再生纖維素纖維增強水泥砂漿的早期抗裂和自收縮行為

馬國金，鄭小秋，郭平，郭秀艷

(井岡山大學 a.建筑工程學院；b.機電工程學院，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更是促使了內養護技術及其理論的誕生[5]。近年來，學者們對混凝土內養護做了大量的研究?？紫槊鞯萚6]研究高吸水性樹脂對高強混凝土漿體孔結構的影響，提出有效水灰比的概念，并發現摻加預吸水樹脂的硬化水泥漿的毛細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部濕度的下降和自收縮行為[7]。Jongvisuttisun等[8]研究表明，在水化進行25 h內，天然纖維桉木漿從自身結構中釋放出自由水，25 h后，小細胞壁孔隙中的自由水和細胞壁中的結合水減緩由水泥水化導致的內部自干燥。由此可見，分散在混凝土內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養護功能[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用。

筆者主要探索再生纖維素纖維對砂漿性能的影響，所用再生纖維來源于實驗室自制的廢紙纖維，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構，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砂漿性能的影響，對比來源于木漿的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方面探討再生纖維素纖維對水泥砂漿早期性能的影響。

1 實驗

1.1 原材料

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

再生纖維素纖維[12]:實驗室自制，取中國廢舊新聞紙為原料，要求廢紙不含膠，雜質不超過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高濃水力碎漿機中疏解，其中，漿濃12%，碎漿機轉速300 r/min，碎漿時間30 min。將疏解后的紙漿纖維于80目網篩過濾，去除微小組分，真空抽濾后，置于60 ℃電熱鼓風干燥箱中干燥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型超聲波發生器中10 min，進行活化處理，改性后的樣品經真空過濾并干燥，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 實驗方案及測試方法

1.2.1 實驗方案 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 強度：參考《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO)》(GB/T 17671—1999)，成型水泥砂漿樣品，養護1 d后，用高密度聚丙烯薄膜和環氧樹脂密封，放置于溫度為20±2 ℃、相對濕度60%的干燥室內密封養護。使用強度測試機對密封養護后的樣品進行強度檢測，并計算其折壓比(σc/σF)，分析再生纖維素纖維對砂漿抗裂性能的影響。

自收縮：參考《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70—2009)，成型水泥砂漿樣品，同樣密封養護，測量不同養護齡期下樣品的長度，并根據參考文獻[13]計算砂漿的線收縮應變，分析再生纖維素纖維對砂漿減縮效應的影響。

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

2 試驗結果與討論

2.1 砂漿強度

水泥砂漿的抗折強度和抗壓強度如圖2所示。養護齡期相同時，無論何種配比、添加何種纖維，均降低了砂漿的抗折強度和抗壓強度，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，養護28 d的抗折強度和抗壓強度分別下降了23.7%和15.0%；同種配比情況下，養護至28 d，各樣品抗折強度大幅度提高，養護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度和抗壓強度，養護28 d，其抗折強度和抗壓強度分別下降了38.8%和48.9%，而RCFs和UF500纖維對砂漿強度的影響類似，下降幅度偏緩。纖維本身強度較低，這是造成砂漿強度下降的根本原因，但RCFs和UF500纖維具有吸水特性，在無外部水養護的密封環境下，能夠增強水泥砂漿的內部養護作用，使砂漿強度的下降幅度降低。

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對砂漿收縮率的影響，圖3(d)為同條件下3種纖維對砂漿收縮率的影響。

圖2 密封環境下不同水灰比砂漿的抗折強度 和抗壓強度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樣，這主要是由于成型前，RCFs浸泡吸收了部分水分，使成型時的實際水灰比下降，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變，且摻量為1%時，砂漿的線收縮應變最小。水灰比為0.35、纖維摻量均為1%時，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嚴重降低了砂漿的抗折強度和抗壓強度，很容易造成晚期因強度不足而導致微裂縫的擴展。因此，考慮到強度方面因素，植物纖維具有一定優勢。

2.3 砂漿抗裂性能

材料的收縮裂紋與強度密切相關，折壓比是衡量水泥基材料抗裂性能的重要指標之一[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對砂漿折壓比的影響，圖4(d)為水灰比0.35時3種纖維對砂漿折壓比的影響。

水灰比為0.3時，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時吸收了部分水分，導致有效水灰比下降，在過低的水分配比下，纖維在砂漿內不能得到很好的分散，砂漿的和易性也變差。因此可以認為，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，纖維能夠在砂漿內均勻分布，且處于飽水狀態。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，但摻量達到水泥質量的2%時，砂漿σF/σc下降?？梢?，無論何種情況下，并不是纖維摻量越多越好。密封養護環境下，水灰比>0.35時，摻加1%RCFs，飽水的纖維能夠均勻分散在砂漿基體內部，隨著水化進行到一定程度，纖維釋放自身所含水分，補償砂漿內部的自干燥，從而改善砂漿的抗裂性能。但纖維摻量過多會導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，摻加同摻量的3種纖維，聚丙烯短纖維表現最佳，但從砂漿強度方面考慮，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

通過以上分析，水灰比>0.35，濕混添加RCFs能夠增強水泥砂漿的減縮效應，假設以未摻加RCFs的水泥砂漿為基準，其線收縮應變為0，摻加RCFs后，其收縮應變為f。擬定η(%)為RCFs增強水泥基材料的減縮效應，其數學表達式為

只有當η>0時，RCFs才能夠起到減縮效應,如圖5所示。

從圖5可知，水灰比0.3，摻加任何摻量的RCFs都沒有對砂漿起到減縮效果，水灰比大于0.35時，養護1 d，砂漿減縮效應下降明顯，且纖維摻量越大，下降幅度也越大。纖維摻量為2%時，水灰比0.35，養護1 d的水泥砂漿減縮效應下降超過30%，而在0.4水灰比下，下降幅度近60%。養護7 d，RCFs對砂漿的減縮效應隨著水灰比的增加有所加大，且纖維摻量為水泥質量的1%時，減縮效果較好。水灰比0.4，養護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增強砂漿的減縮效應Fig.5 Shrinkage efficiency of mortar with RCFs at different water cement ratios

試驗所用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變。而且，纖維易團聚，介質水分不足導致其無法均勻地分布于基體內部，從而導致其沒有起到正面效應。但隨著額定水灰比的增大，RCFs的分散能力增強，可以起到內養護的作用。RCFs具有吸水和釋水的能力，同時，在體系內部起到搭橋的作用，見圖6，在密封養護后期，纖維釋放自身內部所含水分，對砂漿實施內養護，促進水泥水化進程，使基體組織更致密，纖維與基體接觸面積增大，界面粘結強度較好，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，養護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 結論

1)水灰比是影響砂漿配置的關鍵因素之一，當低于0.3時，RCFs不能很好地分散于砂漿基體內，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度。

2)水灰比大于0.35、RCFs摻量為水泥質量的1%時，能夠很好地增強砂漿的抗裂和減縮性能。但隨著纖維摻量的增加，勢必會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。