吳皖蘭 楊鵬 馮國(guó)琴 余方婷

江蘇大學(xué)京江學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江 212100

引言

每生產(chǎn)一噸水泥，就要排放近一噸二氧化碳，在節(jié)能減排的號(hào)召下，要想減少碳排放量，可以通過(guò)使用更高性能的水泥復(fù)合基材料延長(zhǎng)建筑壽命，從而減少水泥的用量。

在砂漿中摻入一定量的鋼纖維，鋼纖維在砂漿內(nèi)部錯(cuò)亂分布從而形成“空間纖維網(wǎng)”，由于其具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，不易在砂漿中產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，且能夠大大提高砂漿的力學(xué)性能，在建筑材料中得到廣泛的應(yīng)用[1]。在實(shí)際工程中，為了滿足結(jié)構(gòu)承載要求，常?？刻岣咪摾w維的摻量來(lái)提升砂漿的性能，但是鋼纖維的摻量越大，“空間纖維網(wǎng)”結(jié)成團(tuán)的概率也越大，無(wú)形之中也提高了生產(chǎn)成本，且不同種類的鋼纖維對(duì)其影響也不盡相同。

因此，研究鋼纖維的種類和摻量對(duì)砂漿力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)效益的影響，具有較強(qiáng)的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料選材

1.1.1 水泥采用楊春水泥有限公司生產(chǎn)的P.O 52.5硅酸鹽水泥；

1.1.2 細(xì)骨料采用湖砂中砂；

1.1.3 試驗(yàn)用水為實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水；

1.1.4 鋼纖維采用鍍銅鋼纖維和鍍銅微絲鋼纖維。

1.2 配合比

為了研究鋼纖維摻量對(duì)砂漿力學(xué)性能的影響，我們配制不含鋼纖維的砂漿作為參照組。摻鋼纖維砂漿配合比見(jiàn)表1。

表1 摻鋼纖維砂漿配合比

1.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》（GB/T 17671-1999），抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)均采用40mm×40mm×160mm試件，每組三塊，在同條件下成型。制作前先對(duì)砂進(jìn)行篩選并測(cè)定其含水率；用水泥膠砂攪拌機(jī)先攪拌除鋼纖維外其他材料，再逐步加入鋼纖維，避免鋼纖維結(jié)團(tuán)影響結(jié)果，同時(shí)用水潤(rùn)濕模具并涂油；用振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)，直到模具表面出漿，抹平后送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱（20℃±0.5℃，RH=95%±5%）養(yǎng)護(hù)24小時(shí)，拆模后放入溫度為20℃±2℃的水槽中養(yǎng)護(hù)至齡期（養(yǎng)護(hù)用水高出試塊頂部5mm左右，同一水槽養(yǎng)護(hù)同類型試塊）。鍍銅鋼纖維和鍍銅微絲鋼纖維的摻量均是0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%，以鋼纖維摻量0%作為基準(zhǔn)試塊，每種摻量的試塊均做3個(gè)齡期（3d、7d、28d），每組3個(gè)試塊。

比較相同摻量下鍍銅鋼纖維和鍍銅微絲鋼纖維對(duì)砂漿力學(xué)性能提升效果的影響，確定相對(duì)較好的鋼纖維種類。再細(xì)化鋼纖維摻量，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益，分析出經(jīng)濟(jì)且力學(xué)性能優(yōu)越的新型砂漿配合比方案。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)方法。根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》（GB/T 17671-1999），采用40mm×40mm×160mm試塊進(jìn)行抗折強(qiáng)度測(cè)試，每組配比做三塊。將試件長(zhǎng)軸垂直于支撐圓柱放置在YEW-300B微機(jī)控制水泥壓力試驗(yàn)機(jī)上加載。加載速度為（50±10）N/s，直至折斷；

計(jì)算結(jié)果由計(jì)算機(jī)導(dǎo)出，精確至0.1MPa。以三塊試件測(cè)值的算術(shù)平均值作為該組試件的抗折強(qiáng)度值。當(dāng)三塊強(qiáng)度值中有超出平均值±10%時(shí)，剔除后再取平均值作為抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

1.4.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法。根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》（GB/T 17671-1999），采用抗折強(qiáng)度試驗(yàn)折斷的試件做抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。將半截試件中心與壓力機(jī)壓板受壓中心差控制在±0.5mm內(nèi)，試件露在壓板外的部分約有10mm。加載速度為（2400±200）N/s，直至破壞。

計(jì)算結(jié)果由計(jì)算機(jī)導(dǎo)出，精確至0.1MPa。以六塊試件測(cè)值的算術(shù)平均值作為該組試件的抗壓強(qiáng)度值。當(dāng)六塊強(qiáng)度值中有超出平均值±10%時(shí)，剔除后再取平均值作為抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果分析

2.1 抗折強(qiáng)度分析

2.1.1 同摻量下不同種類鋼纖維砂漿抗折強(qiáng)度。

由圖1、圖2可知，在砂漿中加入鍍銅鋼纖維和鍍銅微絲鋼纖維對(duì)抗折強(qiáng)度均有提升，但當(dāng)達(dá)到一定摻量后，鋼纖維對(duì)強(qiáng)度提升效果不大。其中鍍銅鋼纖維在1.5%～2.5%摻量下提升效果顯著，鍍銅微絲鋼纖維在0.5%～1.5%摻量下提升效果顯著，考慮到價(jià)格因素，后續(xù)試驗(yàn)基于此范圍摻量下的鍍銅微絲鋼纖維進(jìn)行。

