1. 引言
水泥基复合材料如砂浆、混凝土等被广泛应用于建筑行业，但是由于一些固有缺陷，比如抗拉强度较低、延性较差、脆性较大等使其在工程应用中受到了很多的局限。通过掺入纤维和矿物掺合料为上述不足提供了改善途径。
混杂纤维水泥基复合材料是将两种或两种以上不同性能的纤维复合掺入到水泥基胶凝材料中，通过纤维的混杂效应对砂浆、混凝土等水泥基复合材料的力学性能、耐久性等进行优化，进一步扩展其在工程上的应用范围 [1] [2] [3]。纤维混杂方法包括不同长度、直径、模量和拉伸强度的纤维组合。由于纤维的大小不同，具有小尺寸的纤维会弥合微裂纹，而较大的纤维则可以阻止宏观裂纹的扩展。控制微裂纹和宏观裂纹分别会提高复合材料的强度并显著改善其断裂韧性 [1] [4]。对基于不同模量的纤维混杂研究发现，更坚硬的纤维提供了首个开裂应力和极限强度，而相对柔韧性的纤维则提高了后裂区的韧性和应变能力 [5]。因此，混杂纤维可以有效改善水泥基材料的抗压和抗折强度等力学性能 [6] [7] [8]。
在混凝土中掺入工业废渣或天然矿物质作为掺合料有着悠久历史，近年来，随着绿色高性能混凝土的发展，矿物掺合料与水泥、骨料、水以及外加剂一样受到广泛重视，被称为混凝土的第六组分。混凝土中掺入粉煤灰等矿物掺合料一般可以大量消耗工业废渣，减少其造成的环境污染以及土地占用的问题，另一方面，可以减少水泥用量从而降低能耗和节约资源，降低混凝土生产成本 [9]。对矿物掺合料的研究发现，一些天然矿物掺合料和工业废渣有利于改善混凝土的诸多性能，如工作性、力学性能和耐久性等 [10] [11]。
综上所述，目前针对混杂纤维对混凝土性能的影响、矿物掺合料对混凝土性能的影响已有大量研究成果，但是同时考虑混杂纤维和矿物掺合料对水泥基材料性能的影响的相关报道并不多见，因此，本研究将玻璃纤维和聚丙烯纤维混杂，并用不同比例的粉煤灰、硅灰和矿粉替代水泥，对混杂纤维和矿物掺合料共同作用对砂浆的力学性能的影响进行试验研究。
2. 试验材料及试块制备
2.1. 原材料
试验所用水泥为哈尔滨亚泰水泥厂生产的P.O42.5水泥，水泥的物理力学性能见表1，矿物掺合料包括一级粉煤灰、硅灰和矿粉。水泥、粉煤灰、硅灰和矿粉的化学成分见表2。试验用砂采用自然河沙，细度模数为2.66。试验中所掺纤维为玻璃纤维和聚丙烯纤维，纤维的形貌见图1，纤维的主要物理参数见表3。
Table 1. Physical and mechanical properties of cement
表1. 水泥的物理力学性能
Table 2. Chemical composition of cement, fly ash, silica fume and mineral powder
表2. 水泥、粉煤灰、硅灰和矿粉的化学组成
(a) 玻璃纤维 
(b) 聚丙烯纤维
Figure 1. Appearance of fibers
图1. 纤维的外观形貌
Table 3. Main parameters of glass fiber and polypropylene fiber
表3. 玻璃纤维和聚丙烯纤维的主要参数
2.2. 配合比设计及试件制备
本试验中玻璃纤维和聚丙烯纤维按照不同比例混杂，纤维总掺量为2% (按体积分数计算)，设置不掺纤维的对照组M1作为对比。胶凝材料总用量为350 kg/m3，矿物掺合料为粉煤灰、硅灰和矿粉，按不同比例替代水泥，详细配合比如表4所示。试件尺寸为40 mm × 40 mm × 160 mm，每组制备6个试块。图2显示了砂浆的部分制备过程。将原材料放入砂浆搅拌机(图2(a))，搅拌均匀后入模(图2(b))并振捣均匀 (图2(a))。室温养护24 h后脱膜，放入水中养护至规定龄期进行力学性能测试，试验程序按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T70-2009)进行。
