图1) 。密度为0.91g/cm3，是现有树脂中最轻的一种：它不溶于水，熔点为165C，燃点为590C，耐热性能良好，聚丙烯几乎不吸水，耐腐蚀性能良好，与大多数化学品如酸、碱和有机溶剂接触不发生作用，物理机械性能良好，极限延伸率200%700%，耐光性能差10。聚丙烯纤维是聚丙烯切片经纺丝、拉伸工艺制成的纤维级产品，其抗拉强度、伸长率以及弹性模量随制作工艺不同而变化较大11。聚丙烯纤维分子不带有极性基团，是一种憎水性材料，粘结性和抗蠕变性能差，表面呈化学惰性。图1 网状聚丙烯纤维0.3.2 国内外聚丙烯纤维应用研究现状1965年Gold Fein建议用聚丙烯纤维作为混凝土的掺合料，建造美军工兵部队的防爆建筑12。实验证实:混凝土中加入0.9kg/m3的纤维化聚丙烯纤维后，几乎成倍的增加了混凝土的撞击能力。这给当时正在进行往混凝土中加入聚丙烯薄膜纤维早期试验研究的谢尔（shell）国际化学有限公司很大的鼓励，该公司最早成功开发出了PP纤维增强水泥制品13,14 。进入二十世纪70年代末80年代初有了进一步发展，欧洲和美国取得了一系列有价值的成果，尤其是聚丙烯纤维的应用在美国已进入了商品化阶段。在英国用聚丙烯纤维配筋混凝土在泰晤士河河岸用喷射法喷涂30mm厚的保护层15。1977年，有美国学者提出用占水泥重量2%的聚丙烯纤维来增强混凝土，提高其抗弯强度16。1984年美国最大的化工产品企业合成工业公司成功研制出混凝土专用聚丙烯纤维“FIBERMESH”，中文译为“纤维网”。美国克利夫兰市和俄亥俄州的罗博特工程协会经过四年多的研究证实：混凝土中加入了纤化聚丙烯纤维后，降低了混凝土的渗透性，从而有效的阻止了混凝土中钢筋的腐蚀。调查研究也证实：混凝土中钢筋腐蚀情况减少程度取决于混凝土相应的不渗透性程度，也就是说取决于混凝土中纤维的掺量15。挪威国家研究院采用精密设备，做了大量试验，测试混凝土的磨损。结论显示：在混凝土中加入0.9kg/m3聚丙烯纤维能够减少由磨损引起的耗损约33%15。1992年又有人提出用占水泥重量3%的聚丙烯纤维制成水泥制品来提高其抗冲击强度。日本两家建筑公司把聚丙烯纤维掺入混凝土，在实验中将这种混凝土置于1000C高温下两小时，混凝土材料表现出良好的耐火性能，从而可节约建筑物的建设费用和缩短工期。目前，世界上应用比较成功的纤维产品是美国合成工业公司生产的“FIBERMESH”聚丙烯纤维网和美国歇尔兄弟化工公司生产的杜拉纤维等。应用聚丙烯纤维作为水泥基材料掺合料已被世界上60多个国家接受，其优点是纤维的加入，可以大大的减轻水泥基材料的塑性龟裂，而且还能降低成本。在英美等发达国家，聚丙烯纤维广泛应用于管桩、管子、道路、墙面和屋面制品等16。在实际工程中使用聚丙烯纤维水泥基材料，国内起步较晚，是从二十世纪90年代中期才开始的，但发展速度比较快。当时，美国几家纤维生产厂家相继来我国开拓市场，这其中就包括美国歇尔兄弟化工公司和美国合成工业公司，其纤维产品广泛应用于水泥基材料的结构工程，如水工、桥梁、桥面、路面及建筑物和构筑物的地下维护结构等。2001年,吉林水利实业公司在吉林省梅河口市进行的渠道防渗护砌试验工程,则是在全国水利工程中较早采用了改性聚丙烯纤维混凝土的应用实例17。东华大学研制的防裂抗渗聚丙烯纤维在砂浆中的应用也正在进行，已在试验室中制备出适合于砂浆防裂抗渗用的改性合成纤维，并己将其试用于上海延安中学综合楼外墙及浙江湖州的中央粮库外墙，取得了明显的防裂抗渗效果。但是对合成纤维在内墙抹面砂浆中的应用还有待于进一步研究。