木質素纖維增強幹混砂漿的製備與性能表徵

木質素纖維增強幹混砂漿的製備與性能表徵

2017-04-25 文/李亞輝，錢元弟，雷團結，陳賀

中國砼易購訊（4008981058）

（馬鞍山十七冶工程科技有限責任公司，馬鞍山243000）

摘要：在普通干混砂漿中摻加木質素纖維，獲得ECC型干混砂漿，研究其物理力學性能、熱學性能以及收縮性能等。結果表明：加入占膠凝材料質量0.3%的木質素纖維，能顯著改善干混砂漿硬化后的力學性能，尤其是抗折強度；隨著木質素纖維摻入量的增加，硬化砂漿試樣的導熱係數逐漸降低。

關鍵詞：木質素纖維；干混砂漿；物理力學性能

中圖分類號：TU 文獻標誌碼：A文章編號：*******

Preparation and Characterization of ECC type Dry Mixed Mortar enhanced by lignin fiber

LI Yahui1,QIANYuandi,LEItuanjie, CHEN he

（Ma』anshanMCC17Engineering Science & TechnologyCo.,Ltd.,Ma』anshan243000）

Abstract:The high-performance drymixedmortar(DMM) specimens areobtainedafter mixing the lignin fibers(LF)intoordinaryDMM. The properties of the resulting DMM specimens are characterized systematically, which includethe physical and mechanical properties, thermal properties and shrinkage properties. It is found thatthe mechanical propertiesof the hardened DMM specimens are significant improved by adding LF at the amount of0.3%of themass oftheircementitiousmaterial,especiallythe improvementoftheirflexural properties.With the increase of incorporation ofLF, the thermal conductivity of the hardened mortar specimens decrease.

Keywords:ligninfiber; dry mixed mortar;physical and mechanical properties

0引言

目前國家正在大力推進住宅產業化進程，住宅產業化可以大幅度提高建築體的建設速度和施工質量，我國主要借鑒歐洲的PC技術和日本的SI技術[1]。住宅產業化要求建築施工所需的各種構件都要在專門的工廠預先加工好，然後運輸到施工現場進行組裝，因此構件之間的連接就成了住宅產業化建築建設的關鍵技術之一，其中各種形式的連接砂漿則是PC構件組裝的主要連接材料。PC構件是在工廠按照標準尺寸加工，質量能夠得到有效控制，因此住宅產業化建築的連接部分就成了控制其質量好壞的瓶頸環節[2]。

眾所周知，砂漿同普通混凝土一樣，屬於脆性材料，存在拉壓比低、干縮變形大、抗滲性、抗裂性、耐腐蝕性差、不具保溫性能等缺點，將其直接應用於PC件連接時，會給住宅產業化建築帶來結構安全方面的隱患[3]。ECC材料中，通過將聚乙烯醇(PVA)等短纖維在材料中亂向分佈，可使ECC材料的力學性能明顯提高，收縮率顯著下降，並且具有較強的抗裂和抗震性[4]。若將ECC材料增強原理運用於連接砂漿，則PC構件連接質量將會顯著提高。

1試驗原材料與方法

1.1原材料

「海螺牌」42.5 R級普通硅酸鹽水泥，基本性能見表1；粉煤灰，安徽馬鞍山第二發電廠排出的I級干灰，基本性能見表2；烘乾砂，細度模數為2.68，堆積密度1550 kg/m3，表觀密度2430 kg/m3，含泥量為0.7%(質量分數)，級配為連續級配；短纖維，木質素纖維，纖維長度3~8 mm，纖維直徑5mm；羧丙基甲基纖維素(HPMC)，黏度150 000mPa·s；自來水。

表1水泥的基本性能指標

Tab.1Basic properties of cement used intheexperiment

表2粉煤灰的基本性能指標

Tab.2Basic properties of fly ash used intheexperiment

1.2試樣的製備與表徵

本試驗採用的干混砂漿的灰砂比(膠凝材料與砂質量之比)為1:3，水灰比為0.5；干混砂漿中粉煤灰替代水泥量為20%，HPMC為外摻，摻加量為膠凝材料質量的0.5%，所製備試樣的配比中，木質素纖維摻入量占膠凝材料質量分數(φ)分別為0%(A1)，0.07%(A2)，0.13%（A3），0.20%(A4)，0.26%(A5)。不同組分砂漿試樣的配比件表3。