圖1 鍍銅鋼纖維砂漿抗折強(qiáng)度

圖2 鍍銅微絲鋼纖維砂漿抗折強(qiáng)度

2.1.2 鍍銅微絲鋼纖維砂漿不同摻量下抗折強(qiáng)度。

由圖3可知，鍍銅微絲鋼纖維砂漿從無(wú)摻量增加至1.1%時(shí)，抗折強(qiáng)度不斷提高，在1.1%時(shí)抗折強(qiáng)度最大，其值為11.54MPa，較素砂漿提升11.01%。再繼續(xù)增加鋼纖維摻量，從1.1%增加至1.5%時(shí)，抗折強(qiáng)度提升效果逐步下降，在摻量為1.5%時(shí)抗折強(qiáng)度僅提升8.64%。不難看出，適當(dāng)摻量的鋼纖維可以使砂漿韌性增強(qiáng)，因?yàn)殇摾w維與砂漿間的黏結(jié)力阻止了裂縫的發(fā)展，砂漿由脆性破壞變?yōu)樗苄云茐?，從而提高了砂漿抗折強(qiáng)度[2]?？紤]到經(jīng)濟(jì)效益，試驗(yàn)繼續(xù)增加鋼纖維摻量已無(wú)意義。

圖3 鍍銅微絲鋼纖維砂漿抗折強(qiáng)度

2.2 抗壓強(qiáng)度分析

由圖4可知，添加鍍銅微絲鋼纖維使混凝土的抗壓強(qiáng)度均有提升，當(dāng)從無(wú)摻量增加至1.0%時(shí)，抗壓強(qiáng)度不斷提高，在1.0%時(shí)抗壓強(qiáng)度最大，其值為43.04MPa。再繼續(xù)增加鋼纖維摻量，從1.0%增加至1.5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度提升效果逐步下降，在摻量為1.5%時(shí)抗壓強(qiáng)度值僅為39.24MPa。不難看出，當(dāng)摻量過(guò)高時(shí)表現(xiàn)為：其一，鋼纖維容易結(jié)團(tuán)；其二，鋼纖維水泥膠凝物生成量難以完全包裹細(xì)骨料和鋼纖維，鋼纖維和水泥基體界面間的孔隙率增加，鋼纖維與水泥基體的界面黏結(jié)力降低，因此，鋼纖維增強(qiáng)砂漿的力學(xué)性能會(huì)降低[2]。

圖4 鍍銅微絲鋼纖維砂漿抗壓強(qiáng)度

2.3 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益分析

2.3.1 經(jīng)濟(jì)效益分析。對(duì)比市場(chǎng)上的鋼纖維價(jià)格，鍍銅微絲鋼纖維價(jià)格為4900元/噸，鍍銅鋼纖維價(jià)格略高，為6400元/噸。顯然鍍銅微絲鋼纖維的市場(chǎng)價(jià)格較低，且購(gòu)買方便，在實(shí)際工程應(yīng)用中性價(jià)比較鍍銅鋼纖維高。在應(yīng)用時(shí)，鋼纖維摻量建議選擇0.8%～1.1%之間，砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度提升效果均有顯著變化，在1%左右出現(xiàn)峰值。當(dāng)摻量超過(guò)1.1%時(shí)，砂漿的成本增加，強(qiáng)度提升效果也開(kāi)始下降。

2.3.2 社會(huì)效益分析。若按1%鍍銅微絲鋼纖維摻量添加，每噸成本增加不到50元，可以使砂漿抗折強(qiáng)度提高約10%、抗壓強(qiáng)度提高約11%，而在實(shí)際中，鋼纖維砂漿主要應(yīng)用于路面工程，其主要力學(xué)指標(biāo)為抗折強(qiáng)度，這樣不僅減少了路面的維修次數(shù)和維修費(fèi)用，且使車輛行駛舒適，高質(zhì)量、高強(qiáng)度的路面給交通運(yùn)輸帶來(lái)的巨大效益也是遠(yuǎn)大于摻鋼纖維的成本的[3]。因此鋼纖維砂漿具有可觀的社會(huì)效益。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在砂漿中加入不同的鋼纖維，對(duì)比抗壓強(qiáng)度對(duì)于素砂漿的提升率，發(fā)現(xiàn)鍍銅微絲鋼纖維砂漿在摻量1%時(shí)的抗壓強(qiáng)度提高最多達(dá)到11.4%。

鍍銅鋼纖維砂漿在摻量0%～2%區(qū)間內(nèi)抗折強(qiáng)度不斷提高，超過(guò)2%后抗折強(qiáng)度開(kāi)始下降；鍍銅微絲鋼纖維砂漿在摻量0%～1.1%區(qū)間內(nèi)抗折強(qiáng)度不斷提高，超過(guò)1.1%后抗折強(qiáng)度開(kāi)始下降，在摻量0%～1%區(qū)間內(nèi)抗壓強(qiáng)度不斷提高，超過(guò)1%后抗壓強(qiáng)度開(kāi)始下降。

隨著鋼纖維摻量的不斷增加，鋼纖維容易結(jié)團(tuán)，且與水泥基體的界面黏結(jié)力降低，不僅影響其力學(xué)性能，也在一定程度上造成鋼纖維浪費(fèi)[4]。

考慮鋼纖維砂漿在實(shí)際應(yīng)用中的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于鋼纖維摻量可選擇0.8%～1.1%，選擇鋼纖維類型為鍍銅微絲鋼纖維更佳。