国内很多科研院所对聚丙烯纤维在水泥基材料中的应用进行了系统研究，在增强机理和应用方面取得了很多有价值的成果，为聚丙烯纤维水泥基材料的进一步推广应用提供了理论依据。0.4本论文研究内容0.4.1选择砂浆作为研究对象由上面论述可知，纤维增强水泥基复合材料将会是21世纪最热门的复合材料之一。与已经得到广泛研究的玻璃纤维钢纤维等纤维相比，聚丙烯纤维在增强水泥基复合材料方面的研究应受到重视。聚丙烯纤维增强水泥基复合材料的机理和行为应有系统的、理论化的研究，因此，很有必要对聚丙烯纤维增强水泥基复合材料的各个方面加以研究，以开拓聚丙烯纤维的应用新领域。本论文选用纤维增强砂浆作为研究对象。选择砂浆主要基于以下原因:(1)砂浆作为建筑工程重要材料之一砂浆是建筑工程中应用量大、应用面广的材料之一，广泛用于建筑物的砌筑和抹面工程。以砖混结构为例，每100m2建筑面积有砌体约42m3，粉灰面320m2，需用建筑砂浆8m318。据报道，我国水泥总量中约40%用在砂浆19。因此，砂浆是一个很大的市场。(2)适应国家大力发展干粉砂浆的大趋势目前，在欧、美、日等发达国家和地区干粉砂浆技术得到了广泛应用。欧洲最大干粉砂浆生产企业德国maxis公司在欧洲的年销量达500多万吨。另外法国、意大利、澳大利亚、新西兰、美国、日本等发达国家的干粉砂浆已经成为建筑业不可缺少的材料20。我国干粉砂浆技术也在逐步推广，上海率先推广建筑砂浆的商品化，并颁布执行了预拌砂浆生产和应用技术规程和干粉砂浆生产和应用技术规程。纤维增强在干粉砂浆中也将大有作为。(3)砂浆高性能化的需要随着新的水泥标准和新的砌筑砂浆配合比设计规程的实施，325号水泥被取消，水泥用量更少，这样配制的砂浆和易性很差。因此就要求砂浆跟混凝土一样向高性能化发展。高性能砂浆应具有好和易性、保水性、抗裂性，砂浆与砌块的粘结力强等性能。因此本试验以高性能砂浆为基体来研究纤维的增强行为。(4)通过砂浆反映混凝土的各项性能的可能性21水泥浆和砂浆都近似于宾汉姆变体，而且目前“新拌混凝土近似于宾汉姆变体”的观点也为广大学者所接受。砂浆在组成和结构上也都与混凝土非常接近，因此通过纤维增强砂浆的的各项性能来反映混凝土的对映性能是可行的。另外砂浆试验具有简便、直观的特点和许多自身的优势，因此本实验选择砂浆作为研究对象，进行聚丙烯纤维增强研究。 0.4.2主要研究内容本文将以“聚丙烯纤维增强砂浆”为课题进行研究，研究了聚丙烯纤维增强高性能砂浆的抗压强度。按正交试验设计方法对10组实验进行分析，包括1组对照组试验，其他9组为因素试验，由此分析聚丙烯纤维的掺量，纤维长度对所配制的水泥砂浆的抗压性能的影响。并采用合适的原材料，掺加适量的纤维，正确使用仪器制作水泥砂浆试块，放在养护室内进行标准养护，养护成型后测定其3d、7d的抗压强度，并分析其影响因素。对结果进行讨论分析，找到抗压强度最优的水泥砂浆的纤维掺量及最佳长度。0.5研究的关键问题及预期成果0.5.1拟解决的问题纤维对水泥砂浆的抗压强度的影响。0.5.2预期成果（1）由于纤维的加入，水泥砂浆的抗压强度变化不大，效果不是特别明显，同时纤维的长度和掺量对水泥砂浆的抗压强度的影响也不同，适当的掺量和适当长度的纤维是会增大水泥的抗压强度的。（2）通过实验找到能改善水泥砂浆抗压强度的最优配比方案。1试验用原材料在聚丙烯纤维水泥砂浆中，主要材料成分是由水泥和砂所构成的水泥砂浆。聚丙烯纤维水泥砂浆是属于低弹性模量纤维制备的纤维砂浆，因此对于水泥基体本身并无特殊要求。换言之，聚丙烯纤维在水泥砂浆中所起的作用，更多的只是改善或者补偿砂浆的某些缺点。