聚丙烯纤维砂浆防渗性能研究

研究与应用　聚　王　仪　．姜　景　（１．扬州大学建筑科学与丁程学院，江苏扬州２２５００９；２．江苏省建筑科学研究院，汀苏南京究　２１０００８）　摘要：针对混凝土弹性模量大的缺点，提出了在水泥砂浆中加　入土和聚丙烯纤维以减少水泥用量、提高混合料的抗裂抗渗　能力的改进措施，井探讨了聚丙烯纤维的抗裂、抗渗机理　关键词：防渗墙：砂浆；聚丙烯纤维　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎｔｉ—ｓｅｅｐａｇｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ　ｉｆｂｅｒ　ｍｏｒｔａｒ／／Ｗａｎｇ　Ｙｉ，Ｊｉａｎｇ　Ｊｉｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｏｉｎｔｓ　ｏｕｔ　ｔｈａｔ　ｎｅｗ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ　ｓｅｅｐａｇｅ　ｍａ　ｔｅｒｉａｌ　ｃａｎ　ｏｖｅｒｃｏｍｅ　ｔｈｅ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ｅｌａｓｔｉｃ　ｍｏｄｕｌｕｓ　Ｂｙ　ａｄｄｉｎｇ　ｃｌａｙ　ａｎｄ　ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ　ｆｉｂｅｒ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ￣＇ｎｏｒｔａｌ。，ｔｈｅ　ｃｒａｃｋ　ｒｅ—　ｓｉｓｔａｎｃｅ　ａｎｄ　ｉｍｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ　ａｒｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．１＇ｈｅ　ａｒ　ｔｉｃｌｅ　ａｌｓｏ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｃｒａｃｋ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ａｎｄ　ｉｍｐｅｔＴｎｅａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｉｍｐｅｒｍｅａｂｌｅ　ｗａｌｌ；ｍｏｒｔａｒ；ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｔｅｎｅ　ｆｉｂｅｒ　防洪减灾是我国经济建设的一项重要Ｔ作，“十　一五”期间我国将进行大量的防渗墙建设。刚性混凝　土在垂直防渗工程中已得到了广泛应用，但因弹性模　量高、极限成变小，很难与堤身发生协调变形，并不适　合用作堤防　１　程的防渗料。本文提出了在水泥砂浆　中加入土和聚丙烯纤维，为垂直防渗墙的建设研发了　一种性能优异的新型防渗料。　水泥砂浆中掺入土，　由于使川丁较少的水泥，比刚性混凝土具有更小的弹　性模量，能很好地与堤身　调变形；在砂浆中掺入聚　丙烯纤维可以减少砂浆的塑性收缩，增强材料的抗　裂、抗渗性能。　１　实验方案　１．１原材料　１）扬州水泥厂生产的３２．