摘要：以新型短切玄武巖纖維為材料制備纖維水泥砂漿，借鑒水泥膠砂流動度的試驗方法，研究了玄武巖纖維的長度和摻量等參數(shù)對水泥砂漿流動性的影響。試驗結(jié)果表明:纖維摻量越大，其比表面（FSS）越大，纖維水泥砂漿的流動性越低；對于相同纖維摻量,雖然FSS相同，但18mm（lf）纖維水泥砂漿比12mm（lf）纖維水泥砂漿的流動性更大。最后在實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，探討了現(xiàn)行纖維間距理論中存在的一些問題。
關(guān)鍵詞：纖維參數(shù)；玄武巖纖維水泥砂漿；流動性；纖維間距理論
1. 引 言
近年來，短切纖維常用于砂漿及混凝土中增韌阻裂，改善其耐久性。但纖維的應(yīng)用，給砂漿及混凝土的混合攪拌均勻帶來困難，而柔性纖維更易成團(tuán)積聚，致使其施工工作性能下降。對于纖維水泥砂漿流動性的評價，尚無專用實驗方法，若采用現(xiàn)行的水泥砂漿流動性實驗方法，由于在實驗過程中進(jìn)行砂漿的插搗及因試錐重量相對纖維重量過大，會破壞纖維的自由分布，試驗的結(jié)果不能客觀體現(xiàn)與表征纖維阻力作用。我們借鑒水泥膠砂流動度試驗方法，進(jìn)行纖維水泥砂漿的流動性實驗，以纖維水泥砂漿拌合物在規(guī)定振動狀態(tài)下的擴(kuò)散直徑和高度塌損值等試驗結(jié)果，研究短切玄武巖纖維的長度及摻量等參數(shù)對水泥砂漿流動性的影響。
2. 試驗原材料
水泥：洋房牌42.5R 普通硅酸鹽水泥。
ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂：標(biāo)準(zhǔn)砂的品質(zhì)和顆粒級配符合GB/T17671-199 規(guī)定，廈門艾思?xì)W有限公司生產(chǎn)。
短切玄武巖纖維：直徑為13μm，長度分別為12mm、18mm，上海俄金玄武巖纖維有限公司生產(chǎn)。
建筑工程用短切纖維有鋼纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維、碳纖維等，由于纖維自身的特點，存在鋼纖維易腐蝕，混合攪拌均勻困難；玻璃纖維耐堿化學(xué)性能性較差；聚丙烯纖維易老化；尤其碳纖維的價格昂貴等問題。本項目選用的玄武巖纖維（Basalt Fiber 簡稱BF），是一種性能較為優(yōu)越的新型無機(jī)非金屬纖維，具有良好的耐水、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕性，且無毒無污染、價格低廉、性價比較高，并具有良好的保溫隔熱(熱傳導(dǎo)系數(shù)：0.035W/m·K)等綜合性能[1-3]。其主要技術(shù)性能如表2 所示：
3. 玄武巖纖維砂漿流動性實驗方法
采用水泥膠砂質(zhì)量配合比：水泥：標(biāo)準(zhǔn)砂：水=450：1350：225=1：3：0.50，短切玄武巖纖維摻量見表3：
先將原材料放入砂漿攪拌機(jī)干拌混合均勻，再加水?dāng)嚢杈鶆颍缓髮韬玫睦w維水泥砂漿借鑒GB/T 2419-2005[4]方法，分兩層迅速裝入水泥膠砂流動度測定儀（跳桌臺）（圖1）的試模內(nèi)，第一層裝至截錐圓模高度約三分之二處，用搗棒由邊緣至中心均勻搗壓15 次；隨后再裝第二層砂漿，裝至高出截錐圓模約20mm，再用搗棒由邊緣至中心均勻搗壓10 次，搗壓后砂漿應(yīng)略高于試模。搗壓深度，第一層搗至膠砂高度的二分之一，第二層搗實不超過已搗實底層表面，但不得用小刀劃插砂漿，以免破壞纖維的原生取向分布，其它均同膠砂實驗方法。搗壓完畢，取下模套，從中間向邊緣分兩次水平方向抹去高出截錐圓模的多余砂漿，將截錐圓模垂直向上輕輕提起（見圖2），立刻開動跳桌，以每秒鐘一次的頻率，完成25次跳動后，用卡尺測量纖維水泥砂漿底面互相垂直的兩個方向的擴(kuò)散直徑L1 和L2，見圖3（a），再測定振動后的砂漿拌和物最高點到跳桌臺圓盤面的高度ht，見圖3(b），單位均為毫米。以平均值L（見式1）與纖維水泥砂漿振動后的高度塌損值Δh（見式2）綜合評價纖維水泥砂漿流動性。L 值越大，Δh 值越大，砂漿流動性越大。
4. 試驗結(jié)果及分析討論
通過玄武巖纖維水泥砂漿跳桌法流動度試驗，基準(zhǔn)砂漿及長12mm與長18mm的玄武巖纖維在不同摻量下的纖維水泥砂漿的流動性試驗結(jié)果見表4、表5。
4.1 纖維摻量對砂漿流動性的影響
隨著纖維摻量的增加，砂漿的擴(kuò)散直徑L 越來越?。▓D7），Δh 也隨之下降，纖維砂漿流動性越來越低。