(a) 砂浆搅拌机 
(b) 砂浆入模 
(c) 砂浆振动台
Figure 2. Preparation process of mortar
图2. 砂浆制备过程
3. 结果与讨论
3.1. 抗折强度
砂浆7 d和28 d抗折强度试验结果分别如表5、图3和图4所示。图3为砂浆7 d龄期的抗折强度，通过图3可知，砂浆7 d抗折强度值呈现先增加后降低的趋势，但掺入2%的单掺玻璃纤维或混杂纤维后，7 d抗折强度都得到显著改善，明显高于M1组的1.77 MPa。其中M4的抗折强度达到最大值5.8 MPa，相比于M1提高了227.7%。
图4为砂浆28 d龄期的抗折强度，通过图4可知，掺入纤维对砂浆28 d抗折强度改善效果同样非常显著，且28 d龄期抗折强度的变化趋势与7 d龄期完全相同，最大值M4的抗折强度达到7.23 MPa，相对于M1的3.21增幅达到125.2%。即掺入纤维对砂浆抗折强度的改善效果显著。这是因为混杂的玻璃纤维和聚丙烯纤维均匀的分布在砂浆基体中，形成的三维网状结构能够限制砂浆的基体内裂缝的产生和扩展，改变裂缝的方向并阻止裂缝的二次扩展，进而延缓裂缝的发展速率。分别对比M2和M3、M5和M6的抗折强度可知，在纤维掺量种类和混杂比例相同的情况下，无论7 d还是28 d龄期，M3的抗折强度值都大于M2，M5的值都大于M6，此时矿粉掺量相同，即掺入5%硅灰的效果优于40%的粉煤灰，5%硅灰 + 30%粉煤灰的效果优于50%粉煤灰。可知M2和M6中粉煤灰已超过适宜掺量。M4中的20%为本试验中粉煤灰最适宜掺量。M4中玻璃纤维和聚丙烯纤维的混杂比例以及粉煤灰、硅灰、矿粉的掺入比例为本试验中综合考虑纤维混杂效应和矿物掺合料掺入比的最优掺量。
Table 5. Test results of flexural strength
表5. 抗折强度测试结果
3.2. 抗压强度
砂浆7 d和28 d抗压强度试验结果分别如表6、图5和图6所示。图5为砂浆7 d龄期的抗压强度，通过图5可知，M2的7 d抗压强度小于M1，相比M1降低了47.4%，其他组的7 d抗压强度值都明显高于不掺纤维的M1的值。砂浆7 d龄期的抗压强度最大值发生在M4组，为68.9 MPa，是M1的15.33 MPa的4.49倍。
图6为砂浆28 d龄期的抗压强度，通过图6可知，M2的28 d抗压强度同样小于M1，相比M1降低了47.1%。对比M1、M2、M3的抗压强度值可知，M3的抗压强度大于M1，及M2强度值的降低并不是掺入2%的玻璃纤维造成，而是矿物掺合料的影响，即矿粉由30%降低为15%，同时粉煤灰由30%增加到40%造成的。即此时矿物掺合料的掺入比例造成了矿物掺合料的“负混掺效应”，抵消了玻璃纤维掺入的正增强效应。
掺入纤维后，砂浆的抗压强度先增加后降低，M4的28 d的抗压强度值最大，为81.86 MPa，是对照组M1强度值的3.17倍。
Table 6. Compressive strength test results
表6. 抗压强度测试结果
4. 结论
1) 掺入混杂玻璃纤维和聚丙烯纤维，以及粉煤灰、硅灰和矿粉等矿物掺合料对砂浆的强度特性都有显著影响。
2) 掺入不适宜比例的矿物掺合料，会造成矿物掺合料的“负混掺效应”抵消掺入纤维的正增强效应。造成砂浆抗压强度的降低。
3) 本试验中M4的28 d抗折强度和抗压强度分别是7.23 MPa和81.86 MPa，分别是对照组M1的2.25倍和3.17倍。综合考虑混杂纤维和矿物掺合料作用下混杂纤维增强砂浆的强度改善效果，M4为最优配合比。
基金项目
省级大学生创新训练计划项目(编号：S202010225101)。
NOTES
*通讯作者。