５级普通硅酸盐水泥；　２）标准砂；３）粘土，产于扬州，土质为浅黄色粉质粘　土；４）粉土（砂壤士），为／火黄色砂壤土；５）聚丙烯纤　维，采』１ｊ江苏丹阳叶　产的丹强丝聚丙烯单丝纤维，基　本性能指标见表１。　表１丹强丝聚丙烯单丝纤维基本性能指标　纤维类型　柬状单丝　密度／（ｇ／ｃｍ　）　０．９ｌ　目尼尔　ｌ５￣２　分散性　好　抗拉强度／Ｍ　Ｐｉｌ　≥２７６　弹性模齄『ＭＰａ　３７９３　拉伸极限／％　ｌ５　吸湿率／％　＜Ｏ．１　熔点／０［：　ｌ６８　燃点／ｃ【：　５８０　吸水性　尤　导热性　极低　１．２试验方法　砂浆稠度、分层度等物理性能指标的测定根据　ＪＧＪ　７０～１９９０（（建筑砂浆基本性能试验方法》进行。抗　压强度根据ＪＧＪ　７０—１９９０＜＜建筑砂浆基本性能试验方　法》测试，试件尺寸为７０．７　ｍｉｎｘ７０．７　ｍｍｘ７０．７　ｍｍ。抗　折强度根据ＧＢ／Ｔ　１７６７１—１９９９《水泥胶砂强度检测　方法（ＩＳＯ法）》测试，试仲尺寸为４０　ｍｍｘ４０　ｍｍｘｌ６０　ｍｍ。抗拉强度根据ＧＢ／Ｔ　５００８１—２００２《普通混凝土　力学性能试验力‘法标准》测试，试件尺寸为１５０　ｎｎｌｘ　１５０　ｍｍｘ１５０　ｍｒｔｌ。弹性模量根据ＪＧＪ　７０—１９９０《建筑　维普资讯 http://www.cqvip.com

砂浆基本性能试验方法》进行，试件尺寸为７Ｏ．７　ＮＩｌ＇ＩＩＸ　７Ｏ．７　Ｍｉｌｌ，高２１０～２３０　ｌＩｌｌＩ１。下缩性能根据ＪＧＪ　７Ｏ一　１９９０（（建筑砂浆基本性能试验方法》测试，试什尺寸为　４０　ｍｒｉｌ　ｘ４０　Ｍｉｌｌ　ｘ１６０　ｍ队　渗透　能根据ＧＢｆｆ　５０１２３一－１９９９（（土Ｔ试验　法标准》测试，试什直径为　６１．８　Ｍｉｌｌ，高４０　Ｍｉｌｌ。　１．３　配制ｊ二　为了减小材料的弹性模　，同时降低防渗料的『　程造价。本试验在普通水泥砂浆中掺入一定量的土以　替代部分水泥。试验中，预先将粘土和粉土碾压粉碎　并过筛，然后混合搅拌，其投料顺序为：　砂一　粉士一粘土一水泥一纤维一水　施Ｔ中可先将土碾压，将所需用量的十与设计比　例的水混合搅拌，彤成均匀的粉土或粘土浆液，再加　到砂浆中搅拌均匀。　１．４实验配比　纤维砂浆配比为水泥：砂：粘土：粉土＝ｌ：２：Ｏ．５：１．５　（单方质量比为３０２：６０４：ｌ５ｌ：４５３：３９３），纤维长度为ｌＯ　Ｍｉｌｌ、１５　Ｍｉｌｌ，纤维掺率０．１％。　２纤维砂浆的综合性能分析　２．１　物理力学性能　表２列出了掺加纤维前以及掺加不『百ｊ长度纤维　砂浆的物理力学性能。从表２可以看ｍ，两种长度的　聚丙烯纤维对于砂浆性能的影响基本上足一致的。　表２砂浆力学性能比较　（１）聚丙烯纤维掺入后，砂浆的稠度稍有下降，分　层度略有增加。其原因为：聚丙烯纤维的比表面积大，　占用了一部分的拌和水：分布在砂浆中的大量纤维彼　研究与应用　此交错分布，对骨料起“咏托”作用，降低了砂浆捉面　的析水与集料的离析　时，南于纤维之间仔在着阻　力作川，造成砂浆内部的摩擦力增大，使砂浆变稠…。　（２）聚丙烯纤维掺入后，砂浆的抗爪强度　所降　低。抗折、抗托强度增大．．Ｉ　时，纤维的长度对丁砂浆　的力学　能有影响，但程度较小。　（３）聚丙烯纤维对砂浆的开裂有一一定的　制作　用：抗折试验时，未掺入聚内烯纤维的试件发，｛！整体　断裂破坏（　图ｌ—ａ）；加入聚丙烯纤维后试件仅发　ｌｉ了局部断裂（见　１－－ｂ）　ａ．未掺纤维断裂破坏　ｌ１．掺人纤维后断裂破坏　图１抗裂试验　２．