陈婷萍 李翠红 陈 薇 荣欣妍 夏 晨 吴心慧 宋运龙

Equipment technology 装备技术

新型砂浆防火抗裂特性研究

陈婷萍 李翠红 陈 薇 荣欣妍 夏 晨 吴心慧 宋运龙

（绍兴文理学院土木工程学院，浙江 绍兴 312000）

在水泥砂浆中掺加一定量的聚丙烯纤维，将制备完成的纤维改性水泥砂浆（新型水泥砂浆）试样同普通水泥砂浆试样在常温下养护至7d、28d后，经历高温2小时分别对其进行轴压试验与抗折试验，对试验数据进行分析，综合评判新型水泥砂浆的防火抗裂性能。研究结果表明：在高温作用下，新型水泥砂浆的抗裂性能因其内部掺加的聚丙烯作用而表现出明显的改善与提高。

聚丙烯纤维；轴压试验；高温；抗裂性能

0 引言

水泥复合型材料由于其价格低廉、能耗低和易塑造等优点广受建材市场青睐。塑性收缩是水泥砂浆成型后的早期特性之一，在受到约束时会形成内部或表面裂缝,抗塑性开裂性能差、抗拉强度低，在高温环境下应用时往往会产生较为明显的破坏，进而影响建筑结构的整体稳定和使用寿命。因此对高温环境下水泥砂浆的性能改善研究十分必要。

早在上个世纪中叶，国内外就已经有学者开始了在水泥砂浆中掺加高强度、高柔韧性材料以弥补其性能缺陷的试验，并且相关研究已经获得了一些成绩。1893年在欧洲，由特里诺瓦首先申请饰面新型水泥砂浆的生产专利，新型水泥砂浆这一名词由此出现。圆环法最早于 1942 年由 Roy W.Carlson 提出，用以研究砂浆和水泥净浆的抗裂性，从此被广泛采用[1]。

通过对国内外关于新型水泥砂浆的研究现状的了解，我们发现针对新型砂浆的力学性能已经有着大量的研究，其中表明了聚合物的掺入，可以有效改善砂浆拌和物的粘聚性、保水性，减小了砂浆的开裂[2~4]，比如憎水剂的掺入能够有效减少砂浆的压折比和毛细管吸水率[5]，即在新型水泥砂浆的掺加物对其性能的影响及一些特殊状态下水泥砂浆的性能有着深入研究。这些研究表明了工程应用的新型水泥砂浆具有较优越的抗裂性能，能承受相当长时间段的荷载和侵蚀作用，力学性能通常能满足常规工程需要[6]，但对特殊情况即高温环境下新型砂浆防火抗裂性能的研究尚不完善，本文基于此进行了探讨研究，通过对高温环境下新型水泥砂浆防火抗裂性能的试验研究来模拟混凝土建筑、地铁站结构物等表层水泥砂浆在高温火灾作用下的力学特性，评估其在火灾后是否需要更换或重建，以减少经济损失和安全隐患。

1 试验概况

2 原材料

1)水泥。采用PO水泥 42.5普通硅酸盐水泥，其性能列于表1。

2)聚丙烯纤维。其物理力学性能列于表2。

3)砂。优质河砂，细度模数为2.5的中砂。

4)水。拌合水为普通自来水。

表1 聚丙烯纤维的物理力学性能

3 试样制备

设置对比实验组，主要考虑聚丙烯纤维掺量和环境温度两个变量，砂浆配合比，水泥：砂：水为1：7.25：1.27，分别设定养护龄期为 7d、28d；试验总共分为8组，每组制备6个水泥砂浆试样，并根据标准火灾升温曲线选定最终温度为800℃，具体实验分8组。

4 试验方法

本课题拟研究的主要问题是考察纤维改性水泥砂浆（新型水泥砂浆）试样在高温环境下防火抗裂性能的优越性。

试验室将标准养护室中养护7d、28d的试件放入温度为20±3℃左右的水中浸泡48h，之后取出试件擦干并称重。将编号为2、4、6、8的试件放入STYH-80型智能养护室控制仪中，温度上调至300℃，500℃，最后升至800℃左右，2小时取出进行冷却，待试样冷却至室温，对试样的表面进行观察。最后将高温作用后的试件与其他试件同时进行力学测试。利用 STYE-300C水泥全自动抗折抗压试验机分别进行轴压试验与抗折试验，直至试件破坏。记录各组试件对应的开裂荷载和开裂应变、破坏荷载和破坏应变，按照加权平均法，计算出每组试件的平均抗压强度值，并根据记录数据画出单轴压缩应力-应变曲线。记录水泥砂浆试块的抗压、抗折强度数据时应精确至0.1MPa。对比普通水泥砂浆和纤维改性水泥砂浆(新型水泥砂浆)两类试样的应力-应变曲线，对新型水泥砂浆的防火抗裂性能进行综合评判。