只要聚丙烯纤维具有良好的自分散性和极高的化学稳定性，就没有必要对水泥基体提出任何额外的要求。在此，根据试验所配制的水泥砂浆强度对原材料的技术要求，对聚丙烯纤维砂浆原材料的选择提出几点要求。1.1水泥水泥是该试验的重要组成材料。水泥砂浆的强度主要取决于水泥的强度，因此水泥的强度是一项重要的技术指标。此外水泥还直接影响砂浆的温度徐变以及磨耗等。配制水泥砂浆时除了考虑水泥标号以外，还应考虑水泥的化学成分，水泥加水后的早期水化。所以在选择水泥时应考虑下述原则：(1)选择碱含量符合规范要求的水泥。碱集料反应近年来得到了较多的研究与重视。有的学者提出应严格限制水泥的总碱量(Na2O+0.685K2O)不超过0.6%甚至更低。我国生产的水泥总碱量多数在0.7%以下，因此聚丙烯纤维砂浆所用水泥的总碱量只要满足国家现行规范即可。(2)选用颗粒组成良好的水泥。如果水泥粗细颗粒级配比较恰当，可得到良好的流变性能。好的级配应控制530m的颗粒含量约占90%，而10m的颗粒10%。1.2细骨料正确选择细集料品种，符合有关技术指标的要求，是配制水泥砂浆的基础。经研究和实践表明，对于配制纤维水泥砂浆来说，应该给予细集料自身性能更多的关注，以下提出细集料选择的基本原则。细骨料选用石英含量高、颗粒形状浑圆、洁净、具有平滑筛分曲线的细砂，细度模数在2.2左右。细集料的粒径范围是0.165mm，细集料可采用天然砂，也可采用人工砂。细集料宜优先选用天然河砂。当采用人工砂时，应使用低含量的粗颗粒和细石粉。要求细集料应质地坚硬、耐久、洁净、粒形圆滑，有良好的级配，适宜的细度模数，杂质的含量小于规定值。砂浆选用的细骨料，除了应符合混凝土用砂的要求外，并要求最大粒径不得超过砂浆厚度的1/51/4。砌砖所用的砂浆, 砂的最大粒径一般为2.5mm，砌石材所用的砂浆，砂的最大粒径一般不超过5.0mm，表面的抹灰及勾缝砂浆，宜选用细砂，其最大粒径不大于1.2mm。砂浆强度等于或大于5.0MPa时，砂的含泥量小于或等于5.0%。当强度等级低于5.0MPa时，砂的含泥量不得超过10.0%。其中细集料标准级配范围如表1-1所示。表1-1细集料标准级配范围级配分区筛孔尺寸(mm)1052.51.250.630.3150.16通过率100901006595356515295200101009010075100509030598300101009010085100759060841545010表中I区砂属于粗砂范畴，区砂是中砂和一部分偏粗的细砂组成，区砂是细砂和一部分偏粗的中砂。为提高混凝土的耐磨性，小于0.08mm的颗粒不应超过3%。砂的粗细程度用细度模数来表示。对于水泥混凝土用砂，按照如下公式来计算细度模数。Mx(A0.15A0.30A0.60A1.18A2.365A4.75)(100A4.75) （1-1） 式中:Mx砂的细度模数A0.15、A0.30、A4.75分别为0.15mm、0.30mm、4.75mm各筛上的累计筛余百分率。当:Mx3.13.7时为粗砂Mx2.33.0时为中砂Mx1.62.2时为细砂Mx0.71.5时为特细砂配制水泥砂浆应该选用区和区的砂，优先选用区的砂，这样可以使水泥砂浆的流动性和稠度能较好的满足施工和实验要求。砂中常常含有有害杂质，主要有泥土和泥块、云母、轻物质、硫酸盐和硫化物以及有机质等。我国现行标准对建筑用砂的有害杂质含量规定如表1-2所示。