２收缩性能　砂浆硬化过程中，会　现失水收缩。　【，受到水泥　基体约束作川时，砂浆内部会…现收缩应力，当收缩　应　大丁萆体的抗托强度时就会…现裂缝　。一般情　况下，砂浆的收缩性将决定是　开裂。纤维砂浆及基　准砂浆的。ｒ缩测定结果　表３。　表３砂浆千缩测定值　×１０－４　２是砂浆十缩值的对比．从　２町以看　：　（１）纤维砂浆的早期收缩小ｒ　准砂浆。掺入聚　丙烯纤维后．纤维表面积ｒ　用＿『部分水，水化　期埘　维普资讯 http://www.cqvip.com

研究与应用　８　６　４　２　Ｏ　口　区　ｂ　目（　：宝　世　嫘　｝Ｌ　７　１４　２８　５６　时间／ｄ　ａ未掺纤维：ｈ—掺１０ｍｍ长聚丙烯　ｒ维：ｆ—参１５　ｒｎｍ长泉丙烯纤维　图２砂浆干缩值对比　早期收缩会产生限制作用。　（２）加入纤维后同一龄期纤维砂浆的十缩值要比　基准砂浆的ｆ缩值小，且随着龄期的增加其差值越　大。产生这一现象的原　是聚丙烯纤维在砂浆收缩　过程中承受了作崩在水泥基体上的部分应力，减小了　砂浆承受的应力，使得Ｔ缩值降低。　（３）聚丙烯纤维Ｋ度对砂浆丁缩值的影响不大。　２‘３抗裂性能　抗裂性能是决定砂浆能否作为防渗料的主要凶　素之一，如果材料的抗裂性能差，就容易产生裂缝。　判断一种材料的抗裂性主要取决于其韧性的高低，韧　性低即脆性大，韧性高则抗裂性必然好Ｉ　Ｉ。材料的韧　性高低通常通过抗折强度、抗拉强度、折压比、托　比　等指标反映。　表４列ｍ了聚丙烯纤维对不同试件的抗折强度、　抗拉强度、折压比、拉　比等参数的影响。　从表４中可以看出，加入纤维后砂浆材料的抗压　表４砂浆韧性指标　强度有所降低，抗折强度稍有改善，折压比、拉压比提　高较多　南此可见，加入纤维后，砂浆的韧性和抗裂　性能得到　著提高　２．４抗渗性能　材料的透水性通常采用渗透系数来表征，表５列　ｍ了不Ｉ司试件的渗透系数。　从表５可见，基准砂浆的渗透系数达到１０　数　量级，满足作为防渗料使用的要求，掺入聚丙烯纤维　后材料的渗透系数有所降低．这是由于材料抗裂性　能的提高，使得砂浆内部的连通裂缝大幅度减少，降　低了砂浆的渗水能力。试验结果还表明，聚丙烯纤维　度对材料的渗透系数影响不大。　表５砂浆渗透系数　纤维长度／ｍｍ　未掺　１Ｏ　ｌ５　渗透系数／（ｅｎｄｓ）　６．４２ｘ　ｌ０－７　２．０２ｘｌＯ　２．３８ｘｌ　３　纤维对提高砂浆综合性能的机理分析　同相骨料与水泥浆体之间的界面是砂浆的薄弱　环节，称为过渡区。砂浆内部一旦受到应力作用，极　易在过渡区产生裂缝，　致砂浆的抗裂性降低，从而　降低抗渗性能。　泌水使得砂浆内部形成很多毛细通道，当表面水　分的蒸发速度大于水分的迁移速度时，砂浆失水将甫　表及里向深处发展．毛细孔内水的弯液面的曲率也将　随之逐渐增大（如　３所示）。根据毛细原理，毛细张　力将使凹液面有缩小的趋势，这种趋势造成的孔内　负压将使毛细管壁受到持续增长的压缩作用，肖压缩　水弯液面曲率　变化趋势　图３毛细子Ｌ内水弯液面的曲率变化　维普资讯 http://www.cqvip.com

