摘要: 本文选用钢纤维和聚丙烯纤维两种常见纤维开展试验，通过测试砂浆的力学性能、粘结劈拉强度等指标，探究纤维对砂浆性能的影响规律及其作用机理。结果表明，适量掺入纤维可显著提升砂浆的综合性能。当钢纤维掺量为1.5%时，砂浆的28天抗压、抗折强度分别较空白组提高8.35%、87.00%，力学性能增强效果最佳。钢纤维掺量为2.0%时，砂浆粘结劈拉强度达到峰值，相比空白组提升207.84%。与钢纤维相比，聚丙烯纤维对砂浆的性能改善幅度较小，掺量为0.2%时，砂浆的抗压及抗折强度达到最大值。分析可知，纤维主要通过桥联作用和阻裂作用改善砂浆性能，但过量掺入会引起纤维团聚，导致砂浆基体缺陷增多、性能降低。此外，钢纤维可增大砂浆–混凝土界面摩擦阻力和机械咬合力，从而提高砂浆粘结性能。
Abstract: In this paper, two common fibers, steel fiber and polypropylene fiber, are selected to carry out experiments. By testing the mechanical properties of mortar, bond splitting strength and other indicators, the influence of fiber on the performance of mortar and its mechanism are explored. The results show that the appropriate amount of fiber can significantly improve the comprehensive properties of mortar. When the steel fiber content is 1.5%, the 28-day compressive strength and flexural strength of mortar are increased by 8.35% and 87.00%, respectively, compared with the blank group, and the mechanical properties are enhanced best. When the steel fiber content is 2.0%, the adhesive splitting tensile strength of mortar reaches the peak value, which is 207.84% higher than that of blank group. Compared with steel fiber, polypropylene fiber can improve the performance of mortar less. When the content is 0.2%, the compressive strength and flexural strength of mortar reach the maximum. The analysis shows that fiber can improve the performance of mortar mainly through bridging and crack inhibition, but excessive incorporation will cause fiber agglomeration, resulting in increased defects and reduced performance of mortar matrix. In addition, steel fiber can increase the friction resistance and mechanical bite force of mortar - concrete interface, so as to improve the bond property of mortar.
1. 引言
近年来，混凝土预制构件因其生产周期短、施工效率高、质量稳定可控、节能环保等优势在现代建筑领域得到了广泛应用。粘结砂浆作为预制构件基体连接、预制构件修复、接缝填充等工程的关键材料，其性能优劣显著影响预制构件工程的安全性及耐久性，在预制构件应用中发挥着至关重要的作用[1]。然而，现有粘结砂浆仍存在粘结强度低、抗裂性能差等问题，限制了预制构件的进一步推广和应用。掺加纤维是水泥基材料研究中常用的增强增韧方法，可以有效改善粘结砂浆性能，从而制备预制构件用高强抗裂粘结砂浆[2] [3]。
水泥基材料中常用纤维为钢纤维和聚丙烯纤维。国内外学者已围绕纤维增强水泥基材料这一课题开展了许多研究。任亮[4]等人研究发现，掺加钢纤维对UHPC与水泥基材料之间的界面粘结性能影响显著，二者呈正相关关系。贾方方[5]等人采用粘结劈裂抗拉实验研究了钢纤维掺量对RPC-NC组合结构界面粘结性能的影响，研究表明，RPC中钢纤维掺量增加，RPC-NC界面的粘结劈拉强度也随之增大。李英丁[6]等人研究了聚丙烯纤维长度和掺量对高强砂浆的性能影响，结果表明，掺加聚丙烯纤维可以提升砂浆的力学性能，降低砂浆的工作性能，聚丙烯纤维的最佳长度是6~10 mm。综上所述，掺加纤维可以有效改善水泥基材料的韧性、抗裂性能和粘结性能。但现有的纤维增强水泥基材料研究主要集中于超高性能混凝土领域，而对于纤维在粘结砂浆中的应用研究较少。
