聚丙烯纤维对聚合物防水砂浆抗裂和拉伸性能的影响

Influence of Polypropylene Fibers on Crack Resistance and Tensile Properties of Polymer Waterproof Mortar

摘要

为了揭示聚丙烯纤维（PPF）对聚合物防水砂浆的增强机理，对砂浆的流动度、孔隙率、结构、抗裂性能、拉伸性能进行测试及表征。结果表明：随着PPF含量的增加，砂浆流动度不断降低，孔隙率先降低后增加，水化产物不断增加，密实度先增加后降低。PPF提高了砂浆的抗裂性能和拉伸性能。加入PPF后，砂浆面板初始开裂时间变长，裂纹明显减少，裂纹长度、宽度和裂纹间距减小，主裂纹和裂纹面积的增长曲线向下平移。PPF抑制了拉伸荷载下的应变集中，使砂浆初裂拉伸强度（σ_s）和极限拉伸强度（σ_max）提高。当PPF质量分数为0.4%时，砂浆的性能最优，与未加PPF的砂浆相比，流动度仅降低9 mm，而28 d裂纹条数和28 d裂纹面积分别降低36.4%和74.1%，σ_s和σ_max提高78.6%和46.4%。

Abstract

To reveal the reinforcement mechanism of polypropylene fiber (PPF) on polymer waterproof mortar, the fluidity, porosity, structure, crack resistance, and tensile properties of the mortar were tested and characterized. The results showed that with increasing PPF content, the mortar fluidity continuously decreased, the porosity first decreased and then increased, the hydration products continuously increased, and the compactness first increased and then decreased. PPF improved the crack resistance and tensile performance of the mortar. After adding PPF, the initial cracking time of the mortar panel was prolonged, the cracks were significantly reduced, and the crack length, width, and crack spacing decreased. The growth curves of the main cracks and crack area shifted downward. PPF inhibited strain concentration under tensile loading, leading to increased initial cracking tensile strength (σ_s) and ultimate tensile strength (σ_max). When the PPF mass fraction was 0.4%, the mortar performance was optimal. Compared with the mortar without PPF, the fluidity only decreased by 9 mm, while the 28 d crack number and 28 d crack area decreased by 36.4% and 74.1%, respectively, and σ_s and σ_max increased by 78.6% and 46.4%, respectively.

Graphical abstract

关键词

聚丙烯纤维 / 聚合物防水砂浆 / 增强机理 / 抗裂性能 / 拉伸性能

Key words

PPF / Polymer waterproof mortar / Enhancement mechanism / Crack resistance properties / Tensile properties

聚丙烯纤维(PPF)是一种综合性能优异的合成塑料纤维，具有质轻、柔韧性好、耐酸碱腐蚀性强以及抗拉强度良好等优点，在土壤^[1-2]、石膏^[3]和水泥基材料^[4-6]的增强改性中均有应用。与碳纤维、玄武岩纤维、钢纤维等相比，PPF价格更低；与玻璃纤维相比，其耐碱性更强^[7-9]。因此，PPF凭借高性价比在混凝土、砂浆等水泥基材料领域展现出巨大潜力^[10-12]。苏小陆等^[13]研究PPF对混凝土流变性和力学性能的影响，结果表明：PPF降低了混凝土拌合物的流动性，但提高了抗压强度、劈裂抗拉强度和拉压比；当PPF配合比为0.9 kg/m³时，混凝土力学性能最佳。覃源等^[14]研究PPF在再生砂浆中的实用性，结果表明：PPF通过桥接和拉伸作用提高了再生砂浆的韧性和力学性能。

聚合物防水砂浆(PWM)被广泛用于屋面、卫生间、水利、地下建筑等防水工程^[15-17]。然而，作为水泥基材料，传统PWM在使用中仍存在脆性大、易开裂、拉伸性能差等突出问题，这不仅严重影响防水效果，还会降低工程的整体耐久性^[18-19]。为提高砂浆的综合性能，研究人员开展大量探索，其中掺入纤维被证明是有效方法^[20-22]。林志芬^[23]研究PPF对砂浆稠度、保水率、力学性能和抗开裂性的影响，结果表明：PPF降低了砂浆的稠度，保水率变化较小，拉伸黏结强度先增后减，抗收缩开裂性能不断提高。然而，现有研究多基于宏观指标或砂浆破坏后的状态进行评价，难以揭示纤维对砂浆性能的深层增强机理^[24-25]。

