摘要：以新型短切玄武岩纤维为材料制备纤维水泥砂浆，借鉴水泥胶砂流动度的试验方法，研究了玄武岩纤维的长度和掺量等参数对水泥砂浆流动性的影响。试验结果表明:纤维掺量越大，其比表面（FSS）越大，纤维水泥砂浆的流动性越低；对于相同纤维掺量,虽然FSS相同，但18mm（lf）纤维水泥砂浆比12mm（lf）纤维水泥砂浆的流动性更大。最后在实验结果的基础上，探讨了现行纤维间距理论中存在的一些问题。
关键词：纤维参数；玄武岩纤维水泥砂浆；流动性；纤维间距理论
1. 引 言
近年来，短切纤维常用于砂浆及混凝土中增韧阻裂，改善其耐久性。但纤维的应用，给砂浆及混凝土的混合搅拌均匀带来困难，而柔性纤维更易成团积聚，致使其施工工作性能下降。对于纤维水泥砂浆流动性的评价，尚无专用实验方法，若采用现行的水泥砂浆流动性实验方法，由于在实验过程中进行砂浆的插捣及因试錐重量相对纤维重量过大，会破坏纤维的自由分布，试验的结果不能客观体现与表征纤维阻力作用。我们借鉴水泥胶砂流动度试验方法，进行纤维水泥砂浆的流动性实验，以纤维水泥砂浆拌合物在规定振动状态下的扩散直径和高度塌损值等试验结果，研究短切玄武岩纤维的长度及掺量等参数对水泥砂浆流动性的影响。
2. 试验原材料
水泥：洋房牌42.5R 普通硅酸盐水泥。
ISO 标准砂：标准砂的品质和颗粒级配符合GB/T17671-199 规定，厦门艾思欧有限公司生产。
短切玄武岩纤维：直径为13μm，长度分别为12mm、18mm，上海俄金玄武岩纤维有限公司生产。
建筑工程用短切纤维有钢纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维等，由于纤维自身的特点，存在钢纤维易腐蚀，混合搅拌均匀困难；玻璃纤维耐碱化学性能性较差；聚丙烯纤维易老化；尤其碳纤维的价格昂贵等问题。本项目选用的玄武岩纤维（Basalt Fiber 简称BF），是一种性能较为优越的新型无机非金属纤维，具有良好的耐水、耐高温、耐化学腐蚀性，且无毒无污染、价格低廉、性价比较高，并具有良好的保温隔热(热传导系数：0.035W/m·K)等综合性能[1-3]。其主要技术性能如表2 所示：
3. 玄武岩纤维砂浆流动性实验方法
采用水泥胶砂质量配合比：水泥：标准砂：水=450：1350：225=1：3：0.50，短切玄武岩纤维掺量见表3：
先将原材料放入砂浆搅拌机干拌混合均匀，再加水搅拌均匀，然后将拌好的纤维水泥砂浆借鉴GB/T 2419-2005[4]方法，分两层迅速装入水泥胶砂流动度测定仪（跳桌台）（图1）的试模内，第一层装至截锥圆模高度约三分之二处，用捣棒由边缘至中心均匀捣压15 次；随后再装第二层砂浆，装至高出截锥圆模约20mm，再用捣棒由边缘至中心均匀捣压10 次，捣压后砂浆应略高于试模。捣压深度，第一层捣至胶砂高度的二分之一，第二层捣实不超过已捣实底层表面，但不得用小刀划插砂浆，以免破坏纤维的原生取向分布，其它均同胶砂实验方法。捣压完毕，取下模套，从中间向边缘分两次水平方向抹去高出截锥圆模的多余砂浆，将截锥圆模垂直向上轻轻提起（见图2），立刻开动跳桌，以每秒钟一次的频率，完成25次跳动后，用卡尺测量纤维水泥砂浆底面互相垂直的两个方向的扩散直径L1 和L2，见图3（a），再测定振动后的砂浆拌和物最高点到跳桌台圆盘面的高度ht，见图3(b），单位均为毫米。以平均值L（见式1）与纤维水泥砂浆振动后的高度塌损值Δh（见式2）综合评价纤维水泥砂浆流动性。L 值越大，Δh 值越大，砂浆流动性越大。
4. 试验结果及分析讨论
通过玄武岩纤维水泥砂浆跳桌法流动度试验，基准砂浆及长12mm与长18mm的玄武岩纤维在不同掺量下的纤维水泥砂浆的流动性试验结果见表4、表5。
4.1 纤维掺量对砂浆流动性的影响
随着纤维掺量的增加，砂浆的扩散直径L 越来越小（图7），Δh 也随之下降，纤维砂浆流动性越来越低。
将表4、表5 的流动性试验结果与纤维掺量关系作图6 与图7，12mm( lf)和18mm( lf )玄武岩纤维水泥砂浆的流动性都随纤维掺量的增多而降低。
