PP纤维增强水泥基快速修补砂浆的性能分析

Performance Analysis of PP Fiber-reinforced Cement-based Rapid Repair Mortar

摘要

以聚丙烯（PP）纤维为增强材料，研究PP纤维对水泥基快速修补砂浆的力学性能、抗冻性和抗裂性能的影响。结果表明：PP纤维能够促进水泥水化，提高基体致密性，而过量PP纤维会导致基体结构劣化。PP纤维在提高砂浆抗折强度、抗压强度和抗冻性能的同时，还能抑制砂浆裂纹发展。综合各项性能，PP纤维最佳掺入质量分数为0.6%，与基准样相比，在3 h、1 d和28 d龄期下，砂浆抗折强度分别提高61.9%、28.4%和48.5%，抗压强度分别提高50.6%、18.2%和12.3%。28 d冻融质量和冻融强度损失分别降低61.7%和79.0%。开裂时间、平均裂纹间距、裂纹起裂荷载、峰值荷载和断裂能分别提高213%、117%、50%、61%和199%，最大裂纹宽度、72 h裂纹数量和裂缝扩展速率分别降低70%、67%和56%。

Abstract

Polypropylene (PP) fiber was employed as the reinforcing material to investigate its effects on the mechanical properties, frost resistance, and crack resistance of cement-based rapid repair mortar. The results indicated that PP fiber promoted cement hydration and enhanced matrix densification, whereas excessive PP fiber led to matrix structure deterioration. PP fibers not only enhanced the flexural strength, compressive strength, and frost resistance of mortar, but also inhibited the development of cracks in mortar. Based on a comprehensive evaluation of all performance parameters, the optimal mass fraction of PP fiber was determined to be 0.6%. Compared with the reference specimen, the flexural strength of the mortar at 3 h, 1 d, and 28 d curing ages increased by 61.9%, 28.4%, and 48.5%, respectively, while the compressive strength increased by 50.6%, 18.2%, and 12.3%, respectively. The mass loss and strength loss after 28 d freeze-thaw cycles decreased by 61.7% and 79.0%, respectively. The cracking time, average crack spacing, crack initiation load, peak load, and fracture energy increased by 213%, 117%, 50%, 61%, and 199%, respectively, whereas the maximum crack width, 72 h crack number, and crack propagation rate decreased by 70%, 67%, and 56%, respectively.

Graphical abstract

关键词

PP纤维 / 水泥基快速修补砂浆 / 力学性能 / 抗冻性能 / 抗裂性能

Key words

PP fiber / Cement based rapid repair mortar / Mechanical properties / Frost resistance / Crack resistance

混凝土结构在使用中受气候环境与外界破坏等多重因素影响，易出现开裂、脱落乃至破坏等问题，拆除重建存在周期长、成本高及资源浪费的弊端^[1-3]。为了提高混凝土使用寿命，快速修补砂浆成为关键，需要兼具高效施工与力学性能良好等优点^[4-6]。与传统水泥基砂浆相比，纤维作为新型水泥基修补砂浆填料，可有效提高力学性能、抗变形性能及耐久性，因此成为研究焦点^[7-9]。聚丙烯(PP)纤维不仅保留了PP塑料密度低、化学稳定性好、耐疲劳性强、耐热性良好的优点，还具有纤维增韧、抗裂的特性^[10-12]。因此，PP纤维凭借其优异性能成为水泥基材料的理想增强材料，广泛应用于建筑、市政、水利等工程领域，可有效提升结构的安全性和耐久性^[13-15]。李康一等^[16]研究PP纤维的长度和掺量对砂浆性能的影响，结果表明：PP纤维提高了砂浆抗压和抗折强度，PP纤维添加质量分数为0.2%时，砂浆3 d和7 d抗压强度达到最大；PP纤维添加质量分数为0.4%时，砂浆3 d和7 d抗折强度达到最大。然而，当前多采用传统宏观测试手段研究水泥基砂浆性能，难以揭示纤维对砂浆的动态增强机理，尤其针对砂浆抗裂性能的动态研究更为匮乏。

数字图像相关法(DIC)可通过非接触式全场应变测量实时追踪材料受力过程中的应变场变化，能够很好地反映砂浆从起裂、扩展至破坏的全过程，在金属材料、地层结构、混凝土等监测过程中均有应用^[17-19]。因此，本文以PP纤维增强水泥基修补砂浆，在研究砂浆强度、抗冻等性能的基础上，研究砂浆自由状态和荷载下的抗裂性能，并在荷载下引入DIC这一创新方法动态评价砂浆抗裂性能，旨在深入探究PP纤维对水泥基砂浆的动态增强机理，为进一步优化PP纤维增强水泥基修补砂浆的性能提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