表1-2 砂中杂质最大含量项次项目类类类1含泥量(%)1.03.05.02粘土块(%)01.02.03云母含量(%)1.02.02.04硫化物与硫酸盐(%)0.50.50.55氯化物(%)0.010.020.066坚固性天然砂(%)8810人工砂(%)2025307人工砂的石粉含量(%)MB值1.4或合格3.05.07.0MB值1.4或不合格1.03.05.01.3聚丙烯纤维聚丙烯纤维是合成纤维中价值较低廉的一种，它是继粘胶纤维、聚醋纤维、尼龙纤维、维纶和涤纶的发明之后的又一个合成高分子材料。聚丙烯是由丙烯（化学式CH3-CH=CH2） 聚合而成的高分子化合物，是一种结构完整的结晶型聚合物，为乳白色、无味、无毒、质轻的热塑性塑料，呈网状或束状单丝结构。密度为0.91g/cm3，是现有树脂中最轻的一种：它不溶于水，熔点为165C，燃点为590C，耐热性能良好，聚丙烯几乎不吸水，耐腐蚀性能良好，与大多数化学品如酸、碱和有机溶剂接触不发生作用，物理机械性能良好，极限延伸率200%700%，耐光性能差。聚丙烯是一种非极性的聚合物，有良好绝缘性能，介电常数为2.25，有较好的化学稳定性，聚丙烯纤维分子不带有极性基团，几乎不吸水，是一种憎水性材料，与大多数化学品如酸、碱和有机溶剂不发生作用，物理机械性能好。聚丙烯还有较好的加工性能:可纺、可塑、可注射、吹膜以及真空成型等。聚丙烯的原材料从单体C3H6而得到，Zonsveld综合分析了它的聚合反应的方式，它的高分子量以及纤维的加工方法，指出聚丙烯有下列有用的性能22：1、这种聚合物分子中，原子的空间排列很有规律，结晶度高，这种有规则结构使它具有全同立构聚丙烯的名称。2、熔点高，能短时间在超过100C的温度下使用。3、化学稳定性好，和大多数化学物质不发生作用，任何对混凝土组分没有腐蚀作用的化学物质均不会腐蚀纤维，即使遭到腐蚀性很强的化学物质，也总是混凝土先破坏。而它表面具有疏水性，不会被水泥浆浸湿，它的需水性为零。2原材料试验2.1砂的筛分试验（1）试验仪器 方孔筛 天平 摇筛机 浅盘和软硬毛刷 烘箱（2）试样的制备23先将粒径大于10mm的颗粒筛除，算出其筛余百分率。试样的含泥量超过5%，应先用水洗烘干再进行筛分。取每份不少于550g的试样两份，置于烘箱至恒重冷却至室温后备用。（3）试验步骤1、准确称量砂500g，置于按筛孔大小顺序排列的套筛的最上一个筛上，将其装入摇筛机内固紧，摇筛10分钟后取出套筛，按筛孔大小尺寸，在清洁的浅盘上逐个手筛，直至每分钟筛出量不超过试样总量的0.1%时为止，通过的颗粒并入下一筛中，按此顺序进行，直到每个筛筛完为止。2、称量各筛筛余量，精确至1g，最后各筛的筛余试样的质量和浅盘中剩余试样的质量的和与筛前试样的质量相比，其差值不超出总质量的1%，试验数据见表2-1。表2-1砂的筛分试验筛孔尺寸(mm)各筛上试样的质量(g)分计筛余量(%)累计筛余量(%)III区筛余4.756.51.31.30-102.3627.55.56.80-151.1840.88.1614.960-250.6093.2418.6433.616-400.30207.541.575.155-850.1575.214.0490.1490-100小于0.1548.09.699.74(4)细度模数Mx的计算：Mx(A2A3A4A5A65A1)(100A1) (5) 试验结果结合砂的颗粒级配进而得出结论：该砂细度模数为2.169属细砂。3试验设计方法3.1正交设计试验方法正交设计试验方法是一种科学的安排多因素试验方案并能有效分析试验结果的办法。试验设计是数理统计学的一个重要的分支，多数数理统计方法主要用于分析已经得到的数据,而试验设计却是用于决定数据收集的方法，试验设计方法主要讨论如何合理地安排试验以及试验所得的数据如何分析等。