馬國金，鄭小秋，郭平，郭秀艷

(井岡山大學(xué) a.建筑工程學(xué)院；b.機(jī)電工程學(xué)院，江西 吉安 343009)

高性能混凝土因具有低滲透性、高耐久性和高工作性，被認(rèn)為是大型橋梁工程、高層建筑和海港建筑等的理想建筑材料[1]。但低水膠比和各種礦物摻合料的加入導(dǎo)致了早期收縮開裂[2]，纖維的加入使這種缺陷有了很大的改善[3-4]，而多孔吸水纖維的出現(xiàn)更是促使了內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)及其理論的誕生[5]。近年來，學(xué)者們對(duì)混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)做了大量的研究?？紫槊鞯萚6]研究高吸水性樹脂對(duì)高強(qiáng)混凝土漿體孔結(jié)構(gòu)的影響，提出有效水灰比的概念，并發(fā)現(xiàn)摻加預(yù)吸水樹脂的硬化水泥漿的毛細(xì)孔徑明顯小于自由拌合水的硬化水泥漿，同樣，這種超吸水樹脂也能有效減少混凝土內(nèi)部濕度的下降和自收縮行為[7]。Jongvisuttisun等[8]研究表明，在水化進(jìn)行25 h內(nèi)，天然纖維桉木漿從自身結(jié)構(gòu)中釋放出自由水，25 h后，小細(xì)胞壁孔隙中的自由水和細(xì)胞壁中的結(jié)合水減緩由水泥水化導(dǎo)致的內(nèi)部自干燥。由此可見，分散在混凝土內(nèi)部的天然吸水纖維不僅可以起到通用纖維的搭橋作用，更多的是提高混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)功能[9-11]。以上研究所用纖維大多為天然的一次纖維，很少有研究再生植物纖維(二次纖維)，尤其是廢紙二次纖維在混凝土中的應(yīng)用。

筆者主要探索再生纖維素纖維對(duì)砂漿性能的影響，所用再生纖維來源于實(shí)驗(yàn)室自制的廢紙纖維，其主要成分為纖維素，具備天然植物纖維的吸水及無定型的典型結(jié)構(gòu)，理論上可替代天然植物纖維用于混凝土中。為更好地理解再生纖維對(duì)砂漿性能的影響，對(duì)比來源于木漿的UF500纖維素纖維和無吸水的聚丙烯短纖維，從抗裂和自收縮兩個(gè)方面探討再生纖維素纖維對(duì)水泥砂漿早期性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥(上海寶山南方水泥有限公司)；砂：中粗黃沙,細(xì)度模數(shù)2.6；水：自來水；減水劑：SD-600P-01聚羧酸高效減水劑(上海三瑞化學(xué)有限公司)，控制各試驗(yàn)組流動(dòng)度在140 mm±6 mm；UF500纖維素纖維和聚丙烯短纖維(上海翔湖實(shí)業(yè)有限公司)。

再生纖維素纖維[12]:實(shí)驗(yàn)室自制，取中國廢舊新聞紙為原料，要求廢紙不含膠，雜質(zhì)不超過1%，無用物不超過0.25%。將廢紙撕成碎片，浸泡在水中12 h后加入PL2-00高濃水力碎漿機(jī)中疏解，其中，漿濃12%，碎漿機(jī)轉(zhuǎn)速300 r/min，碎漿時(shí)間30 min。將疏解后的紙漿纖維于80目網(wǎng)篩過濾，去除微小組分，真空抽濾后，置于60 ℃電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥24 h至恒重。用2%的NaOH溶液潤脹處理絕干漿2 h后，用乙酸緩慢中和至pH值為中性，烘干后配成2%左右的濃漿60 mL，使用纖維分散器打散成懸浮液，并將其置于JY92-IIDN型超聲波發(fā)生器中10 min，進(jìn)行活化處理，改性后的樣品經(jīng)真空過濾并干燥，得到再生纖維素纖維材料，如圖1所示。

圖1 再生纖維素纖維SEM形貌Fig.1 SEM micrograph of RCFs from waste newsprint fibers

1.2 實(shí)驗(yàn)方案及測試方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)方案 取再生纖維素纖維(RCFs)、UF500纖維素纖維(UF500)、聚丙烯短纖維(PP)3種纖維，按水泥質(zhì)量的1%或2%稱取，控制水灰比0.3、0.35和0.4，灰砂比1∶1，將量好的纖維以濕混的方式與水泥、砂混合成型，即首先將纖維浸泡在定額的水中至少30 min，用攪拌器攪拌直至其充分分散后再與水泥、砂攪拌成型。具體方案如表1所示。

1.2.2 測試方法 強(qiáng)度：參考《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO)》(GB/T 17671—1999)，成型水泥砂漿樣品，養(yǎng)護(hù)1 d后，用高密度聚丙烯薄膜和環(huán)氧樹脂密封，放置于溫度為20±2 ℃、相對(duì)濕度60%的干燥室內(nèi)密封養(yǎng)護(hù)。使用強(qiáng)度測試機(jī)對(duì)密封養(yǎng)護(hù)后的樣品進(jìn)行強(qiáng)度檢測，并計(jì)算其折壓比(σc/σF)，分析再生纖維素纖維對(duì)砂漿抗裂性能的影響。