掺量0.08%的12mm 玄武岩纤维的砂浆相对基准砂浆的流动度下降幅度为14.6%；但随着纤维掺量的增大，砂浆流动性会大幅度下降，掺量达到0.39%时，流动度下降了30.7%。18mm 玄武岩纤维的砂浆掺量达到0.39%时，其流动度比基准砂浆下降了27.8%。纤维掺量越多，砂浆的高度塌落值越小，流动性降低。掺量为0.08%的18mm 玄武岩纤维砂浆的高度塌落值比基准砂浆减少10%；纤维增多，砂浆拌和物高度塌落值会大幅度减小，掺量达到0.39%时，砂浆拌和物的高度塌落值减少了42%，而12mm 玄武岩纤维掺量达到0.39%时，其高度塌落值比基准砂浆减少68%，12mm 纤维砂浆比18mm 纤维砂浆的流动性更低。我们认为是由于纤维的乱向分布，形成立体网络结构，将水泥浆团聚在网络结构中，阻碍了水泥浆的自由流动而影响砂浆的流动性。随着纤维掺量的增多，纤维在单位体积中的表面积FSS（纤维比表面）增大，形成的网络结构空间越小，分布密度越大，需包裹纤维表面的水泥浆数量要越多，当水泥浆数量一定时，纤维的阻力作用也就越大。此时用Krenchel、Romualdi 及沈荣憙等人在纤维间距理论中提出的纤维在单位体积根数N、FSS 及纤维的平均间距S [5-6]之间的相关性作用可以得到解释。即：
也就是纤维掺量越大，纤维在单位体积根数N 越多，FSS 值越大，纤维的平均间距S 越小，纤维的阻力作用也就越大。
4.2 纤维长度对砂浆流动性的影响
从图6中进一步可以看到，当纤维掺量相同时，18mm（lf）纤维水泥砂浆比12mm（lf）纤维水泥砂浆的流动性更大。
试验中18mm玄武岩纤维在水泥砂浆中相对比12mm玄武岩纤维更易分散，成团量较少，因为在相同质量掺量时，对于同直径、不同长度的纤维，虽然FSS 相同，但纤维长度越短，纤维根数越多。12mm（ f l ）的纤维根数是18mm（ f l ）的纤维根数的1.5 倍，假设纤维在砂浆中都能分布均匀，那么在单位体积砂浆中，12mm 纤维的根数远比18mm 纤维的多得多，纤维分布密度增大，纤维网络结构的空间更小，网状搭接的阻拦作用更明显，自由流动的水泥浆相对要少，砂浆的流动性也就相对更低。当纤维掺量过多时，长度较短的纤维由于单根数量更多，在砂浆中因聚集更难以分散均匀，这时伴随砂浆的流动性大幅下降。而按照Kal 与Pal 等人的纤维间距理论提出：
5. 结论
通过玄武岩纤维水泥砂浆的流动性实验，柔性纤维水泥砂浆的流动性采用跳桌台测定，有较好的实验稳定性和可操作性。研究结果表明，纤维参数显著影响纤维水泥砂浆的流动性，并且单位体积中纤维的根数N 是影响纤维水泥砂浆流动性的重要因素，即：
(1)纤维长径比相同时，玄武岩纤维的掺量越多，纤维在单位体积的根数(N)越多，比表面FSS值越大，纤维的平均间距S 越小，纤维水泥砂浆的流动性越低。
(2)当纤维掺量相同时，同直径、不同长度的纤维，FSS 值虽然相同，但长径比越小，纤维在单位体积的根数(N)也越多，纤维分布密度越大，其纤维水泥砂浆的流动性也越低。因此，当配合比相同时，18mm（lf）玄武岩纤维水泥砂浆比12mm（lf）玄武岩纤维水泥砂浆的流动性更大。
综上所述，纤维水泥砂浆与纤维混凝土都将因纤维的掺入给施工搅拌和成型带来困难，针对柔性絮状纤维，优化掺入纤维的参数，对于提高纤维砂浆和纤维混凝土的综合技术性能，有着重要意义。
参考文献
[1].谢尔盖,李中郢.玄武岩纤维材料的应用前景[J].纤维复合材料,2003,31(2):42~46
[2].胡显奇,陈绍杰.世界复合材料的发展趋势以及连续玄武岩纤维的发展商机[J].高科技纤维与应用[J].2005,30(3):9~12
[3] 胡显奇,申屠年.连续玄武岩纤维在军工及民用领域的应用[J].高科技纤维与用,2005,30(6):7~13
[4] 水泥胶砂流动度测定方法.中华人民共和国国家标准[S].GB/T 2419-2005.北京;
[5] Romualdi J P,Mandel J A.Tensile Strength of Concrete Affected by
Uniformly Distributed and Closely Spaced Short Legths of Wire Reinforcement.
ACI Journal,Proceedings, 1964, 61(6): 657~670
[6] 沈荣憙等.新型纤维增强水泥基复合材料[M].北京:中国建材工业出版社. 2004. 52~54
[7] Krenchel H. Fibe Reinforcement. Copenhagen: Akademisk Forlay, 1964
