矿物掺合料对钢纤维灌浆料性能影响试验

在水泥基材料中，砂浆虽然具有抗压强度高、耐久性能好、造价成本低、施工方便等优点，但其抗弯性能差、韧性差、易产生温度裂纹和干缩裂纹。研究发现，在砂浆基体中掺入一定量的钢纤维能改变砂浆的断裂行为，钢纤维的作用是桥接基体裂缝而改变其开裂行为，使水泥基材料获得较高的强度和良好的韧性。钢纤维灌浆料是一种新型水泥基复合材料，其性能主要取决于砂浆基体、钢纤维自身的特性以及钢纤维–砂浆界面间的粘结强度。粉煤灰、超细矿粉、硅灰、微珠等矿物掺合料的加入能填充钢纤维灌浆料的空隙，增加钢纤维灌浆料的密实度，增强砂浆的强度和耐久性，对改善钢纤维灌浆料性能、降低成本有一定的积极作用。 在胶凝体系中引入矿物掺合料，并降低钢纤维灌浆料的成本，工业废弃物能得到利用，钢纤维灌浆料性能在一定程度上改善。

1?材料与方法

1.1?原材料。 胶凝材料：硅酸盐水泥（P·I 52.5），淄博某公司生产；低碱度硫铝酸盐水泥（L-SAC 42.5），淄博某公司生产。 矿物掺合料：超细矿粉，河南某公司生产；I级粉煤灰，邹平某公司生产；微珠，淄博某公司生产；硅灰，山东某公司生产；石膏：济南某公司生产。上述材料的化学组成见表1。

表1?矿物掺合料的化学组成 （%）

骨料：40~70目石英砂，市售；70~120目石英砂，市售。

钢纤维：波纹型，长度14?mm，直径0.2?mm，抗拉强度1?800?MPa，山东某公司生产。

外加剂：聚羧酸粉减水剂 PC1701，山东某公司生产。

1.2?试件制备。 在制备砂浆试件时，原材料应提前24?h运入试验室。拌合时试验室温度应保持在20±5℃。试验用试件的尺寸为40?mm×40?mm×160?mm。搅拌砂浆采用JJ-5型水泥胶砂搅拌机，搅拌时间为240?s。

1.3?试验要求及方法。 按GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检测方法（ISO 法）》的规定进行搅拌和养护成型；抗压强度试验参照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行，试验仪器采用TYE-300B型压力试验机；按GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检测方法（ISO 法）》进行抗折强度试验，试验仪器采用YDW-20型抗折试验机。

2?结果与分析

2.1?粉煤灰对钢纤维灌浆料性能的影响。 掺加粉煤灰可改善砂浆和易性、提高砂浆强度和耐久性，因其有良好的保水性和抑制砂浆干缩等优点，已被广泛地应用于砂浆中。Cengiz Duran Atis的研究结果表明，尽管粉煤灰的替代降低了钢纤维混凝土的强度性能，但它改善了钢纤维混凝土的和易性，减少了干缩，提高了钢纤维混凝土的抗冻融性能；在掺加粉煤灰后，粉煤灰砂浆的性能与硅酸盐水泥砂浆性能相似，降低了工程成本。 在标准钢纤维灌浆料的基础上掺加粉煤灰，以粉煤灰占总胶凝材料的0 % 、5%、10%、15%进行试验，测试钢纤维灌浆料的流动度、抗压强度和抗折强度等各项性能。试验配合比见表2。