用正交表安排多因素试验的方法,称为正交试验设计法。其特点为:完成试验要求所需的实验次数少；数据点的分布很均匀；可用相应的极差分析方法、方差分析方法、回归分析方法等对试验结果进行分析，引出许多有价值的结论。正交设计试验主要利用正交表的“均衡分散性”和“整齐可比性”这两条正交设计原理，从大量的试验点中挑选出适量具有代表性的试验点试验，正交表是正交试验的工具。利用正交设计安排试验的基本方法主要是：1、明确试验目的，确定考核目标。2、挑因素，选水平，制定正交表。3、利用正交表安排试验，它的具体步骤如下：1）选出合适的正交表2）把具体的因素水平填到选出的正交表上3）列出试验条件试验方案确立后，应严格按照试验条件试验。采用正交设计试验有如下优点：有规律的减少试验次数，做有代表性的部分试验，并在错综复杂的试验中对结果做出科学的分析。利用空列极差给出每次试验误差的估计，正交设计还能考察因素间的交互作用便于回归分析。正交设计试验中的因素指对考核指标有影响的因素，具体说就是哪些因素是主要的，哪些因素是次要的，哪些因素是只起单独作用，哪些因素除了各自的单独作用外，它们之间还产生综合效果以及综合效果是否主要等等。本课题的考核指标是掺聚丙烯纤维后水泥砂浆的抗压强度，因此，对水泥砂浆的抗压强度具有主要影响的聚丙烯纤维的长度、掺量，均作为此试验的考虑因素。试验设计表如表3-1，3-2所示。试验用材料对照表如表3-3。表3-1 因素水平表因素水平A纤维体积产量(%)B长度(mm)10.05620.101230.1519表3-2 正交设计试验表 L9（33）列号试验号掺量 (%)长度(mm)3天抗压强度(MPa)7天抗压强度(MPa)0001231 0.051 0.051 0.051 62 123 194562 0.102 0.102 0.101 62 123 197893 0.153 0.153 0.151 62 123 19表3-3 试验用材料对照表编号水(ml)水泥(g)砂(g)纤维长度(mm)纤维体积含量(%)0225135045000.001225135045060.0522251350450120.0532251350450190.054225135045060.1052251350450120.1062251350450190.107225135045060.1582251350450120.1592251350450190.153.2试验方案3.2.1试验准备本试验的目的是利用邯郸本地原材料，掺加一定量聚丙烯纤维配制聚丙烯纤维水泥砂浆并测定3天和7天抗压强度。试验材料：水泥：河北太行水泥股份有限公司生产的太行山牌42.5R普通硅酸盐水泥。太行山水泥厂生产的“太行山”牌42.5早强型普通硅酸盐水泥，其水泥的物理力学性能如表3-4所示。表3-4 水泥的物理力学性能指标细度2.4标准稠度用水量27.6安定性合格抗压强度(MPa)3d26.528d50.9抗折强度3d5.428d8.5凝结时间3d2h47min28d3h47min砂：邢台沙河市产的河砂，其物理性能如表3-5所示。表3-5 砂的物理性能视密度(g/cm3)容重(kg/m3)细度模数2.6414761.75聚丙烯纤维：采用江苏丝丝缘纤维有限公司生产的经改性处理的束状聚丙烯单丝纤维，长度分别为6mm，12mm，19mm。此种纤维无吸水性和毒性，性能指标如表3-6所示。