楊子杰，鄧子銘，趙亞州，陳達(dá)

(河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

0 引 言

貝類在世界范圍內(nèi)產(chǎn)量豐富，而每年大量廢棄貝殼的處理會引起嚴(yán)重的環(huán)境問題[1]。有研究發(fā)現(xiàn)[2]，廢棄貝殼可替代天然骨料，具有良好的應(yīng)用前景，這也是解決天然骨料資源日益短缺的一種途徑。在沿海地區(qū)，淡化海砂作為建筑用砂的主要來源，其貝殼含量在5%～8%[3]。Yang 等[4]分析了在混凝土中使用貝殼作為骨料的可能性。研究表明，貝殼替代河砂比例的增加對水泥基材料的整體抗壓強(qiáng)度和干縮有顯著影響[5]；30%替代比的貝殼混凝土長期強(qiáng)度較普通混凝土下降約20%[6]。

纖維在混凝土和砂漿中被廣泛應(yīng)用，摻入纖維可提高砂漿或混凝土的機(jī)械強(qiáng)度，尤其是劈裂抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度[7]。此外，由于纖維的橋接作用，可降低砂漿或混凝土中裂縫的數(shù)量和寬度[8]。同時，纖維與基體的界面粘結(jié)有效降低了材料的干燥收縮[9]。貝殼砂漿中摻入纖維，能夠彌補(bǔ)性能下降的劣勢。有許多研究者在貝殼尺寸、處理方式上進(jìn)行了研究[10-11]。本試驗對摻入不同種類和用量纖維的貝殼砂漿進(jìn)行了試驗，對砂漿的新拌性能，抗壓、抗折強(qiáng)度，劈裂抗拉強(qiáng)度，干縮等性能進(jìn)行了研究，提出了最優(yōu)的纖維種類和用量，研究結(jié)果對纖維在貝殼砂漿和淡化海砂中的應(yīng)用具有參考作用。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：P·O42.5 水泥，主要化學(xué)成分見表1，物理力學(xué)性能見表2；砂：天然河砂，符合GB/T 14684—2001《建筑用砂》要求，堆積密度2.54 g/cm3，細(xì)度模數(shù)2.6，含水率0.87%；貝殼：來自東部沿海，粉碎后粒徑小于5 mm，堆積密度2.82 g/cm3，細(xì)度模數(shù)3.16，含水率0.89%；水：自來水；萘系高效減水劑：減水率20%，固含量95%；纖維：鋼纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維，基本參數(shù)見表3。

表1 水泥的主要化學(xué)成分 %

表2 水泥的物理力學(xué)性能

表3 纖維的基本參數(shù)

1.2 試驗設(shè)計和方法

本試驗中采用貝殼等質(zhì)量取代20%天然河砂，基準(zhǔn)組貝殼砂漿的配合比(kg/m3)為：m(水泥)∶m(河砂)∶m(貝殼)∶m(水)=450∶1080∶270∶202.5，減水劑摻量為水泥質(zhì)量的 0.2%。在此基礎(chǔ)上，分別摻加占總體積1%和2%的鋼纖維、玄武巖纖維和玻璃纖維。砂漿試件的制備根據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法(ISO 法)》進(jìn)行，混合料攪拌均勻后澆筑到模具中，分段振動壓實后在23 ℃下硬化，1 d 后脫模，在20 ℃、相對濕度95%條件下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

1.3 性能測試

坍落度參照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試；抗壓、抗折試驗參照BS EN 1015—11—1999《水化砂漿抗壓抗折測試方法》，養(yǎng)護(hù)7、28、90 d 后通過三點彎曲試驗和單軸抗壓試驗獲得抗壓和抗折強(qiáng)度；劈裂抗拉試驗參照J(rèn)TJ 270—1998《水運(yùn)工程混凝土試驗規(guī)程》，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28、90 d 后在萬能試驗機(jī)上測試；干縮測試參照ATSM C490—2017《砂漿和混凝土收縮確定方法》，在室溫和干燥條件下測試 1、4、7、14、28、56 d 時的干縮值。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 纖維對貝殼砂漿新拌性能的影響(見表4)