5 试验结果与分析

6 试样高温作用前后表观特征

经历高温作用后，普通水泥砂浆和纤维改性水泥砂浆试样普遍表现出如下的表观特征变化。

表4 无掺加水泥砂浆试样高温作用前后表观特征

具体的水泥试样破坏形态则因为聚丙烯纤维的掺加而有所不同。试验中观察到普通水泥砂浆试件发生了脆性破坏，形成了横贯试件的裂缝，导致试件断成两截。纤维改性水泥砂浆试件被破坏时，产生一条没有贯穿整体的裂缝,基体在纤维的作用下仍保持为一个整体，纤维改性水泥砂浆在试验中表现出一定的韧性。

7 新型水泥砂浆的抗压、抗折强度

根据平行试验的数据处理方法，对每组力学测试得到的5个数据进行有效性取舍，再使用加权平均法处理。试验得到的各组别水泥砂浆的抗压、抗折强度数据见下图2。

图2中，不同养护龄期的水泥砂浆试件，其单轴抗压强度都呈现出随着温度升高而降低的总体趋势，因为在20-800℃的升温过程中,试件内部组分发生了热膨胀,有利于生成孔隙和促进裂缝发生，而在不同温度作用下，水泥砂浆试件呈现出不一致的反应，在300℃~500℃的温度区间上，试件的抗压强度发生大幅度地降低，是由于试块内部裂缝的不断形成与相互连通，由细小裂缝向宏观裂缝发展，导致水泥砂浆试块抗压性能的较大衰减。图中可以看出养护龄期较长的水泥砂浆试块，其抗压性能也相应较优越。在由常温至预设的800℃过程中，相同龄期下，掺加了聚丙烯纤维的水泥砂浆的抗压强度普遍高于普通水泥砂浆的抗压强度，因此可以得出纤维改性水泥砂浆较普通水泥砂浆在抗压强度上具有明显的优越性。

图1 各组别水泥砂浆的抗压、抗折强度

图2 水泥砂浆的抗折强度——温度曲线图

图3是水泥砂浆的抗折强度——温度曲线图，从该图总体趋势上来看，各组别试件的抗折强度曲线都是向下倾斜的，表现出水泥砂浆试块的抗折性能随着温度上升明显衰减，至预设的最高温度800℃时抗折强度已接近于0,此时的水泥砂浆试块表面呈灰白色，已有明显裂缝产生且冷却后自然松散，已丧失基本的力学性能，不可以作为建筑材料继续使用。在整个升温过程中，以7d龄期的普通水泥砂浆试件为例（比对不同组别的实验数据，其抗折强度变化总体趋势是-致的），其抗折强度在300℃~500℃的区间上下降67.2%，表现出与抗压强度相比，抗折强度对裂纹发生的反应更大；而500℃~800℃范围内，抗折强度下降幅度则较小。同时图3中表现了新型水泥砂浆试块的抗折强度数值较普通水泥砂浆显著提高，体现出其优越性。

8 结论

1）随着受火温度升高，试件表观特征有明显变化，其表面颜色由灰色逐渐过渡成灰白色(偏白），同时开始出现裂纹，到达预设温度800℃时，试件表面有明显裂纹，并且试件的疏松程度不断增加。

2）在升温的全过程中，水泥砂浆的抗压与抗折强度随温度上升而明显降低。且在800℃的高温作用后，高龄期的水泥砂浆试件抗压、抗折性能发生了大幅度的衰减，强度变化量较大，较普通水泥砂浆更容易发生内部的结构破坏。

3）同一温度下，新型水泥砂浆（聚丙烯改性水泥砂浆），其抗压强度因纤维的加入而有明显的提高，同时其抗折强度也较普通水泥砂浆有所增加，且纤维的加入对于试块的抗折强度的提高作用相对值高于抗压强度。

4）在试件应力－应变曲线接近峰值应力时，试件即将发生破坏。水泥砂浆试件发生破坏前应力-应变曲线的变化规律可为评估混凝土建筑、地铁站结构物等在高温火灾作用后其是否需要更换或重建提供参考。

[1]W. Dong,X.M. Zhou,Z.M. Wu,H. Luo,G. Kastiukas. Quantifying the influence of elliptical ring geometry on the degree of restraint in a ring test[J]. Computers and Structures,2017.

[2]S.Goldfein.Fibrous reinforcement for Portland cement [J].Modern Plastics.1965,42(8):156-160.

[3]R.F.Zollo. Collated fibrillated polypropylene fibers in FRC[J]. Fiber reinforcedConcrete International Symposium. ACI Special Publication. 1984:397-409.

[4]田雪莹,张亚宁,赵乾百,于晓莎.谈三种纤维应用于抗裂砂浆的性能差异[J].山西建筑,2018,44(24):78-79.

[5]陈晓业. 憎水剂对水泥砂浆力学性能和吸水性能的影响[A]. 第二届全国商品砂浆学术交流会论文集[C].中国硅酸盐学会房材分会、中国硅酸盐学会水泥分会、中国建筑学会建筑材料分会、中国建筑业协会材料分会:中国硅酸盐学会,2007:7.

[6]王来贵,陈强,潘纪伟,张阳,刘雨琳.聚丙烯纤维增强水泥砂浆力学性能试验研究[J].硅酸盐通报,2017,36(03):870-877.

陈婷萍（1999.02- ），女，汉族，浙江省绍兴市，大学本科，绍兴文理学院本科学习，研究方向：土木工程新型材料。

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1007-6344（2021）01-0055-02