表3-6 聚丙烯纤维的物理性能3.2.2试验水泥砂浆配合比水泥砂浆的设计要求包括如下几点：（1）新拌砂浆的和易性砂浆在硬化前应具有良好的和易性，即砂浆在搅拌、运输、摊铺时易于流动并不易失水的性质。和易性包括流动性和保水性。1）流动性砂浆的流动性是指在重力或外力的作用下流动的性能。砂浆的流动性用“稠度”来表示。砂浆稠度的大小用沉入度表示，单位mm，用砂浆稠度仪测定。沉入量大的砂浆流动性好。砂浆稠度的选择：沉入量的大小与砌体基材，施工气候有关。可根据施工经验来拌制，并应符合砖石工程施工及验收规范（GB50203-98）规定，如表3-7所示。表3-7 砂浆稠度的选择砌体种类砂浆稠度/mm烧结普通砖7090轻骨料混凝土小型空心砌块6090烧结多孔砖,空心砖5070烧结普通砖平拱式过梁空斗墙,筒拱普通混凝土小型空心砌块加气混凝土砌块石砌体30502）保水性砂浆的保水性是指新拌砂浆保持内部水分不流出的能力。保水性好的砂浆在运输，存放和施工的过程中，水分不易从砂浆中离析，砂浆能保持一定的稠度，使砂浆在施工中能均匀的摊铺在砌体中间，形成均匀密实的连接层。保水性不好的砂浆，则相反。在拌制砂浆时，有时为了提高砂浆的流动性、保水性，常加入一定的掺合料和外加剂。加入的外加剂，不仅可以改善砂浆的流动性、保水性，而且有些外加剂能提高硬化后砂浆的粘结力和强度，改善砂浆的抗渗性和干缩等。砂浆的保水性是用分层度来表示，单位mm。保水性好的砂浆，分层度不应大于30mm，否则，砂浆易产生离析、分层，不便于施工。但分层度过小，接近于零时，砂浆易发生干缩裂缝，因此，砂浆的分层度一般控制在1030mm。（2）硬化后砂浆的强度及强度等级砂浆在砌体中，主要是传递荷载，因此要求砂浆要有一定的抗压强度。砂浆的抗压强度是确定砂浆强度等级的重要依据。砂浆抗压强度是以标准立方体试件(70.7mm70.7mm70.7mm)，一组3块，在标准养护条件下，测定其3天、7天的抗压强度而定的。根据砂浆的抗压强度，将砂浆分为M20、M15、M10、M7.5、M5.0、M2.5、M1.0等7个强度等级。本次试验配置的是M20强度等级的水泥砂浆。砂浆的强度除了与水泥的强度有关，还和基层材料的吸水性有关。（3）粘结力为了提高砌体的整体性，保证砂浆要和集体材料有足够的粘结力，随着砂浆抗压强度的提高，砂浆与基层的粘结力提高。在充分润湿，干净，粗糙的基面砂浆的粘结力较大。（4）凝结时间砂浆凝结时间，以贯入阻力达到0.5MPa为评定的依据。水泥砂浆不宜超过8h，水泥混合砂浆不宜超过10h，掺入外加剂应满足工程和施工的要求。（5）砂浆的耐久性修建水工建筑和道路建筑物的砂浆，经常与水接触并处于外部环境中，故应考虑砂浆的抗渗、抗侵蚀性、抗冻性、砂浆的耐久性的影响因素和混凝土的基本相同，只是强度等级为M2.5及M2.5以下的砂浆不抗冻。根据建筑砂浆技术条件及配合比设计规程（JGJ/T98-2000）规定，稠度，分层度和抗压强度这三项技术指标是砌筑砂浆的必检项目，三项都满足规程要求者，称为合格砂浆。根据以上要求将水泥砂浆的组成设计如表3-8所示。表3-8 材料用量表编号配合比(C:S:W)单方材料用量(g/m3)水泥砂水聚丙烯纤维01：3：0.545013502250.011：3：0.545013502250.321：3：0.545013502250.331：3：0.545013502250.341：3：0.545013502250.451：3：0.545013502250.461：3：0.545013502250.471：3：0.545013502250.581：3：0.545013502250.591：3：0.545013502250.53.2.3试件制备1)将试模擦净、模板四周与底座的接触面上应涂黄油、紧密装配、防止漏浆。