表4 纖維對貝殼砂漿坍落度的影響

由表4 可見，纖維的摻入減小了貝殼砂漿的坍落度，當(dāng)纖維摻量為2%時，鋼纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維貝殼砂漿的坍落度較基準(zhǔn)組分別減少9.0%、11.5%、19.0%，玻璃纖維貝殼砂漿的流動性下降最明顯。這是因為，纖維作為拌合物，需要水泥砂漿的包裹，從而導(dǎo)致包裹砂石的水泥砂漿相對減少，流動性也因此降低；而纖維摻量的增加使包裹體積也增大，導(dǎo)致流動性變差。同時，玻璃纖維具有較強(qiáng)的吸附能力，限制了砂漿中水的流動，導(dǎo)致坍落度下降顯著。

2.2 纖維對貝殼砂漿強(qiáng)度的影響(見表5)

表5 纖維對貝殼砂漿強(qiáng)度的影響

2.2.1 纖維對貝殼砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

由表5 可見：

(1)在貝殼砂漿中摻入2%的鋼纖維、玄武巖纖維和玻璃纖維，其7 d 抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組分別提高20.6%、9.3%、3.9%，28 d 抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組分別提高10.1%、5.3%、0.7%，而90 d抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組分別提高10.1%、5.3%、0.9%?？梢钥闯觯摾w維對抗壓強(qiáng)度的提升效果最好，玻璃纖維和玄武巖纖維對抗壓強(qiáng)度的影響較小。鋼纖維本身強(qiáng)度較高，纖維在砂漿中經(jīng)過均勻攪拌，形成了纖維網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)承受壓力時，強(qiáng)度較高的纖維能夠直接承擔(dān)更大的壓力，同時，在水化過程中，不同方向的纖維阻礙了裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)張，并且減輕了裂紋尖端的應(yīng)力集中程度，因此改善了砂漿的變形性能和抗壓強(qiáng)度。

(2)隨著纖維摻量從1%增加到2%，鋼纖維貝殼砂漿的抗壓強(qiáng)度提高，而玄武巖纖維貝殼砂漿的抗壓強(qiáng)度則提升不大，玻璃纖維貝殼砂漿的抗壓強(qiáng)度有所降低。鋼纖維對抗壓強(qiáng)度的改善效果最好，這是由于更多的鋼纖維在砂漿中分布，從而使砂漿更為密實；而玻璃纖維和玄武巖纖維在攪拌時易發(fā)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象[12]，導(dǎo)致在砂漿中分布不均，不能形成有效的纖維網(wǎng)絡(luò)，從而降低了抗壓強(qiáng)度。

2.2.2 纖維對貝殼砂漿抗折強(qiáng)度的影響

由表5 可見，摻入纖維后貝殼砂漿的抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)組提高。纖維摻量為2%時，鋼纖維貝殼砂漿各齡期抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)組提高了27.2%～44.5%，玄武巖纖維貝殼砂漿各齡期抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)組提高了18.1%～29.9%，而玻璃纖維貝殼砂漿各齡期抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)組提高了8.6%～11.6%。90 d 齡期時，摻2%鋼纖維貝殼砂漿的抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)組提高了34.6%。鋼纖維對抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)效果最好，其次為玄武巖纖維，這是由纖維本身的強(qiáng)度決定的，纖維在砂漿中能夠傳遞應(yīng)力并且承受拉力，從而抑制裂紋的擴(kuò)展和延伸。在貝殼砂漿中，裂紋容易沿著貝殼斷面延伸，經(jīng)過攪拌的纖維能夠均勻分布在砂漿中，而和開裂面垂直的纖維能有效阻止裂紋的發(fā)展，因此纖維本身強(qiáng)度的影響也更為明顯，而玻璃纖維由于強(qiáng)度較低，并且不能很好地均勻分布，因此砂漿容易在沒有纖維分布的地方折斷開裂。纖維摻量的增加提高了砂漿的長期抗折強(qiáng)度，90 d齡期時，摻2%鋼纖維和玄武巖纖維的貝殼砂漿抗折強(qiáng)度較摻1%纖維的分別提高了6.2%和3.9%，而玻璃纖維摻量的增加對抗折強(qiáng)度提升效果微弱，這是由于玻璃纖維本身較低的強(qiáng)度和摻量提高后，纖維團(tuán)聚導(dǎo)致其在砂漿中分布不均，因此強(qiáng)度沒有變化。