作用受到约束时，砂浆表而将会因受拉而开裂。　水泥基材料会ｌ太Ｊ掺入聚＿丙烯纤维而获得抗裂、抗　渗和韧性提高的良好效果，纤维与水泥基体的作用一　般有两种解释［４１：（１）美国Ｒｏｍｕａｌｄｉ提Ⅲ的“纤维阻裂　机理”（纤维间距理论）；（２）英　Ｓｗａｍｙ，Ｍａｎｇａｔ等提　出的“复合材料机理”。此外，还有人认为纤维为砂浆　提供了加筋系统，有效抑制１广水泥基材料的十缩。　聚丙烯纤维的掺入，使砂浆的许多性能都有所改　变。当聚丙烯纤维均匀散布存砂浆中时，在与构成砂　浆的其它组分的结合过程中．聚丙烯纤维的化学性质　不会发生改变，也不会介入其它组分之问的化学反　应，以纯物理的方式发挥作　。　聚丙烯纤维提高砂浆抗托性能的主要原　是：掺　入少量的聚丙烯纤维后，砂浆内部形成ｉ维交错的支　撑网络．有效地抑制ｒ砂浆的塑性收缩开裂．具有明　显的阻裂效应。粘土与粉土的掺入增加了纤维与基　材的接触面积，提高了纤维的界面脱粘强度．从而提　高了砂浆的抗拉强度。此外．由丁补强效应而非增强　效应，聚丙烯纤维的掺入促进了砂浆后期抗托强度的　持续增长。　聚内烯纤维在提高砂浆的抗裂性方面主要有以　下　个作用：　（１）由于纤维在砂浆内呈　维状态分布，阻碍了　骨料的离析和分层，保证砂浆早期均匀泌水，从而阻　止沉降裂纹的产牛。　（２）显著提高砂浆抗塑性收缩的能力。由于砂浆　内部水分蒸发不一致，造成　均匀的体积收缩．当收　缩受到基体约束作用时，会在砂浆内部产生收缩应　力，使砂浆部分受扣，由于砂浆基体尚未硬化，抗拉强　度不足以抵抗拉应力，从而使得砂浆开裂。纤维的加　入可以分散或抵消这种Ｊ、　力作　．提高基体开裂的应　力水平，使水泥基体承受更高的应力，抑制裂缝的产　生和发展　（３）降低裂缝尖端的应力集中，改变裂缝的方向．　防止微裂缝的进一步发展。一旦砂浆内部形成裂缝．　尖端就会产生应力集中，使裂缝继续发展。当尖端发　研究与应用　展到与纤维相交时，纤　维即可抵？肖部分或全部　纤维　的应力（如图４所示），　从而抑制了裂缝的产生　和发展．有效地增强了　裂　砂浆的抗裂性。　４结论　图４聚丙烯纤维的阻裂效应　（１）掺人体积掺量为０．１％的聚丙烯纤维后，砂浆　和易性降低，但仍能满足要求；　（２）掺入聚丙烯纤维后，砂浆的十缩性减小、韧性　增加、抗裂性能增强，可　著改善材料的抗渗性能；　（３）聚丙烯纤维的长度对于砂浆性能的改善影响　不大，掺入０．１％的长度为１０　ｍｍ的聚丙烯纤维后，　材料的各项性能较掺入１５　ｍｍ纤维稍好，故推荐采　长度为１０　ｍｍ的聚丙烯纤维　。　研究表明，砂浆中加入适量的土．口Ｉ以减少水泥　量．降低材料的弹性模量。通过试验获得砂浆合理　配合比后，掺入聚丙烯纤维改善ｒ材料的抗裂抗渗性　能。聚丙烯纤维砂浆具有良好的防渗能力，适合于用　作防渗料。　参考文献　［１ｌ￣Ｋ春香，耿飞，李丽，聚丙烯纤维提高水泥砂浆抗塑性开裂的　机理Ⅲ．东南大学学报，２００５（５）：７８６—７９０　［２ｌ￣ｔｌ，丽芳．王培铭，杨晓杰．纤维参数对水泥砂浆断裂韧性的影　－向Ⅲ．混凝土与水泥制品，２００６（１）：４０—４３　『３１９１敏，许红升，李建权．聚丙烯纤维增强水泥砂浆的性能研究　Ｕ　Ｊ，化学建材，２００６（２）：３１—３５　［４ＩＤ－－１．Ｈａｎｎａｎｔ．陆建业译．纤雏水泥与纤维混凝￣－［ＭＩ．北京：中　国建筑工业出版社．１９８６　ｌ５１４景．堤防纤维砂浆防渗料的试验研究及其有限元分析．扬　州大学硕士论文．２００４　文章编号：１（１０７—４９７Ｘ（２００６）一１２一ＯＯ１６—０４　中图分类号：ＴＵ５２８．５７２　文献标识码：Ａ　收稿日期：２００６—１０—０８　作者简介：王仪，男，１９７８年生，扬州人，硕士，讲师，主要从事　结构工程教学和研究。联系地址：２２５００９扬州大学建筑科学与　Ｘ－程学院土木系．联系电话：Ｏ５ｌ４—７９７８３３８。