本文以自研高强抗裂粘结砂浆为基础，采用宏观力学性能试验、粘结劈裂抗拉试验等方法，探究不同纤维及其掺量对高强抗裂粘结砂浆的性能影响规律，分析其作用机理。本文旨在为高强抗裂粘结砂浆的性能优化及工程应用提供理论指导，有利于改善预制构件的连接质量、提高结构的整体性能，对推动建筑工业化的发展具有重要意义。
2. 原材料及试验方法
2.1. 原材料
试验所用水泥为P·O 52.5普通硅酸盐水泥，28 d抗压强度58.7 MPa，山东山水集团有限公司生产。
所用硅灰为SF95级，其中粒径0.5~1.0 μm占83.25%，SiO2含量95%，比表面积比为23,100 m2/kg。
所用粉煤灰为I级灰，细度(45 μm方孔筛筛余)为8.0%，烧失量1.8%，需水量比92%，山东顺科建材科技有限公司生产。
所用石英砂为水洗烘干石英砂，20~40目及40~80目，临沂鑫鑫石英砂有限公司生产。
所用钢纤维为镀铜平直型钢纤维，长度为11 mm~14 mm，直径为0.20 mm，抗拉强度为2860 MPa，上海园湖金属制品有限公司生产。
所用聚丙烯纤维长度6 mm，直径32 μm，密度为910 kg/m3，抗拉强度475 MPa，弹性模量4352 MPa，山东泰诚纤维有限公司生产。
所用减水剂为PCA-1聚羧酸高性能减水剂，减水率26%，固含量为25%，江苏苏博特新材料股份有限公司生产。
所用拌合用水为自来水，济南市生产。
2.2. 配合比设计
本试验中，胶凝材料、矿物掺合料、细骨料、外加剂及水采用固定配比法。纤维掺量采用外掺法，以体积掺量计算具体掺量。其中，聚丙烯纤维的体积掺量分别为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%，钢纤维的体积掺量分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。高强抗裂粘结砂浆基础配合比具体如表1所示。
Table 1. Mix ratio of high strength crack resistant bonded mortar foundation
表1. 高强抗裂粘结砂浆基础配合比
| 原材料 |
水泥 |
粉煤灰 |
硅灰 |
石英砂(20~40目) |
石英砂(40~80目) |
减水剂 |
水 |
| 配合比 |
600 |
150 |
150 |
400 |
700 |
15 |
200 |
2.3. 试验方法
1) 力学性能测试
高强抗裂粘结砂浆力学性能按照GB/T 17671-2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》测试。试块尺寸为40 × 40 × 160 mm，砂浆搅拌完成后，浇筑入模，在室温下养护24 h后脱模，然后放入标准养护室中养护至规定龄期后取出，采用抗压抗折一体机测试砂浆的3 d、28 d抗压及抗折强度试验。
2) 粘结性能测试
高强抗裂粘结砂浆粘结性能按照GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试。满足养护龄期的C50立方体混凝土抗压试块劈成约150 mm × 150 mm × 75 mm的试块，将其置于150 mm × 150 mm × 150 mm立方体标准试模中，将拌合好的粘结砂浆水平浇筑入模，在室温下养护24 h后脱模，放入养护室中养护至28 d后取出，测试其粘结劈拉强度。
3. 结果与分析
3.1. 不同纤维掺量对高强抗裂粘结砂浆力学性能的影响
砂浆的力学性能主要由抗压强度及抗折强度表征。不同纤维掺量下，掺钢纤维与聚丙烯纤维的各高强抗裂粘结砂浆抗压强度试验结果如图1所示，抗折强度试验结果如图2所示。
Figure 1. Effect of fiber content on compressive strength of high strength cracking bond mortar
图1. 纤维掺量对高强抗裂粘结砂浆抗压强度的影响
由图1可知，掺加纤维时，砂浆抗压强度整体呈现先增大后减小的趋势。其中，钢纤维掺量为1.5%时砂浆的3 d和28 d抗压强度均达到最大值，分别为66.5 MPa、93.4 MPa，相比空白组3 d和28 d抗压强度增长了14.07%、8.35%。继续增加钢纤维掺量，砂浆3 d和28 d抗压强度相比峰值下降了3.30%、4.07%，但仍高于空白组。聚丙烯纤维对于砂浆抗压强度的改善效果明显弱于钢纤维，掺加聚丙烯纤维，砂浆的抗压强度变化趋势较为平缓。与空白组相比，掺加0.20%聚丙烯纤维时，砂浆的3 d和28 d抗压强度达到峰值，分别提升了5.49%、4.88%。继续提升聚丙烯纤维掺量，砂浆的抗折强度下降幅度较小，掺量为0.4%时，相比峰值3 d和28 d抗压强度分别下降了3.41%、3.21%。
Figure 2. Effect of fiber content on flexural strength of high strength cracking bond mortar