鉴于此，本研究通过测试PWM的流动度、孔隙率，同时采集抗裂和拉伸性能测试过程中的动态数据，深入分析PPF含量对PWM水化过程和微观结构的影响规律，揭示PPF增强PWM抗裂性能和拉伸性能的机理，为PPF在PWM中的合理应用提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

普通硅酸盐水泥，P·O 42.5，江苏南方水泥有限公司；石英砂，细度模数2.6，天津红桥区天保浩通石料加工厂；乙烯乙酸乙烯酯胶粉(EVA)，工业级，质量分数98%，沈阳兴正和化工有限公司；羟丙基甲基纤维素(HPMC)，黏度100 000 mPa·s，工业级，质量分数99%，山东诚新化工科技有限公司；PPF，长度9 mm，直径15~20 μm，密度0.91 g/cm³，抗拉强度大于500 MPa，断裂伸长率为15%，山东泰诚纤维有限公司。

1.2 仪器与设备

流动度测定仪，NLD-3，北京新地科宇仪器科技有限公司；X射线衍射仪(XRD)，XRD-6100，日本Shimadzu公司；压汞仪，AutoPore Ⅳ 9510，美国麦克仪器公司；Sirion场发射环境扫描电子显微镜(SEM)，Sirion 400F，分辨率为3~6 nm，美国FEI公司；拉伸试验机，LX-LS200，东莞市力雄仪器有限公司；工业相机，BXT-10M，南京研维信息技术有限公司。

1.3 样品制备

表1为聚合物防水砂浆的配方。按表1配比，参考GB/T 17671—2021，先将水泥、石英砂、EVA和水搅拌均匀，再分别加入质量分数为0、0.2%、0.4%和0.6%的PPF(以水泥质量计)制备聚合物防水砂浆，将新拌制的砂浆浇入模具24 h后，脱模，再养护至28 d，然后进行性能检测。

1.4 性能测试与表征

流动度测试：参考GB/T 2419—2005测试新拌制砂浆的流动度。

XRD测试：将试样磨细过200目方孔筛后进行测试，扫描速度为2 (º)/min，步长为0.02º，扫描范围为5º~80º。

孔隙率测试：在标养28 d后的砂浆上取粒径约为5 mm的块状物，在50 ℃烘箱中干燥至恒重，用压汞仪测试孔隙率。

SEM测试：对试样断面进行喷金处理，采用Sirion场发射环境扫描电子显微镜测试试样微观形貌。

抗裂性能测试：参考KRAAI^[26]的板式测量收缩变形的方法，对模具进行改进，试验模具内腔为尺寸910 mm×610 mm×30 mm的木模。为了防止模具吸水及模具对砂浆变形的限制，首先在模具内腔四周粘贴10 mm厚的海绵，然后平铺一层塑料薄膜。将新拌砂浆注入模具中，用金属刮刀刮平表面，然后将砂浆带模放入温度20 ℃、相对湿度不低于95%的条件下养护至28 d。为避免脱模扰动造成的影响，28 d内带模测试整个开裂过程，记录砂浆面板初始开裂时间(t_s)、28 d后裂纹总数量(N_{28 d})、裂缝面积(A_cr)等。其中，A_cr计算公式为：

A_{\mathrm{c}\mathrm{r}}=\sum d_i{L}_i(1)

式(1)中：A_cr为裂缝面积，mm²；d_i 为第i条裂纹宽度权重，取值方式见表2，如果同一条裂纹不同段宽度处于表2不同区间，则按不同段计算后再取平均值；L_i 为第i条裂纹长度，mm。