42.5硫铝酸盐水泥(SAC)，河南途胜公路工程有限公司，表1为SAC的化学组成；石英砂，8~40目和40~70目，SiO₂质量分数\ge98.0%，河南有色金源实业有限公司；PP纤维，山东鸿百川工程材料有限公司，表2为PP纤维的物理性能；聚羧酸减水剂，固含量99%，潍坊铖齐建材有限公司；硼砂，工业级，质量分数98%，济南弘创化学品有限公司；乳胶粉，5010N，固含量99%，德国瓦克化学公司。

1.2 仪器与设备

X射线衍射仪(XRD)，Shimadzu XRD-6000，日本岛津公司；扫描电子显微镜(SEM)，JEM-2000EX，日本JEOL公司；非接触式激光位移传感器，SR7500，深圳市深视智能科技有限公司；显微镜，SR7500，深圳市深视智能科技有限公司；VIC-3D非接触式应变测量系统，VIC-3D，美国Correlated Solutions公司；电子万能试验机，ETM105D，深圳万测试验设备有限公司；高分辨率工业相机，MER2-503-23GM，中国大恒图像。

1.3 样品制备

表3和表4分别为净浆和砂浆的配方。参考GB/T 17671—2021，按照表3和表4配比称取原材料，制备净浆和砂浆。PP纤维采用外掺法，按占SAC质量的0、0.3%、0.6%和0.9%加入，8~40目和40~70目的石英砂按质量比3∶2加入。先将固体原料混合均匀，然后加水搅拌，先慢搅2 min，再快搅3 min，成型2 h后脱模。将试件放入(20±2) ℃的水中养护至相应龄期后进行检测。

1.4 性能测试与表征

XRD测试：将达到对应龄期的净浆剔除纤维后磨细，过200目方孔筛，再采用X射线衍射仪进行测试，测试电压40 kV，测试角5°~70°，速度10 (°)/min。

SEM测试：采用扫描电子显微镜观察对应龄期净浆的微观形貌。

抗折强度和抗压强度：参考GB/T 17671—2021测试对应龄期砂浆的抗折和抗压强度。

抗冻性能：将尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的试件养护28 d(每组3块)，然后进行冻融循环测试。在-18 ℃下冷冻4 h，再在18 ℃水中融化4 h，此为一个循环，冻融循环200次。测量冻融前后试件的质量m₀和m₂₀₀，对冻融前后的试件进行抗压强度试验，冻融前后的抗压强度为f₀和f₂₀₀，则质量损失率Δm=(m₀-m₂₀₀)/m₀×100%，抗压强度损失率Δf=(f₀-f₂₀₀)/f₀×100%。

抗裂性能：自由状态下的抗裂性能，采用椭圆环约束抗裂试验评价砂浆早期开裂特性，椭圆环内尺寸为210 mm×90 mm×45 mm，搅拌好的砂浆装入椭圆模具，然后放入标准养护室内，通过自收缩和干燥收缩产生环拉应力，采用非接触式激光位移传感器(精度0.01 mm)实时监测裂缝发展，每10 min扫描一次，记录最早开裂时间，采用显微镜和软件采集最大裂纹宽度、72 h内裂纹数量和平均裂纹间距。采用DIC数据采集技术评价砂浆在外部荷载下的抗裂性能，用VIC-3D非接触式应变测量系统(分辨率0.01像素)对成型3 h的尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的砂浆试件表面喷涂黑白散斑图案，再用电子万能试验机进行三点弯曲试验，加载速率为0.05 mm/min，然后用配套的高速相机(20 fps)同步采集图像，通过VIC-3D软件计算出全场应变分布、裂缝起裂荷载(P₀)、峰值荷载(P_max)及裂缝扩展速率(v)。