表2?粉煤灰掺量试验配合比 （%）

  由粉煤灰掺量对钢纤维灌浆料流动度、抗压强度和抗折强度影响的试验结果可得出如下结论。

（1）粉煤灰掺量从0 % 增加至15%时，钢纤维灌浆料的初始流动度减小了11.6%；30?min流动度减小了26.1%，均呈减小趋势。粉煤灰掺量超过5%时，初始流动度和30?min流动度损失较明显。掺量超过7.5%时，流动性损失严重，30?min流动度无法满足规范要求。掺量超过10%时砂浆表面泛黑，状态变差。 （2）粉煤灰掺量从0 % 增加至15%时，砂浆的1?d抗压强度最大差值为4?MPa，掺量为10%时达到峰值69?MPa，增加6.2 %；3?d抗压强度最大差值为7 MPa，掺量为10%时达到峰值88?MPa，增加8.6%；28?d抗压强度最大差值为9?MPa，掺量10%时达到峰值112?MPa，增加8.7%。由此可见，随粉煤灰掺量的增加，砂浆抗压强度先增加后降低，掺量10%为最佳掺量。1?d 、 3?d 、 28?d的抗压强度最大差值逐级递增，说明粉煤灰对砂浆抗压强度后期影响更大。 （3）粉煤灰掺量从0增加至15%时，砂浆的1?d抗折强度最大差值为0.5?MPa，掺量为10%时达到峰值8.1?MPa，增加6.6%；3?d抗压强度最大差值为1?MPa，掺量为10%时达到峰值15?MPa，增加7.1%；28?d抗压强度最大差值为2.1?MPa，掺量为10%时达到峰值23.6?MPa，增加9.8%。由此可见，随粉煤灰掺量增加，砂浆抗折强度先增加后降低，掺量10%左右为最佳掺量。1?d 、 3?d 、 28?d的抗压强度最大差值同样为逐级递增，粉煤灰对砂浆抗折强度后期影响大于前期。与掺加5%粉煤灰相比，未掺加粉煤灰的砂浆1?d、3?d、28?d的抗折强度分别增加2.6%、2.1%、1.9%，可见少量掺加粉煤灰对抗折强度影响较小。

2.2?超细矿粉对钢纤维灌浆料性能的影响。 在水泥基材料中掺加超细矿粉，能显著促进水泥基材的早龄期水化，超细矿粉在早龄期时就起到了细化浆体孔结构、提高密实度的作用，适当的碱性环境可促进超细矿粉与其他掺合料的水化反应。 在标准钢纤维灌浆料的基础上掺加超细矿粉，以超细矿粉占总胶凝材料的0 % 、5%、 10%、15%进行试验，对钢纤维灌浆料的流动度、抗压强度和抗折强度等各项性能进行测试。 试验配合比见表3。

表3?超细矿粉掺量试验配合比 （%）

从超细矿粉掺量对钢纤维灌浆料流动度、抗压强度和抗折强度影响的试验结果可得出如下结论。

（1）超细矿粉掺量从0 % 增加至15%时，钢纤维灌浆料的初始流动度减小了14.6%，30?min流动度减小了21.4%，均呈减小趋势；超细矿粉掺量超过5%时流动性较差，初始流动度无法满足规范要求；掺量超过6%时流动性损失严重，30?min流动度无法满足规范要求。 （2）超细矿粉掺量从0 % 增加至15%时，砂浆的1?d抗压强度最大差值为7?MPa，掺量5%时达到峰值72?MPa，增加10.8%；3?d抗压强度最大差值为8?MPa，掺量为5%时达到峰值89?MPa，增加9.9%；28?d抗压强度最大差值为5?MPa，掺量为5%时达到峰值108?MPa，增加4.9%。由此可见，随超细矿粉掺量增加，砂浆抗压强度先增加后降低，5%为最佳掺量。1?d、3?d、28?d的抗压强度变化率逐级递减，说明超细矿粉对砂浆抗压强度前期影响更大。 （3）超细矿粉掺量从0 % 增加至15%时，砂浆的1?d抗折强度最大差值为0.8?MPa，掺量为5%时达到峰值8.4?MPa，增加10.5%；3?d抗压强度最大差值为1.6?MPa，掺量为5%时达到峰值15.6?MPa，增加11.4%；28?d抗压强度最大差值为1.1?MPa，掺量为5%时达到峰值22.6?MPa，增加5.1%。由此可见，随超细矿粉掺量增加，砂浆抗折强度先增加后降低，5%左右为最佳掺量。1?d、3?d、28?d的抗压强度变化率先增加后减小，超细矿粉对砂浆抗折强度前期影响大于后期，恰与粉煤灰对砂浆抗折强度的影响相反。

2.3?硅灰对钢纤维灌浆料性能的影响。 硅灰活性较好，掺入钢纤维灌浆料后能很好地改善灌浆料的性能，提高工程质量，延长使用寿命。在低水胶比时掺入硅灰，水泥石中的微结构主要由结晶不良的水化物形成低孔隙率的更致密的基质构成；在硅酸盐水泥中掺入硅灰，水化物中Ca?/Si?减小，水化物能与其他离子结合，提高水泥石抗离子侵入，抑制碱–骨料反应的能力提高。 在标准钢纤维灌浆料的基础上掺加硅灰，以硅灰占总胶凝材料的0 %、 5%、10%、15%进行试验，对钢纤维灌浆料的流动度、抗压强度和抗折强度等各项性能进行测试，试验配合比见表4。