拉伸性能测试：参考JC/T 2461—2018，测试养护28 d试样的初裂拉伸强度(σ_s)和极限拉伸强度(σ_max)，拉伸速率为0.5 mm/min，哑铃形试样尺寸330 mm×60 mm×13 mm，测试区宽30 mm，长80 mm。对试样表面先刷涂一层白漆，测试过程中用工业相机采集试样拉伸过程中的应变图像，在观测区选取80 mm长的形变域，将拍摄图像运用Image-Pro Plus软件进行处理。

2 结果与讨论

2.1 聚合物防水砂浆的流动度分析

图1为聚合物防水砂浆的流动度。从图1可以看出，未加PPF时，试样PWM-0的流动度为185 mm，PWM-02PPF、PWM-04PPF、PWM-06PPF分别比PWM-0降低4、9、35 mm。这说明随着PPF含量的增加，试样的流动度不断降低，尤其是当PPF质量分数达到0.6%时，试样流动度降低显著。这是因为加入PPF后，纤维会提高砂浆基体的黏滞力，尤其是纤维含量较多时，纤维之间会接触和缠绕，显著增加整个系统相互移动的阻力，因此降低了试样的流动性^[23，25]。

2.2 聚合物防水砂浆的XRD分析

图2为聚合物防水砂浆的XRD谱图。从图2可以看出，水化28 d后，不同试样的XRD特征衍射峰出现的位置一致，说明加入PPF未改变试样的水化产物种类。但是，加入PPF后，各衍射峰的强度有所不同，随着PPF含量的增加，硅酸二钙(C₂S)和硅酸三钙(C₃S)的衍射峰变弱，而钙矾石(AFt)、水化硅酸钙凝胶(C-S-H)和Ca(OH)₂对应的衍射峰强度增强，说明PPF促进了水泥水化产物的形成。这是因为水泥水化过程主要是C₂S和C₃S发生水化反应生成AFt、C-S-H和Ca(OH)₂，而PPF能够诱导周围的水泥水化，促进水化产物的产生^[21，24-25]。另外，PWM-06PPF与PWM-04PPF的XRD各特征衍射峰强度相差不大，PWM-06PPF的C-S-H和Ca(OH)₂衍射峰强度略强，说明PWM-06PPF比PWM-04PPF中水泥水化程度只是略有增强。这可能是因为水泥中水化矿物C₂S和C₃S的含量是一定的，并且过量的PPF不能完全均匀分散在砂浆基体中，因此PPF达到一定量后，PPF促进水泥水化的作用趋于极限。

2.3 聚合物防水砂浆的孔隙率分析

图3为聚合物防水砂浆的孔隙率。从图3可以看出，未加PPF时，PWM-0的孔隙率为14.6%，PWM-02PPF、PWM-04PPF、PWM-06PPF的孔隙率分别降低至13.5%、10.4%和13.9%。这说明随着PPF含量增加，试样的孔隙率相比PWM-0有所降低，但是孔隙率的变化趋势为先降低后升高，且PPF质量分数为0.4%时孔隙率最低。可能是因为：一方面，PPF的加入促进水泥水化，形成更多的水化产物填充砂浆基体孔隙，增加了基体密实性，导致试样孔隙率降低；另一方面，过多的PPF显著降低砂浆初始流动度(如图1)，导致基体内部容易产生孔隙和界面缺陷，造成孔隙率上升。因此，在以上两方面因素影响下，试样孔隙率有所波动，当PPF质量分数适中(不超过0.4%)时，PPF促进水化和增加砂浆密实性的作用更显著，试样孔隙率下降更明显；当PPF过量时，PPF导致基体缺陷，削弱了PPF对砂浆密实性的增强作用，导致PWM-06PPF的孔隙率较PWM-02PPF和PWM-04PPF更大。但是，当PPF质量分数在0.6%范围内时，PPF促进砂浆密实性增加的作用占主导，因此加入PPF的砂浆总体上孔隙率低于PWM-0。