2 结果与讨论

2.1 PP纤维对水泥水化的影响

图1为净浆水化3 h、1 d和28 d的XRD谱图。

从图1a可以看出，净浆水化3 h后，PP-0%(J) (基准样)的主要水化产物为钙矾石(AFt)，其他为未水化的{\mathrm{C}}_{\mathrm{4}}{\mathrm{A}}_{\mathrm{3}}\overline{\mathrm{S}}和C₂S。随着PP纤维掺量的增加，均未出现新衍射峰，说明水化产物一致。但是，与PP-0%(J)相比，随着PP纤维掺量的增加，试件的AFt衍射峰强度逐渐变强，而{\mathrm{C}}_{\mathrm{4}}{\mathrm{A}}_{\mathrm{3}}\overline{\mathrm{S}}和C₂S衍射峰逐渐变弱。这说明PP纤维促进了水化，{\mathrm{C}}_{\mathrm{4}}{\mathrm{A}}_{\mathrm{3}}\overline{\mathrm{S}}和C₂S被消耗，AFt逐渐生成^[20-21]。另外，PP纤维掺入质量分数为0.6%和0.9%时，净浆3 h水化后的AFt、{\mathrm{C}}_{\mathrm{4}}{\mathrm{A}}_{\mathrm{3}}\overline{\mathrm{S}}和C₂S衍射峰基本一致。这可能是因为PP纤维质量分数达到0.6%时，PP纤维形成的水化成核位点已经达到一定的量，继续增加PP纤维会造成PP纤维团聚和不均匀分散，对PP纤维促进水泥水化的成核位点数量影响不大。从图1b可以看出，各试件XRD谱图出现的衍射峰位置与图1a一致，但是每组试件对应的AFt衍射峰均高于图1a，而{\mathrm{C}}_{\mathrm{4}}{\mathrm{A}}_{\mathrm{3}}\overline{\mathrm{S}}和C₂S衍射峰低于图1a。这说明随着水化时间的延长，水化不断进行。由图1b还可以看出，PP纤维掺量越高，AFt衍射峰越强，{\mathrm{C}}_{\mathrm{4}}{\mathrm{A}}_{\mathrm{3}}\overline{\mathrm{S}}和C₂S衍射峰越弱，PP纤维掺入质量分数为0.6%和0.9%时的水化XRD谱图基本一致。从图1c可以看出，水化28 d后，各试件的XRD谱图出现的衍射峰位置未发生变化，但是每组试件对应的AFt衍射峰均强于图1b，{\mathrm{C}}_{\mathrm{4}}{\mathrm{A}}_{\mathrm{3}}\overline{\mathrm{S}}和C₂S衍射峰低于图1b，PP-0%(J)的AFt衍射峰略低于其他组，而掺入PP纤维的AFt衍射峰差别不大。这说明随着水化时间的延长，水化继续进行，而加入PP纤维后水化程度更大，水化生成的AFt量更多。PP纤维的加入有促进水泥核形成的作用，因此PP纤维增加了水化产物。而水化28 d后，水泥水化基本完成，因此PP-0%(J)与其他组掺入PP纤维的试件相比水化程度略低，而其他组水化程度基本一致。

图2为净浆水化3 h和28 d的SEM照片。

从图2a~图2c可以看出，净浆水化3 h后，PP-0%(J)出现一些短棒状AFt，随着PP纤维掺量的增加，AFt逐渐增多；图2b和图2c中AFt生成量差不多，结构致密性更好。这是因为PP纤维有助于水泥水化成核，加速了水泥水化，水化产物填充基体缝隙，提高了致密性，因此加入PP纤维的试件的水化产物更多。当PP纤维掺入质量分数为0.6%时，对水泥水化促进效果基本达到最大。从图2d~图2f可以看出，净浆水化28 d后，各试件生成的AFt显著增加，但是PP-0%(J)的水化产物比掺入PP纤维的试件少。这是因为随着时间延长，水泥不断水化，而PP纤维能够促进水泥水化。另外，与掺入质量分数为0.9% PP纤维样品相比，掺入0.6% PP纤维试件生成的AFt分布更均匀。这是因为过量的PP纤维会出现团聚和不均匀分布，而水泥容易在PP纤维成核位点水化，导致水化产物分布不均匀^[21]。无论是净浆水化3 h或28 d，加入PP纤维的试件中裂纹明显少于PP-0%(J)，而加入0.6% PP纤维的试件基本未见裂纹。这是因为水泥水化会放热，尤其是硫铝酸盐水泥早期水化较快，容易造成微裂纹，而加入的纤维与浆体形成网络结构，起到桥梁锚固作用，抑制了裂纹产生和扩展，因此PP纤维的加入降低了裂纹数量和裂纹长度。但是，当PP纤维过量时，PP纤维团聚和不均匀分散会形成界面薄弱区，过量PP纤维降低了浆体流动性，这些均会产生更多的孔隙和缺陷。