自收縮：參考《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009)，成型水泥砂漿樣品，同樣密封養(yǎng)護(hù)，測量不同養(yǎng)護(hù)齡期下樣品的長度，并根據(jù)參考文獻(xiàn)[13]計(jì)算砂漿的線收縮應(yīng)變，分析再生纖維素纖維對(duì)砂漿減縮效應(yīng)的影響。

表1 水泥砂漿配合比Table 1 Mix proportion of mortar

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 砂漿強(qiáng)度

水泥砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度如圖2所示。養(yǎng)護(hù)齡期相同時(shí)，無論何種配比、添加何種纖維，均降低了砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，且纖維摻量越多，下降幅度越大。其中，水灰比為0.35，纖維摻量為2%的B2樣品，養(yǎng)護(hù)28 d的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別下降了23.7%和15.0%；同種配比情況下，養(yǎng)護(hù)至28 d，各樣品抗折強(qiáng)度大幅度提高，養(yǎng)護(hù)28 d后，則有不同程度的下降。水灰比均為0.35，摻量均為水泥質(zhì)量1%的3種纖維，其中，聚丙烯纖維明顯降低了砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，養(yǎng)護(hù)28 d，其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別下降了38.8%和48.9%，而RCFs和UF500纖維對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響類似，下降幅度偏緩。纖維本身強(qiáng)度較低，這是造成砂漿強(qiáng)度下降的根本原因，但RCFs和UF500纖維具有吸水特性，在無外部水養(yǎng)護(hù)的密封環(huán)境下，能夠增強(qiáng)水泥砂漿的內(nèi)部養(yǎng)護(hù)作用，使砂漿強(qiáng)度的下降幅度降低。

2.2 砂漿的收縮率

不同水灰比、不同纖維種類及摻量下水泥砂漿的收縮率如圖3所示。其中，圖3(a)～圖3(c)為RCFs對(duì)砂漿收縮率的影響，圖3(d)為同條件下3種纖維對(duì)砂漿收縮率的影響。

圖2 密封環(huán)境下不同水灰比砂漿的抗折強(qiáng)度 和抗壓強(qiáng)度Fig.2 Flexural strength and compressive strength of mortar at a different water cement ratio for sealed curing

圖3 不同水灰比、不同纖維種類及摻量下砂漿的收縮率Fig.3 Shrinkage of mortar with different fiber content and types at different water cement ratios

由圖3可知，水灰比0.3、摻加RCFs的砂漿樣品收縮率略高于標(biāo)樣，這主要是由于成型前，RCFs浸泡吸收了部分水分，使成型時(shí)的實(shí)際水灰比下降，過小的水灰比極易造成砂漿和易性變差，而且，實(shí)際水灰比越低，自收縮程度也越大。隨著水灰比的增大，添加RCFs可降低砂漿的自收縮應(yīng)變，且摻量為1%時(shí)，砂漿的線收縮應(yīng)變最小。水灰比為0.35、纖維摻量均為1%時(shí)，摻加植物纖維的砂漿收縮率類似，而摻加PP的砂漿收縮率最低。但從圖2中可知，摻加PP嚴(yán)重降低了砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，很容易造成晚期因強(qiáng)度不足而導(dǎo)致微裂縫的擴(kuò)展。因此，考慮到強(qiáng)度方面因素，植物纖維具有一定優(yōu)勢。

2.3 砂漿抗裂性能

材料的收縮裂紋與強(qiáng)度密切相關(guān)，折壓比是衡量水泥基材料抗裂性能的重要指標(biāo)之一[14]，折壓比(σF/σc)越高，水泥基材料的柔性越好，抗裂性能越佳[15]，張偉等[16]的研究也同樣證明了纖維增強(qiáng)水泥基材料的初始彎曲韌性比隨折壓比的增加而提高，兩者之間具有很好的線性相關(guān)性。不同水灰比、不同纖維種類及摻量下水泥砂漿的折壓比如圖4所示。其中，圖4(a)～圖4(c)為不同水灰比下RCFs對(duì)砂漿折壓比的影響，圖4(d)為水灰比0.35時(shí)3種纖維對(duì)砂漿折壓比的影響。