表3不同砂漿試樣的配比

Tab. 3 Ingredients of different resulting mortar specimens

按表3中的配比分別稱取粉煤灰、水泥、HPMC和木質素纖維，先攪拌2min，再加入干砂攪拌2min后製成干混砂漿樣品。在水泥膠砂攪拌機中將上述干混砂漿樣品加水攪拌，加水量為225 g，攪拌3 min，得到濕砂漿樣品，將其填充到成型模具，24 h後進行試樣脫模、養護，並測試試樣的28 d抗折強度、抗壓強度等。試驗中的成型模具為40mm×40mm×160mm三聯試模，試樣養護溫度為(20±2)℃。硬化砂漿試樣的乾燥收縮率按照

《建築砂漿基性能試驗方法》(JGJ/T70-2009)中要求進行測試；使用杭州大華儀器製造有限公司生產的YBF-3型導熱係數測定儀測定硬化砂漿試樣的導熱係數，測試方法為穩態法，試樣尺寸為f13.5 cm´4 cm。用SEM方法觀察28 d齡期的硬化砂漿樣品微結構形貌(JSM-6490LV，日本電子公司)。

2結果與討論

2.1力學性能

圖1為硬化砂漿試樣28 d抗壓強度隨木質素纖維含量(φ)變化的關係。從圖中可以看出，對於與普通干混砂漿試樣（φ=0）相比，含有木質素纖維的硬化砂漿試樣的抗壓強度隨著木質素纖維含量的增加而增大，並且在木質素纖維含量為0.26%時，硬化砂漿試樣的抗壓強度達到最大值25.3MPa，增加了約12%，即適量木質素纖維可明顯的提高硬化砂漿試樣的抗壓強度。

圖1木質素纖維含量變化對硬化砂漿試樣28 d抗壓強度的影響

Fig. 1 Influence of lignin fibercontent on 28 dcompressivestrength of the resulting hardened mortar specimens

圖2為硬化砂漿試樣的28 d抗折強度隨木質素纖維含量(φ)變化的關係。從圖中可以看出，與普通干混砂漿試樣（φ=0）相比，含有木質素纖維的硬化砂漿試樣的抗折強度也隨著木質素纖維含量的增加而增大，並且在木質素纖維含量為0.26%時，硬化砂漿試樣的抗折強度達到最大值7.5MPa。增加了約24%。說明了木質素纖維能夠大幅度的提高硬化砂漿試樣的抗折強度。雖然隨著木質素纖維含量的增加，硬化砂漿試樣的抗壓強度和抗折強度都是上升的，但是其抗折強度上升的幅度要更大一些，即隨著木質素纖維含量的增加，硬化砂漿試樣的折壓比逐漸增加，脆性逐漸降低，韌性逐漸增強。

圖2木質素纖維含量變化對硬化砂漿試樣28 d抗折強度的影響

Fig.2 Influence of lignin fibercontent on 28 d flexural strength of resulting hardened mortar specimens

圖3為硬化砂漿試樣的28 d拉伸粘接強度隨木質素纖維含量（φ=0）變化的關係。從圖中可以看出，與普通干混砂漿試樣（φ=0）相比，含有木質素纖維的硬化砂漿試樣的拉伸粘接強度也隨木質素纖維含量的增加而增大，並且在木質素纖維含量為0.26%時達到最大值0.8MPa。

圖3木質素纖維含量變化對硬化砂漿試樣28 d拉伸粘結強度的影響規律

Fig.3 Influence of lignin fibercontent on the 28 d tensile bond strength of the resulting hardened mortar specimens

產生這種影響的原因是木質素纖維的增強作用[5]，木質素纖維在硬化砂漿試體中呈三維亂向分佈，能夠形成網路狀結構，支撐並防止集料的沉降，在試體受到力的作用時，木質素纖維在硬化砂漿試樣內部形成「微細筋」，能承受一定量的載荷，延緩砂漿試體中裂縫的開展速度，在拔出和拉斷過程中消耗大量的能量，並且能夠阻止硬化砂漿試體中的微裂紋的產生與擴展，因此能夠在一定程度上提高試體的物理力學性能。

2.2干縮率和吸水率

圖4所示為木質素纖維量變化對硬化砂漿試樣收縮率的影響規律。從圖中可以看出，與普通干混砂漿試樣（φ=0）相比，含有木質素纖維的硬化砂漿試樣的乾燥收縮率隨著木質素纖維含量的增加而有了明顯的降低，在木質素纖維含量為0.26%時，硬化砂漿試樣的收縮率降低了0.02%。其原因主要是木質素纖維在硬化砂漿試體中，被膠凝材料的水化產物所包裹，水化產物沿著木質素纖維生長，通過木質素纖維與膠凝材料的水化產物之間的粘結力來控制砂漿的收縮，承受砂漿收縮時產生的拉應力。所以使用木質素纖維可以有效的控制干混砂漿的收縮性能。