2.2 砂浆力学性能分析

图3为砂浆的力学性能。从图3可以看出，随着时间的延长，砂浆的抗折和抗压强度逐渐增大。这是因为水化随着时间不断进行，砂浆强度也不断提高。随着PP纤维掺量的增加，砂浆抗折强度和抗压强度均先增大后减小，PP纤维掺入质量分数为0.6%时，抗折和抗压强度达到最大，与PP-0%(S) (基准样)相比，3 h、1 d和28 d抗折强度分别提高61.9%、28.4%和48.5%，抗压强度分别提高50.6%、18.2%和12.3%。这是因为：一方面，PP纤维促进水泥水化，水化产物增加能够填充基体缝隙，提高基体致密性，并且基体缺陷更少，进而提高砂浆强度；另一方面，PP纤维在基体形成空间网络结构，在受到外部荷载时，纤维能起到桥梁作用，承担和转移荷载，因此提高砂浆强度，尤其是纤维的韧性对抗折强度的提高效果更为显著^[22-24]。但是，PP纤维过量时，对水泥水化促进效果有限，还会在基体内部产生裂纹等缺陷，导致抗折抗压强度降低。

2.3 砂浆抗冻性能分析

图4为砂浆的抗冻性能。从图4可以看出，冻融循环后，砂浆Δm和Δf随PP纤维掺量的增加而先快速降低后增加，PP纤维掺入质量分数为0.6%时，Δm和Δf均达到最小，分别比PP-0%(S)降低61.7%和79.0%。这说明PP纤维提高了砂浆的抗冻性能，且PP纤维掺入质量分数为0.6%时，抗冻性能最好。这是因为决定水泥基材料的耐冻融的关键是自身强度及内部结构特征。结合前面XRD、SEM、力学性能测试结果可知，PP纤维的加入促进了水泥水化，降低了内部结构缺陷，提高了砂浆强度和结构致密性，有利于提高其抗冻性，而过量PP纤维对砂浆强度和致密性有不利影响。

2.4 砂浆抗开裂性能分析

表5为砂浆自由状态下裂纹发展情况。从表5可以看出，随着纤维掺量的增加，砂浆开裂时间(t_k)和平均裂纹间距(a_av)均先变大后变小，最大裂纹宽度(d_max)和72 h裂纹数量(N_72h)均先变小后变大。相比基准样，裂纹发展均受到不同程度的抑制。PP纤维掺入质量分数为0.6%时，砂浆开裂程度最小，相比基准样，t_k延长213%，d_max降低70%，N_{72 h}降低67%，a_av增大117%，说明此时砂浆抗开裂性能显著提高。这是因为纤维起到了桥梁骨架的作用，抑制了砂浆膨胀或收缩应力，阻止了砂浆变形和裂纹发展^[25]。

图5为DIC采集裂缝尖端发展的图像分区。从图5可以看出，根据DIC采集裂缝尖端发展的图像出现的区域颜色，可以将应力场分为4种：绿色，对应加载点下方的压缩区域，记录为Ⅰ区；黄色，对应断裂过程区，记录为Ⅱ区；淡红色，对应微裂纹发展区域，记录为Ⅲ区；红色，对应宏观裂纹扩展区域，记录为Ⅳ区。其他颜色属于过渡区，Ⅲ区和Ⅳ区都属于裂纹区域，颜色越红，表示裂纹发展越严重。裂纹发展到一定程度后试件出现断裂破坏^[26-27]。

图6~图9为PP-0%(S)、PP-0.3%(S)、PP-0.6%(S)和PP-0.9%(S)裂缝发展的图像。将采集的数据处理后得到了砂浆断裂过程中裂缝发展参数变化，表6为弯曲荷载下砂浆裂纹发展。从图6~图9可以看出，开始加载前，所有砂浆试件表面初始应变场为零(图6a、图7a、图8a和图9a)，整个图形颜色均为绿色。随着加载时间的延长，在裂缝尖端可观察到图像颜色变化，尤其是红色尖峰，这表明该区域出现应力集中。从图6可以看出，加压后，砂浆直接进入微裂纹演化阶段(图6b)和断裂破坏阶段(图6c)，说明未加PP纤维时，砂浆韧性较差，裂纹快速发展，很快出现断裂。从图7可以看出，砂浆经历了微裂纹萌发阶段(图7b)、微裂纹演化阶段(图7c)、宏观裂纹扩展阶段(图7d)和断裂破坏阶段(图7e)，断裂区域明显有PP纤维连接，断裂的缺口比PP-0%(S)小。这说明PP纤维抑制了裂纹扩展，提高了砂浆抗裂性能。从图8可以看出，随着PP纤维掺入质量分数继续增加至0.6%，裂纹附近区域颜色变淡，断裂时缺口变小，说明砂浆抗裂性能进一步提高。从图9可以看出，PP纤维掺入质量分数增加至0.9%时，裂纹附近区域颜色变深，断裂时缺口变大，说明砂浆抗裂性能有所降低。从表6可以看出，随着PP纤维掺量的增加，砂浆P₀、P_max和断裂能(G_f)先增大后降低，而v先降低后增大。P₀、P_max和G_f越高，v越低，则抗裂性能越好。因此，PP纤维掺入质量分数为0.6%时，砂浆抗裂性能最好，与基准样相比，P₀、P_max和G_f分别提高50%、61%和199%，v降低56%。