2.4 聚合物防水砂浆的SEM分析

为了进一步了解PPF对砂浆水化和微观形貌的影响，对试样PWM-0、PWM-04PPF、PWM-06PPF进行SEM微观形貌观察。图4为聚合物防水砂浆的SEM照片。从图4a可以看出，PWM-0的微观结构较疏松，孔隙较多，还出现微观裂纹。从图4b和图4c可以看出，PWM-04PPF、PWM-06PPF的整体结构致密性增加，但是PWM-06PPF结构中也出现局部孔隙，尤其是纤维聚集区域还出现较大的界面孔洞。因此，PPF增加了砂浆的结构密实性，PWM-04PPF的结构最紧密。PWM-0和PWM-06PPF的微观裂纹和缺陷在受到外部荷载时，这些薄弱区域容易引起宏观裂纹扩展，对力学性能不利；而PWM-04PPF内部结构致密，使材料具有良好的力学性能。

2.5 聚合物防水砂浆的抗裂性能分析

图5为养护28 d后聚合物防水砂浆的裂纹分布。从图5可以看出，养护28 d后，PWM-0的裂纹数量达到11条，其中主裂纹贯穿了砂浆面板宽度方向；加入PPF后，砂浆面板裂纹明显减少，PWM-02PPF、PWM-04PPF、PWM-06PPF的裂纹数量分别变为10、7、9条，PWM-04PPF、PWM-06PPF的裂纹长度、宽度和裂纹间距明显低于PWM-0。这说明纤维抑制了裂纹产生，PWM-04PPF的效果最好。其原因在于，纤维植入砂浆基体中，起到了“塑料筋”的作用，抵消了砂浆水化、硬化过程中收缩或膨胀引起的应力；而纤维过量时，纤维发生团聚、缠绕，而且过量纤维会产生结构缺陷，导致“塑料筋”的增强作用反而下降。因此，不是PPF含量越高抗裂性能越好。

表3为聚合物防水砂浆的裂纹数据。从表3可以看出，各试样t_s均小于8 h，大部分裂纹均在24 h内出现，这表明砂浆主要开裂发生在塑性阶段。这是因为塑性阶段砂浆具有半流动或塑性状态，由于砂浆沉降，早期水泥水化发生化学收缩及自收缩等原因容易引起基体较大变形，当砂浆基体的抗拉应力无法完全约束这种变形，则会诱发宏观裂纹^[27]。此外，与未加PPF的试样相比，加入PPF后，t_s先增大后降低，24 h裂缝条数(N_{24 h})先降低后升高，但是总体上t_s比PWM-0的长，N_{24 h}比PWM-0的低，这说明纤维抑制了砂浆在塑性阶段的裂纹出现。其主要原因是：(1)纤维在砂浆基体中形成三维网络，支撑基体结构，阻止砂浆沉降。(2)纤维与砂浆黏结在一起，能够抵抗化学收缩和自收缩产生的应力，抑制基体变形，即使出现裂纹，纤维也能抑制裂纹扩展。因此，纤维能够降低塑性阶段的裂纹发展。但是，纤维过量时，纤维可能团聚，也会造成砂浆流动性降低，基体内部缺陷增加，这不利于砂浆基体结构的完整和纤维桥接作用的发挥，导致PWM-06PPF对裂纹的抑制作用比PWM-04PPF差。从表3还可以看出，养护至28 d后，PWM-0的N_{28 d}为11条，28 d裂缝面积(A_{28 d})为1 762 mm²；加入PPF后，N_{28 d}和A_{28 d}均先降低后升高，且PWM-04PPF达到最小值，比PWM-0分别降低36.4%和74.1%，这说明纤维在砂浆后期硬化过程中抑制了开裂，保持了砂浆体积稳定性。