表4?硅灰掺量试验配合比 （%）

从硅灰掺量对钢纤维灌浆料流动度、抗压强度和抗折强度影响的试验结果可得出如下结论。

（1）硅灰掺量从0 % 增加至15%时，钢纤维灌浆料的初始流动度先增加后减小，掺量为10%时达到峰值343?mm，比未掺加硅灰增长4.6%，最大差值为26?mm；30?min流动度先增加后减小，掺量为10%时达到峰值316?mm，最大差值为38?mm；硅灰掺量超过12.5%时流动性较差，初始流动度无法满足规范要求；掺量超过14.5%时流动性损失严重，30?min流动度无法满足规范要求。 （2）硅灰掺量从0%增加至15%时，砂浆的1?d抗压强度增加18?MPa，增长27.7%；3?d抗压强度增加16?MPa，增长19.8%；28?d抗压强度增加14?MPa，增长13.6%。由此可见，随硅灰掺量增加，砂浆抗压强度不断提高。1?d、3?d、28?d的抗压强度变化率逐级递减，说明硅灰对砂浆抗压强度的前期影响大于后期。 （3）硅灰掺量从0%增加至15%时，砂浆的1?d抗折强度最大差值为1.5?MPa，掺量为5%时达到峰值8.1?MPa，增加6.6%；3?d抗压强度最大差值为2.0?MPa，掺量为5%时达到峰值14.6?MPa，增加4.3%；28?d抗压强度最大差值为2.7?MPa，变化为掺量5%时达到峰值22.2?MPa，增加3.2%。由此可见，随硅灰掺量增加，砂浆抗折强度先增加后降低，掺量为5%时达到峰值；超过5%时抗折强度不断降低。

2.4?微珠对钢纤维灌浆料性能的影响。 微珠具有活性高、水化热低、抗压强度高、流动性好和热稳定性好等优点，能改善砂浆的性能。 高雅静等研究了微珠在高性能砂浆混凝土中的应用，结果表明微珠粒径小、减水性好、活性高、填充性佳且需水量很小，是超高性能砂浆混凝土中 的重要组分，可显著提高砂浆混凝土的流动性，大幅降低超高性能砂浆混凝土的粘度，减小砂浆混凝土泵送阻力。 在标准钢纤维灌浆料的基础上掺加微珠，以微珠占总胶凝材料的0%、5%、10%、15%进行试验，对钢纤维灌浆料的流动度、抗压强度和抗折强度等各项性能进行测试，试验配合比见表5。

表5?微珠掺量试验配合比（%）

从微珠掺量对钢纤维灌浆料流动度、抗压强度和抗折强度影响的试验结果可得出如下结论。

（1）微珠掺量从0%增加至15%时，钢纤维灌浆料的初始流动度增加了5.2%；30min流动度增加了12.2%，均呈增加趋势；但当微珠掺量超过10%时，浆体表面泛黑严重，无法满足规范要求。 （2）微珠掺量从0%增加至15%时，砂浆的1d抗压强度增加7?MPa，增长10.8%；3?d抗压强度增加8?MPa，增长9.9%；28?d抗压强度增加6?MPa，增长5.8%。由此可见，随微珠掺量增加，砂浆抗压强度呈缓慢增长趋势，但增长速度低于掺加硅灰时的砂浆抗压强度。 （3）微珠掺量从0%增加至15%时，砂浆的1?d抗折强度最大差值为0.2?MPa；3?d抗压强度最大差值为0.4?MPa；28?d抗压强度最大差值为0.3?MPa。由此可见随微珠掺量增加，砂浆抗折强度基本保持不变。

3?结论

（1）在钢纤维灌浆料中掺加粉煤灰、超细矿粉、硅灰、微珠四种矿物掺合料，对钢纤维灌浆料性能影响程度大小依次为：硅灰＞超细矿粉＞粉煤灰＞微珠。 （2）提高微珠掺量会增加钢纤维灌浆料的流动度；提高粉煤灰、超细矿粉掺量会降低钢纤维灌浆料的流动度；提高硅灰掺量，钢纤维灌浆料的流动度先增加后减小；微珠及粉煤灰掺量超过一定数值后，浆体表面泛黑，会影响正常使用。 （3）提高粉煤灰、超细矿粉掺量，钢纤维灌浆料抗压强度先增加后降低。提高硅灰、微珠掺量，钢纤维灌浆料抗压强度缓慢增加；粉煤灰对后期强度贡献大；超细矿粉对前期强度贡献大。 （4）提高粉煤灰、超细矿粉、硅灰掺量，钢纤维灌浆料抗折强度先增加后降低；提高微珠掺量，钢纤维灌浆料抗折强度基本保持不变。