图2. 纤维掺量对高强抗裂粘结砂浆抗折强度的影响
由图2可知，掺加两种纤维后，高强抗裂粘结砂浆的抗折强度均呈现先提高后降低的趋势。其中，掺加钢纤维后，砂浆抗折强度上升趋势显著，纤维掺量1.5%时，抗折强度达到最大，相比空白组3 d和28 d抗折强度分别增加103.57%、87.64%。随着掺量继续提高，抗折强度出现较小降幅，掺量为2.0%时，砂浆28 d抗折强度为16.1 MPa，相比1.5%掺量时降低了3.59%。与钢纤维相比，掺加聚丙烯纤维后，砂浆抗折强度的变化幅度更小。当聚丙烯纤维掺量从0%增加到0.2%时，砂浆28 d抗折强度提升了55.06%，但掺量从0.2%增加到0.4%时，砂浆28 d抗折强度降低了10.87%。对比图1和图2，结果表明，一定范围内纤维在砂浆中存在最佳掺量，钢纤维掺量为1.5%，聚丙烯纤维掺量为0.2%时，砂浆的抗压及抗折强度达到峰值。
掺加不同纤维后砂浆抗压及抗折强度均先上升后下降的原因可能是由于适量纤维的掺加在砂浆基体中形成了三维网络结构，在砂浆试块受到应力破坏时，纤维可以发挥其桥联作用、阻裂作用，对砂浆内裂缝的产生及扩展存在抑制作用，宏观表现为砂浆力学性能提升。其中，钢纤维和聚丙烯纤维分别通过弯折和拔出、变形断裂和拔出等形式减缓应力集中，改善砂浆性能。与钢纤维相比，聚丙烯纤维的弹性模量和抗拉强度均远小于钢纤维，因此掺加聚丙烯纤维后砂浆的性能提升幅度较小[7]。但聚丙烯纤维和钢纤维掺量过高时，纤维分散困难，易产生团聚现象，砂浆稠度也随之增大，促使砂浆中缺陷增多，断面应力分布不均，宏观表现为力学性能有所降低[8] [9]。
3.2. 不同纤维掺量对高强抗裂粘结砂浆粘结劈拉强度的影响
高强抗裂粘结砂浆常用于新旧混凝土基体的连接，其粘结性能对预制构件之间的连接的耐久性及安全性具有重要影响。不同纤维掺量对高强抗裂粘结砂浆28 d粘结劈拉强度的影响如图3所示。
Figure 3. Effect of fiber content on bond splitting tensile strength of high strength anti-cracking mortar
图3. 纤维掺量对高强抗裂粘结砂浆粘结劈拉强度的影响
由图3可知，随钢纤维体积掺量增加，高强抗裂粘结砂浆的粘结劈拉强度逐渐提高。钢纤维掺量从0.5%提升到1.5%的过程中，粘结劈拉强度提升幅度较大。钢纤维掺量0.5%、1.0%、1.5%时砂浆的28 d粘结劈拉强度分别为1.98 MPa、2.41 MPa、3.02 MPa，相比空白组分别提高了94.12%、136.27%、196.08%。钢纤维掺量从1.5%提升至2.0%时，粘结劈拉强度增长较小，2.0%掺量时砂浆粘结劈拉强度达到峰值，粘结劈拉强度为3.14 MPa。相比1.5%掺量时仅提升3.97%。与钢纤维相比，掺加聚丙烯纤维的砂浆粘结劈拉强度增长幅度较小。聚丙烯纤维掺量为1.0%时，与空白组相比粘结劈拉强度提升了45.10%。继续增加聚丙烯纤维掺量，砂浆的粘结劈拉强度增长缓慢，甚至有所下降。掺量为0.3%时，砂浆的最大粘结劈拉强度为1.72 MPa。掺量从0.3%增加至0.4%时，与峰值相比，0.4%掺量时砂浆粘结劈拉强度下降了1.74%。
从图3可以看出，与聚丙烯纤维相比，掺钢纤维的砂浆粘结劈拉强度提升更为显著。这一方面可能是因为钢纤维的掺加有效减小了砂浆的收缩率，降低由此产生的收缩应力，有利于粘结强度提升。另一方面，钢纤维在砂浆中呈现二维乱向分布，可以在高强抗裂粘结砂浆中发挥“协同粘结”效果，砂浆浇筑至预制混凝土试块上后，钢纤维的末端可以嵌入预制混凝土表面，相互搭接，为高强抗裂粘结砂浆–预制混凝土界面提供更强的机械咬合力和摩擦阻力，宏观表现为砂浆粘结劈拉强度显著提升[10] [11]。与钢纤维相比，聚丙烯纤维在砂浆中也存在类似的减小收缩和“协同粘结”作用，但聚丙烯纤维难以嵌入预制混凝土表面，对界面粗糙化程度贡献有限，产生的摩擦阻力和锚固力也较差，因此砂浆的粘结劈拉强度提升幅度较小[12]。
Figure 4. Fracture failure of high-strength crack resistant bonding mortar with steel fiber
图4. 掺钢纤维的高强抗裂粘结砂浆劈裂破坏形态
掺加钢纤维的高强抗裂粘结砂浆的劈拉破坏形态如图4所示，通过观察砂浆的破坏形态可以佐证上述机理分析。如图4所示，高强抗裂粘结砂浆与预制混凝土基体劈拉破坏后，仍有部分钢纤维深埋于预制混凝土基体表面，且与预制混凝土基体粘结良好，从而有效提升了砂浆与混凝土基体的界面粘结强度，这表明钢纤维与高强抗裂粘结砂浆的适应性最佳，应选用1.5%~2.0%掺量的钢纤维制备高强抗裂粘结砂浆。
4. 结论
本文主要结论如下：
1) 掺入两种纤维后砂浆力学性能均呈现先增加后减小的趋势。对砂浆力学性能而言，钢纤维和聚丙烯纤维的最佳掺量分别为1.5%、0.2%。
2) 砂浆粘结劈拉强度随钢纤维掺量增加而增大，掺入钢纤维对砂浆粘结劈拉强度的提升幅度显著优于聚丙烯纤维，两者的最佳掺量分别为2.0%、0.3%。
3) 纤维对砂浆性能的改善主要是通过桥联和抗裂作用实现的，但掺量过高时会产生团聚，导致砂浆缺陷增多，性能降低。与聚丙烯纤维相比，钢纤维更有利于砂浆-混凝土界面机械咬合力及摩擦阻力的提升，宏观表现为粘结性能更优。