内壁均匀刷一层机油。2)试验采用灰砂比为1：3，水灰比为0.50。3)每成型3条试件需称量：水泥450g，标准砂1350g，水225ml。4)胶砂搅拌，用ISO胶砂搅拌机进行，先把水加入锅内，再加入水泥，把锅放在固定器上，上升至固定位置然后立即开动机器，低速搅拌30s后，在第二个30s开始的同时均匀的将砂子加入（一般是先粗后细），在高速搅拌30s后，停拌90s，在第一个15s内用一胶皮刮具将叶片和锅壁上的胶砂刮入锅中间，在调整下继续搅拌60s。各个搅拌阶段，时间误差应在1s以内。5)试件用振实台成型时，将空试模和模套固定在振实台上，用勺子直接从搅拌锅内将胶砂分两层装模。装第一层时，每个槽内约放300g胶砂，并用大播料器播平，接着振动60次，再装入第二层胶砂，用小播料器播平，再振动60s。移走套模，从振实台上取下试模，用一金属近似垂直架在试模模顶的一端，沿试模长度方向以横向锯割动作慢慢向另一端移动， 一次将超过试模部分的胶砂刮去，并用同一直尺以近乎水平的情况下将试件表面抹平。3.2.4试件养护1)将成型好的试件连模放入养护室内养护，在温度为（201）C、相对湿度不低于90的条件下养护2024h之间脱模。2)将试件从养护室中取出，用墨笔编号，编号时应将每只模中三条试件编在两个龄期内，同时编上成型与测试日期，然后脱模，脱模时应防止损伤试件。硬化较慢的水泥允许24h后脱模，但必须记录脱模时间。3)试件脱模后立即水平或竖直放入水槽中养护，养护水温为（201）C，水平放置时刮平面应朝上，试件之间留有间隙，水面至少高出试件5mm。最初用自来水装满水池，并随时加水以保持恒定水位，不允许在养护期间全部换水。3.2.5试验设备1)行星式胶砂搅拌机由胶砂搅拌锅和搅拌叶片相应的机构组成，搅拌叶片为扇形。由高低两种速度，型号为NT-200，符合JC/T681要求。2)胶砂试件成型振实台由可以跳动的台盘和使其跳动的凸轮等组成，振实台型号为NT-2000，符合JC/T682的要求。3)试模由三个水平的模槽组成，可同时成型三条截面为40mm40mm160mm的矩形试体，其材质和制造尺寸符合JC/T726要求。4)压力试验机与抗压夹具压力机最大荷载以200-300kN为宜，并由按（2.40.5）kN/s速率加荷功能，抗压夹具由硬钢制成，加压板受压面积为40mm40mm，加压面必须磨平。4实验结果分析4.1聚丙烯纤维砂浆试验的强度聚丙烯纤维砂浆试验的强度数据见表4-1。表4-1水泥砂浆抗压实验结果编号纤维长度(mm)纤维体积掺量(%)3d抗压平均值(MPa)7d抗压平均值(MPa)00024.37527.238160.0524.06321.9382120.0521.35622.0813190.0520.68826.406460.1024.32522.7065120.1024.34322.7506190.1022.13821.794760.1523.93821.3138120.1525.00021.2009190.1527.00021.9564.2数据处理数据处理见表4-2，4-3，4-4。