为了解28 d养护过程中裂纹发展趋势，对主裂纹(d_主)和A_cr的发展趋势数据进行研究。图6为聚合物防水砂浆d_主和A_cr的发展趋势。从图6可以看出，随着时间的延长，d_主和A_cr均先快速增大后缓慢增大，最后趋于不变，快速增长阶段均发生在24 h以内，这表明砂浆主要开裂发生在塑性阶段。这是因为塑性阶段砂浆变形较大，而且此过程伴随着水泥水化快速放热过程，容易引起基体开裂，而后期主要是裂纹长度和宽度的扩展^[27]。从图6还可看出，与PWM-0相比，加入PPF后，d_主和A_cr的增长曲线均向下发生平移，并且PWM-04PPF对应的曲线最低。这表明由于纤维的“塑料筋”加强作用，纤维提高了砂浆的抗裂性能。其中，PWM-04PPF的抗裂性能最好。

2.6 聚合物防水砂浆的拉伸性能分析

图7为聚合物防水砂浆的拉伸性能。从图7可以看出，随着PPF的加入，试样在受到拉伸荷载过程中，开始出现裂纹时对应的σ_s和σ_max均先增大后降低，且总体上高于PWM-0。这说明PPF提高了试样的拉伸性能。另外，PWM-04PPF的拉伸性能最优，与PWM-0相比，σ_s和σ_max分别提高78.6%和46.4%。

图8为聚合物防水砂浆拉伸过程中的应变云图，可以更好地了解施加荷载过程中砂浆试样应变变化过程。其中，颜色条从下至上的颜色变化表示应变增强。从图8可以看出，随着PPF的加入，砂浆初始应变下的裂纹宽度和裂纹处的应变变小，PWM-04PPF的初始应变最小，说明PWM-0裂纹处的应变更集中，这也是PWM-0拉伸初始裂纹较宽的原因；达到砂浆试样极限应变时，与PWM-0相比，PWM-04PPF和PWM-06PPF的裂纹数量更多，裂纹更细，裂纹分布更均匀，裂纹处的应变对应的颜色更均匀，说明加入PPF后拉伸荷载下的试样应力更分散，有助于提高试样的拉伸性能。尤其是PWM-04PPF，其极限应变下，裂纹分布细且多，应变对应颜色差别较小，这也验证了PWM-04PPF的拉伸性能最好。这主要是因为：一方面，如图2~图4所示，PPF能够促进水泥水化，减少砂浆内部裂纹等缺陷，提高砂浆基体密实度，而密实度越高则砂浆力学性能越好；另一方面，PPF在裂纹处起到桥接锚固作用，充分发挥“塑料筋”的作用，将荷载沿着PPF向基体分散传递^[28-29]。但是过量的PPF会出现团聚和造成基体裂纹、孔洞缺陷，导致纤维与水泥基体之间的黏结效果变差(如图4)，纤维容易被拔出，无法充分发挥其增强作用。

3 结论

通过流动度、XRD、孔隙率、SEM、抗裂性能和拉伸性能等测试，深入分析PPF含量对PWM水化过程和微观结构的影响。结果表明：PPF降低了砂浆的流动度，尤其是PPF质量分数达到0.6%时，砂浆流动度陡降。PPF促进了水泥水化产物的形成，降低了砂浆的孔隙率，减少了微观结构缺陷，但是PPF过量会带来不利影响。PPF提高了砂浆的抗裂性能，加入PPF后，砂浆面板裂纹明显减少，裂纹长度、宽度和裂纹间距减小。砂浆主要开裂发生在塑性阶段，与未加PPF的试样相比，加入PPF后，t_s更长，而N_{24 h}、N_{28 d}和A_{28 d}均降低。随着时间的延长，d_主和A_cr均先快速增大后缓慢增大，最后趋于不变。加入PPF后，d_主和A_cr的增长曲线向下平移。PPF提高了砂浆的拉伸性能，抑制了拉伸荷载下的应变集中，使砂浆的σ_s和σ_max先增大后降低，且总体上高于PWM-0。当PPF质量分数为0.4%时，砂浆的性能最优，此时砂浆具有较好的流动性及优异的抗裂性能和拉伸性能，与不加PPF的砂浆相比，流动度仅降低9 mm，而N_{28 d}和A_{28 d}分别降低36.4%和74.1%，σ_s和σ_max分别提高78.6%和46.4%。

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基金资助

浙江省基础公益研究计划项目(LGG20E080002)