將表4、表5 的流動性試驗結(jié)果與纖維摻量關(guān)系作圖6 與圖7，12mm( lf)和18mm( lf )玄武巖纖維水泥砂漿的流動性都隨纖維摻量的增多而降低。
摻量0.08%的12mm 玄武巖纖維的砂漿相對基準(zhǔn)砂漿的流動度下降幅度為14.6%；但隨著纖維摻量的增大，砂漿流動性會大幅度下降，摻量達(dá)到0.39%時，流動度下降了30.7%。18mm 玄武巖纖維的砂漿摻量達(dá)到0.39%時，其流動度比基準(zhǔn)砂漿下降了27.8%。纖維摻量越多，砂漿的高度塌落值越小，流動性降低。摻量為0.08%的18mm 玄武巖纖維砂漿的高度塌落值比基準(zhǔn)砂漿減少10%；纖維增多，砂漿拌和物高度塌落值會大幅度減小，摻量達(dá)到0.39%時，砂漿拌和物的高度塌落值減少了42%，而12mm 玄武巖纖維摻量達(dá)到0.39%時，其高度塌落值比基準(zhǔn)砂漿減少68%，12mm 纖維砂漿比18mm 纖維砂漿的流動性更低。我們認(rèn)為是由于纖維的亂向分布，形成立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將水泥漿團(tuán)聚在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，阻礙了水泥漿的自由流動而影響砂漿的流動性。隨著纖維摻量的增多，纖維在單位體積中的表面積FSS（纖維比表面）增大，形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)空間越小，分布密度越大，需包裹纖維表面的水泥漿數(shù)量要越多，當(dāng)水泥漿數(shù)量一定時，纖維的阻力作用也就越大。此時用Krenchel、Romualdi 及沈榮憙等人在纖維間距理論中提出的纖維在單位體積根數(shù)N、FSS 及纖維的平均間距S [5-6]之間的相關(guān)性作用可以得到解釋。即：
也就是纖維摻量越大，纖維在單位體積根數(shù)N 越多，F(xiàn)SS 值越大，纖維的平均間距S 越小，纖維的阻力作用也就越大。
4.2 纖維長度對砂漿流動性的影響
從圖6中進(jìn)一步可以看到，當(dāng)纖維摻量相同時，18mm（lf）纖維水泥砂漿比12mm（lf）纖維水泥砂漿的流動性更大。
試驗中18mm玄武巖纖維在水泥砂漿中相對比12mm玄武巖纖維更易分散，成團(tuán)量較少，因為在相同質(zhì)量摻量時，對于同直徑、不同長度的纖維，雖然FSS 相同，但纖維長度越短，纖維根數(shù)越多。12mm（ f l ）的纖維根數(shù)是18mm（ f l ）的纖維根數(shù)的1.5 倍，假設(shè)纖維在砂漿中都能分布均勻，那么在單位體積砂漿中，12mm 纖維的根數(shù)遠(yuǎn)比18mm 纖維的多得多，纖維分布密度增大，纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的空間更小，網(wǎng)狀搭接的阻攔作用更明顯，自由流動的水泥漿相對要少，砂漿的流動性也就相對更低。當(dāng)纖維摻量過多時，長度較短的纖維由于單根數(shù)量更多，在砂漿中因聚集更難以分散均勻，這時伴隨砂漿的流動性大幅下降。而按照Kal 與Pal 等人的纖維間距理論提出：
5. 結(jié)論
通過玄武巖纖維水泥砂漿的流動性實驗，柔性纖維水泥砂漿的流動性采用跳桌臺測定，有較好的實驗穩(wěn)定性和可操作性。研究結(jié)果表明，纖維參數(shù)顯著影響纖維水泥砂漿的流動性，并且單位體積中纖維的根數(shù)N 是影響纖維水泥砂漿流動性的重要因素，即：
(1)纖維長徑比相同時，玄武巖纖維的摻量越多，纖維在單位體積的根數(shù)(N)越多，比表面FSS值越大，纖維的平均間距S 越小，纖維水泥砂漿的流動性越低。
(2)當(dāng)纖維摻量相同時，同直徑、不同長度的纖維，F(xiàn)SS 值雖然相同，但長徑比越小，纖維在單位體積的根數(shù)(N)也越多，纖維分布密度越大，其纖維水泥砂漿的流動性也越低。因此，當(dāng)配合比相同時，18mm（lf）玄武巖纖維水泥砂漿比12mm（lf）玄武巖纖維水泥砂漿的流動性更大。
綜上所述，纖維水泥砂漿與纖維混凝土都將因纖維的摻入給施工攪拌和成型帶來困難，針對柔性絮狀纖維，優(yōu)化摻入纖維的參數(shù)，對于提高纖維砂漿和纖維混凝土的綜合技術(shù)性能，有著重要意義。
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