2.5 纤维增强机理分析

强度提升机制：纤维的“微配筋”作用增强基体连续性，使早期抗折强度和抗压强度提高；而PP纤维减少收缩裂缝意味着更少内部缺陷，间接提升密实度与强度。但是PP纤维达到一定量时，PP纤维促进水泥水化效果达到饱和，过量的PP纤维会造成PP纤维团聚和不均匀分散，反而会造成混凝土内部结构缺陷增加，因此强度下降。

抗冻性能提升机制：PP纤维可促进水泥水化，提高砂浆内部结构密实性，抑制水分进入砂浆内部，纤维的“微配筋”作用增强了基体连续性，抑制了冻融过程中砂浆的体积破坏。过量的PP纤维导致砂浆结构缺陷增加，抗冻性能降低。

抗裂性能提高机制：PP纤维通过桥接耗能以及PP纤维与水泥水化产物物理交联作用，提高砂浆抗裂性能。当裂缝扩展至纤维-基体界面时，纤维通过拔出、拉伸消耗能量，裂缝扩展路径因PP纤维阻碍发生偏转。DIC应变图像显示，砂浆开裂区域出现局部应力集中，纤维通过应力分散效应，使基体应力分布更均匀，延缓主裂缝形成。但是，PP纤维过量时出现团聚和应力集中，导致PP纤维的抑制裂纹扩展作用减弱，甚至会加速裂缝发展。总之，PP纤维通过“促进水化-桥接耗能-物理交联”多重机制协同作用，优化了砂浆的力学性能与体积稳定性。适量的PP纤维能够使砂浆的综合性能最好。

3 结论

PP纤维促进了水泥水化，加速了{\mathrm{C}}_{\mathrm{4}}{\mathrm{A}}_{\mathrm{3}}\overline{\mathrm{S}}和C₂S矿物的消耗和AFt的生成，尤其是对早期水化促进更明显。PP纤维减少了基体裂纹的形成，提高了基体的致密性，但是过量PP纤维会导致基体结构劣化。随着PP纤维掺量的增加，砂浆的抗折和抗压强度先增大后减小，PP纤维掺入质量分数为0.6%时，抗折强度和抗压强度达到最大。随着PP纤维掺量的增加，砂浆Δm和Δf先快速降低后提高。PP纤维抑制了砂浆自由状态和弯曲荷载下的裂纹发展。随着PP纤维掺量的增加，t_k和a_av先变大后变小，d_man和N_{72 h}先变小后变大。相比基准样，裂纹发展均受到不同程度抑制。砂浆裂纹发展过程变长，P₀、P_max和G_f先增大后降低，而v先降低后增大。PP纤维掺入质量分数为0.6%时，砂浆抗裂性能最好，相比基准样，t_k、a_av、P₀、P_max和G_f分别提高213%、117%、50%、61%和199%，d_man、N_{72 h}和v分别降低70%、67%和56%。突破传统力学测试的局限性，对自由状态和弯曲荷载下砂浆的裂纹扩展进行研究，采用DIC实现了裂缝扩展的全场动态追踪，精准量化裂缝扩展动力学参数，为纤维增强机理研究提供“全过程可视化”的新方法，揭示纤维对力学性能、抗冻性能与抗裂性能的协同增强效应，为快速修补材料的高性能化设计提供参考。综合考虑力学性能、抗冻性和抗裂性能，PP纤维的最佳掺入质量分数为0.6%。

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基金资助

河南省高等学校重点科研项目(22A560001)

2024年河南省科学技术厅第六批省科技研发计划联合基金（产业类）项目(245101610063)