表4- 因素水平表因素水平A纤维体积产量(%)B长度(mm)10.05620.101230.1519表4-3 水泥砂浆抗压实验结果试验编号纤维体积掺量(%)纤维长度(mm)3d抗压强度值 (MPa)7d抗压强度值(MPa)00024.3827.241231 0.051 0.051 0.051 62 123 1924.0621.8820.6921.9422.0826.414562 0.102 0.102 0.101 62 123 1924.3324.3422.1423.2222.7521.797893 0.153 0.153 0.151 62 123 1923.9425.0027.0021.3121.2021.96表4-4 纤维材料的极差分析表3天抗压强度(MPa)7天抗压强度(MPa)A BA BK1K2K366.63 72.3370.81 71.2275.94 69.8370.43 64.4767.76 66.0364.47 70.16 k1k2k322.21 24.1123.60 23.7425.31 23.2823.48 22.1622.59 22.0121.49 23.39极差3.1 0.831.99 1.38较优值A3 B1A1 B3由上述数据可见：1）水泥砂浆的抗压强度随着聚丙烯纤维的加入抗压强度而减小。其中3d时，实验组中只有第九组的抗压强度值相对增大较多，但是增大幅度也不大，只有9.7%。7d时，实验组中没有一组抗压强度值超过对照组的抗压强度值。3d时，在掺入聚丙烯纤维长度相同的组内，如3、6、9组，可以看出当聚丙烯纤维的长度相同时，纤维的掺量增大时，水泥砂浆的抗压强度增大。当聚丙烯纤维的掺量不变，长度变大时，水泥砂浆的抗压强度变大。7d时，在掺入聚丙烯纤维长度相同的组内，如1、4、7组，可以看出当聚丙烯纤维的长度相同时，纤维的掺量增大时，水泥砂浆的抗压强度增大。当聚丙烯纤维的掺量不变，长度变大时，水泥砂浆的抗压强度随着增大。但是对比基准组，聚丙烯纤维砂浆的强度还是减小的。由于实验条件限制和试验中难免带来误差，数据也会相应有些出入。2）从上表可以看出，各个因素对抗压强度的影响次序为：A，B。即纤维的体积掺量、纤维长度。其中纤维的体积掺量影响最大。3）由于就一个指标，所以对3d抗压强度而言，较优组合为A3B1，即纤维体积掺量为0.15%，纤维长度为6mm。对7d抗压强度，较优组合为A1B3。即纤维体积掺量为0.05%，纤维长度为19mm。5结论与展望5.1结论本文对聚丙烯纤维砂浆抗压性能进行了一系列的试验研究，分析了纤维掺量、纤维长度对抗压强度的影响规律。得出了以下主要结论：1）在10组水泥砂浆中掺加聚丙烯纤维后，3天和7天抗压强度只有两组出现增大，增大幅度较大的也只有9.7%，增大幅度较小，其他几组均出现抗压强度降低的现象，从试验数据中，我们可以看到聚丙烯纤维越短，掺量越少的实验组的砂浆抗压强度降低幅度更大。2）从水泥砂浆正交试验的结果来看，对于水泥砂浆的抗压强度，影响因素包括:聚丙烯纤维的掺量和聚丙烯纤维的长度。各个因素对抗压强度的影响次序为：纤维的体积掺量、纤维长度。其中纤维的体积掺量影响最大。因为聚丙烯纤维为低弹模纤维，对水泥基材料的抗压强度没有明显的影响，所以聚丙烯纤维不能够作为一种结构性增强材料。5.2展望应该指出，本文对聚丙烯纤维砂浆抗压性能的研究和分析工作还不完善，尚有以下三点需要进一步研究。1）试验中没有对聚丙烯纤维的稠度做分析，根据已有实验，聚丙烯纤维的加入可减少水泥砂浆的稠度。同时随着纤维的掺量增大，纤维长度变大时，砂浆的稠度会降低更多。而且不同品种的聚丙烯纤维对结果的影响也不同。由于实验条件限制没有对其他品种的纤维进行抗压试验，实验中也没有考虑掺外加剂的实验结果。2）由于试验评价方法的原因，室内小试件不能充分展示聚丙烯纤维在实际工程的使用效果，造成了对聚丙烯纤维实际效果的低估。为了大力推广聚丙烯纤维在