水灰比為0.3時(shí)，無論摻加何種摻量的RCFs，均沒有提高砂漿的σF/σc，這主要是由于浸泡RCFs時(shí)吸收了部分水分，導(dǎo)致有效水灰比下降，在過低的水分配比下，纖維在砂漿內(nèi)不能得到很好的分散，砂漿的和易性也變差。因此可以認(rèn)為，此條件下不適合配置含有吸水纖維的砂漿漿體。水灰比0.4(圖4(c))摻加任何摻量的RCFs均提高了砂漿的σF/σc，說明在此條件下，雖然浸泡RCFs時(shí)吸收了部分水分，但余存下來的水分仍可滿足砂漿的配置，纖維能夠在砂漿內(nèi)均勻分布，且處于飽水狀態(tài)。圖4(b)的變化趨勢介于上述兩種情形之間，摻加1%的RCFs可以提高砂漿的σF/σc，但摻量達(dá)到水泥質(zhì)量的2%時(shí)，砂漿σF/σc下降?？梢姡瑹o論何種情況下，并不是纖維摻量越多越好。密封養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，水灰比>0.35時(shí)，摻加1%RCFs，飽水的纖維能夠均勻分散在砂漿基體內(nèi)部，隨著水化進(jìn)行到一定程度，纖維釋放自身所含水分，補(bǔ)償砂漿內(nèi)部的自干燥，從而改善砂漿的抗裂性能。但纖維摻量過多會(huì)導(dǎo)致砂漿有效水灰比的降低，不利于纖維的分散和砂漿的成型。水灰比0.35時(shí)，摻加同摻量的3種纖維，聚丙烯短纖維表現(xiàn)最佳，但從砂漿強(qiáng)度方面考慮，也很不利。因UF500纖維是一次纖維，本身的性能好于二次纖維，故在改善砂漿抗裂性能方面優(yōu)于RCFs。

圖4 不同水灰比、不同纖維種類及摻量下砂漿 的折壓比Fig.4 TheF/C of mortar with different fiber content and types at different water cement ratios

2.4 砂漿的減縮效應(yīng)

通過以上分析，水灰比>0.35，濕混添加RCFs能夠增強(qiáng)水泥砂漿的減縮效應(yīng)，假設(shè)以未摻加RCFs的水泥砂漿為基準(zhǔn)，其線收縮應(yīng)變?yōu)?，摻加RCFs后，其收縮應(yīng)變?yōu)閒。擬定η(%)為RCFs增強(qiáng)水泥基材料的減縮效應(yīng)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

只有當(dāng)η>0時(shí)，RCFs才能夠起到減縮效應(yīng),如圖5所示。

從圖5可知，水灰比0.3，摻加任何摻量的RCFs都沒有對(duì)砂漿起到減縮效果，水灰比大于0.35時(shí)，養(yǎng)護(hù)1 d，砂漿減縮效應(yīng)下降明顯，且纖維摻量越大，下降幅度也越大。纖維摻量為2%時(shí)，水灰比0.35，養(yǎng)護(hù)1 d的水泥砂漿減縮效應(yīng)下降超過30%，而在0.4水灰比下，下降幅度近60%。養(yǎng)護(hù)7 d，RCFs對(duì)砂漿的減縮效應(yīng)隨著水灰比的增加有所加大，且纖維摻量為水泥質(zhì)量的1%時(shí)，減縮效果較好。水灰比0.4，養(yǎng)護(hù)28 d，摻加1%的RCFs可使砂漿的減縮能力提高16%。

圖5 不同水灰比下RCFs增強(qiáng)砂漿的減縮效應(yīng)Fig.5 Shrinkage efficiency of mortar with RCFs at different water cement ratios

試驗(yàn)所用RCFs本身具有較好的吸水性，在低水灰比下，濕法摻加RCFs進(jìn)一步降低了體系的有效水灰比，從而增大了砂漿的線收縮應(yīng)變。而且，纖維易團(tuán)聚，介質(zhì)水分不足導(dǎo)致其無法均勻地分布于基體內(nèi)部，從而導(dǎo)致其沒有起到正面效應(yīng)。但隨著額定水灰比的增大，RCFs的分散能力增強(qiáng)，可以起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用。RCFs具有吸水和釋水的能力，同時(shí)，在體系內(nèi)部起到搭橋的作用，見圖6，在密封養(yǎng)護(hù)后期，纖維釋放自身內(nèi)部所含水分，對(duì)砂漿實(shí)施內(nèi)養(yǎng)護(hù)，促進(jìn)水泥水化進(jìn)程，使基體組織更致密，纖維與基體接觸面積增大，界面粘結(jié)強(qiáng)度較好，從而提高了砂漿的抗裂性能和抗收縮性能。

圖6 水灰比0.4，養(yǎng)護(hù)28 d的砂漿SEM形貌Fig.6 SEM micrograph of mortar with a water cement ratio of 0.4 for curing 28 d

3 結(jié)論

1)水灰比是影響砂漿配置的關(guān)鍵因素之一，當(dāng)?shù)陀?.3時(shí)，RCFs不能很好地分散于砂漿基體內(nèi)，更不能改善砂漿的抗裂和抗收縮性能，反而降低了砂漿的強(qiáng)度。

2)水灰比大于0.35、RCFs摻量為水泥質(zhì)量的1%時(shí)，能夠很好地增強(qiáng)砂漿的抗裂和減縮性能。但隨著纖維摻量的增加，勢必會(huì)造成有效水灰比的下降，從而起到反作用。

3)RCFs在砂漿體系中表現(xiàn)出的性能雖略次于UF500纖維素纖維，但總體趨勢相似，可以考慮替代使用。