圖4膨脹珍珠岩含量變化對硬化砂漿試樣28 d收縮率的影響

Fig.4 Influence of lignin fibercontent on the 28 d dry shrinkage rate of the resulting hardened mortar specimens

圖5所示為木質素纖維量變化對硬化干混砂漿試樣吸水率的影響規律。從圖中可以看出，與普通干混砂漿試樣（φ=0）相比，含有木質素纖維的硬化干混砂漿試樣的吸水率略有增加，在木質素纖維含量為0.26%時，硬化砂漿試樣的吸水率為9.6%，增加了2.2%。因為木質素纖維本身易吸水，又均勻分佈在砂漿試樣的各個部位，所以易於從試體外部吸收水分，但是本試驗中的纖維摻入量較少，故含有木質素纖維的硬化砂漿試樣的吸水率會較普通干混砂漿試樣略有增加。砂漿試體吸水率增加易於導致體積的膨脹，對其力學性能產生不良影響。

圖5木質素纖維含量變化對硬化砂漿試樣吸水率的影響

Fig.5 Influence of lignin fibercontent onthe water absorptionof the resulting hardened mortar specimens

2.3導熱性能

導熱係數是衡量砂漿保溫性能的最重要的指標。圖6所示為硬化砂漿試樣的導熱係數隨木質素纖維含量(φ)變化的關係。從圖中可以看出，與普通干混砂漿試樣（φ=0）相比，含有木質素纖維的硬化干混砂漿試樣的導熱係數隨著木質素纖維含量的增加而有所降低，在木質素纖維含量φ=0.26%時，導熱係數下降了6%。因為木質素纖維的導熱係數很小[6]，且其能在干混砂漿試體中形成雜亂分佈的熱阻，但是由於本試驗中所摻加的木質素纖維的量較小，所以試體的導熱係數僅有小幅度的降低。

圖6木質素纖維含量變化對硬化砂漿試樣導熱係數的影響

Fig.6Influence of lignin fibercontent on thecoefficient of heat conductivityof the resulting hardened mortar specimens

木質素纖維

水化產物

圖7φ= 5%的硬化砂漿試樣截面的SEM照片

Fig.7SEM photos of cross-section of the hardened mortar specimens with φ=5%

2.4微觀形貌

圖7所示為木質素纖維含量φ=0.26%時硬化砂漿試樣截面的SEM照片。從圖中

可以看出，水泥水化產物沿著纖維表面生長，該水化產物(主要由氫氧化鈣晶體與水化硅酸鈣凝膠組成)增加了纖維與基體之間的摩擦力，即纖維可將水化產物綁固為一體，起到防止界面處裂紋產生與擴展的作用，從而能提高硬化砂漿樣品的力學性能。

3結論

在普通干混砂漿中摻加木質素纖維，製備出ECC型干混砂漿樣品，系統地研究了它們的物理力學性能、導熱係數、吸水率、收縮率和保水性等性能，得出如下結論。

(1)與普通干混砂漿（φ=0）相比，摻入少量木質素纖維（φ≤0.26%）的干混砂漿，其硬化試樣的力學強度隨著木質素纖維含量的增加而有了明顯的提高。

(2)由於木質素纖維具有較小的導熱係數，所以摻加木質素纖維的硬化砂漿試樣的導熱係數也隨著木質素纖維含量的增加而有所降低，但是由於試驗中的木質素纖維摻入量較少，所以對導熱係數的降低有限。

(3)與普通干混砂漿（φ=0）相比，摻入少量木質素纖維（φ≤0.26%）的硬化砂漿試樣，其收縮率隨著木質素纖維含量的增加而降低，在木質素纖維含量為0.26%時收縮率降低到了0.07%；但是隨著木質素纖維含量的增加，硬化砂漿試樣的吸水率卻有略微的增加。

(4)與普通干混砂漿（φ=0）相比，摻入少量木質素纖維（φ≤0.26%）的硬化砂漿試樣保水率的變化不大，在木質素纖維含量為0.26%時，干混砂漿試樣的保水率僅僅增加了0.2%。

參考文獻

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