2.2.3 纖維對貝殼砂漿劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

由表5 可見：

(1)纖維可明顯提高貝殼砂漿的劈裂抗拉強(qiáng)度。當(dāng)摻量為2%時，鋼纖維、玄武巖纖維和玻璃纖維貝殼砂漿的28 d 抗拉強(qiáng)度較基準(zhǔn)組分別提高了30.9%、19.9%和7.9%，90 d 抗拉強(qiáng)度較基準(zhǔn)組分別提高了37.1%、25.4%、8.8%，這主要是因為纖維在貝殼砂漿中起到了阻礙裂紋發(fā)展的作用，同時纖維本身較高的拉伸強(qiáng)度也影響砂漿的抗拉強(qiáng)度，鋼纖維的力學(xué)強(qiáng)度高于玄武巖纖維和玻璃纖維，因此，鋼纖維在貝殼砂漿中能夠發(fā)揮更大的作用，改善其抗拉性能。

(2)當(dāng)纖維摻量分別為0、1%、2%時，摻量每增大1%，鋼纖維貝殼砂漿的90 d 劈裂抗折強(qiáng)度分別提高了22.6%、11.8%，玄武巖纖維貝殼砂漿的90 d 劈裂抗折強(qiáng)度分別提高了12.7%、11.2%，而玻璃纖維纖維貝殼砂漿的90 d 劈裂抗折強(qiáng)度僅分別提高了5.2%、3.5%。當(dāng)纖維方向與拉伸方向相同時，纖維能夠承擔(dān)拉力，阻礙裂紋發(fā)展，因此，含量較高的玻璃纖維在攪拌中由于團(tuán)聚和容易彎曲，對拉伸強(qiáng)度的提高效果也相對較低。

2.3 纖維對貝殼砂漿干縮性能的影響(見圖1)

圖1 纖維對貝殼砂漿干縮性能的影響

失水收縮導(dǎo)致的變形和開裂是水泥材料中普遍存在的問題，砂漿中缺乏粒徑較大的石子，因此干縮更為明顯，摻入纖維能夠有效改善砂漿的收縮開裂現(xiàn)象。由圖1 可以看出，貝殼砂漿的干縮隨養(yǎng)護(hù)時間的延長而增大。3 種纖維都對貝殼砂漿的干縮性有所改善，2%的玻璃纖維對砂漿的干縮性改善最好，鋼纖維次之；纖維摻量的增加有助于減小干縮。相比于基準(zhǔn)組，玻璃纖維貝殼砂漿最終的干縮率從0.12%降低到了0.04%，隨著纖維摻量的增加，砂漿干縮的降低更為明顯。砂漿內(nèi)水分向環(huán)境中遷移和水泥水化從而引起失水收縮，纖維的加入使得裂縫減少，結(jié)構(gòu)更密實，阻礙了水分流失，因此減小了干縮。結(jié)果表明，2%的鋼纖維和玻璃纖維能夠顯著改善貝殼砂漿的干縮性能。

3 結(jié) 論

(1)在貝殼砂漿中加入3 種纖維均能夠有效地提高砂漿的力學(xué)性能。鋼纖維和玄武巖纖維對抗壓和抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)效果較好，而玻璃纖維稍差。摻2%鋼纖維時，貝殼砂漿的90 d 抗壓、抗折、劈裂抗拉強(qiáng)度較基準(zhǔn)組分別提高了10.1%、34.6%、37.1%，表現(xiàn)出最好的增強(qiáng)效果。

(2)3 種纖維的摻入均降低了貝殼砂漿的流動性，玻璃纖維貝殼砂漿的坍落度較低。而在干縮性能上，纖維的加入改善了貝殼砂漿的收縮性，玻璃纖維貝殼砂漿結(jié)構(gòu)密實，抑制收縮能力最好，鋼纖維的改善效果也優(yōu)于玄武巖纖維。

(3)從纖維摻量來看，在2%摻量以內(nèi)，較高纖維摻量的貝殼砂漿表現(xiàn)出了更好的性能，鋼纖維容易分散，摻量增加對性能有明顯的改善。而由于團(tuán)聚作用，玻璃纖維摻量的增加對于貝殼砂漿的增強(qiáng)效果較弱，因此在使用玻璃纖維時，建議采取有效的方法對玻璃纖維進(jìn)行分散。