钢化纤维加固物对自密实修补砂浆表面耐磨性的影响.doc

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中文译文

钢化纤维加固物对自密实修补砂浆表面耐磨性的影响
摘要
自密实修补砂浆（以下简称SCRM）做为一种新的技术成果，尤其适用于混凝土结构的加固和修补。在狭窄模具系统中自密实修补砂浆可能会具有相当多的优势。但是，由于高粉尘含量和粗骨料的缺乏，特别是在高磨损率的修补情况下，普通的SCRM对表面磨损很敏感，而钢化纤维可以做为SCRM抗磨损性问题的一种很好的解决方案。但是，钢化纤维加固物维持自密能力的最大值需要预先确定。在这篇文章中，维持自密性和稳固性的超塑质材料的最佳剂量和可能加入纤维的最大量由砂浆和钢化纤维共同决定。另外，通过使用这些纤维特殊处理过的SCRM的力学效应和抗磨损性得到加强。最后得出钢化纤维会产生流变的和力学的共同影响的结论，而与超塑性材料结合的新型纤维很好的提高耐磨性的同时能维持足够的流动性。
关键词：自密实修补砂浆； 钢化纤维； 强度； 磨损
1.引言
纤维的使用由纤维的类型决定，可能会极大地增加材料的刚度和吸能特性、减少裂缝、改善抗冲击性和水泥基础材料的持久性。混凝土加强型纤维通常由金属、聚合物及其他材料组合而成。在这些聚合纤维中，聚丙烯纤维应用最为广泛，尼龙纤维在抗塑料和干燥性收缩断裂方面得到了越来越广泛的应用。另一方面，在下列应用中，加入钢化纤维的混凝土或砂浆已被用于增加其刚度，吸能特性或抗冲击性。例如：钢板和地板，薄壳房屋,岩石斜面的稳固,耐火隔板,合成金属板,渠道修复,地震修整,结构修理和修复,防火外层以及混凝土输送管等。
过去，钢纤维混凝土的应用是非常困难的 ，因为纤维加强型混合物没有足够的可使用性。水泥体系自密实性的发展证明了纤维在混凝土中的应用能带来巨大的改善。纤维会产生流变和力学的影响，而与超塑性材料结合的新型纤维很好的提高了耐磨性的同时仍能维持足够的流体性。SCRM做为一种新的技术成果，尤其适用于混凝土结构的加固和修补。应用于混凝土中的修补砂浆通常难以固化联结成一体，大多数情况下是不能够承受振动的。从这种观点来看，自密实修补砂浆在狭窄模板系统中可能会带来相当大的优势。随着新一代超塑性材料的发展，在复杂模型系统中获得高填充率也是可能的。但是，由于高粉尘含量和粗骨料的缺乏，特别是在高磨损率的修补情况下，普通的SCRM对表面磨损很敏感，可以通过所用纤维的类型及数量的选择为SCRM提供一种提高抗磨损性的方法。在缺乏自密实性的情形下，纤维加强型修补砂浆的成功之处在于向应用场合提供的压紧度。这篇文章，就SCRM与钢化纤维的共同作用进行了研究。首先，要获得稳固的自密性修补砂浆，最佳剂量和可能加入的最大量由钢纤维种类决定。其次，对加入最大可能纤维量的加强型SCRM的力学效应和抗磨损性进行了比较。
2.实验研究
2.1.材料
一种普通的波特兰水泥一号（CEM I 42.5N）被用于各种混合物中。为了增强其粘性，来自Ozture Mugla Factory的石灰石和来自Soma B火电厂的与ASTM C 618一致的C型灰烬巧妙的应用到其中。该水泥所加入的灰烬和石灰石的化学成分及物理组成详见表一。当地分级细化的最大尺寸为4mm的石粒也被应用其中。这种超塑性材料（SP）是“polycarboxylic-acid”型，被Turkey的Konsan科技公司冠以HS100“Smart flow”的商标。它是一种ASTM C 494 F 型高范围水还原剂。其固体成分、PH值和混合物的确切的重量分别是35.7%，6.5%,1.11%。5毫米长并且纵横比为30的短钢也被应用于其中。纤维的密度，弹性系数和张力分别为7.80g/，210GPa，1100MPa。

2.2.为获得稳固的自密性砂浆，在最佳混合剂量下可能加入纤维的最大值的决定因素
SCRM的水/黏合剂和沙石/黏合剂的比例分别保持为常数0.50和2.25。所有SCRM的混合物组成均为70%的水泥，25%的灰和5%石灰石。在前一个研究中讲述了混合物的三种组成成分的比例的确定。
砂浆的掺入量定为每组1.2升.一种霍巴特混合物的应用对于水泥的均匀填充和混合物的结合有着重要的作用，每次用完全相同的方法使混合都能达到满意度。基于这个原因，下面的混合步骤可用于所有混合物：
1.水泥，组合填充料和沙粒干搅拌3分钟。
2.水和超塑性材料在一个长颈瓶中混合后，慢慢的加入盛放混合物的容器中，同时搅拌混合物。最后再加入纤维。低速搅拌3分钟后再快速搅拌2分钟。
3.搅拌停止后，将灰浆倒入一个1升容量的V型漏斗，类似于图1所示的标准。V型漏斗对不同纤维总量和不同混合剂量的混合物进行多次测量。注意，由于砂浆流动性的不稳定和不充分,一些混合物的值不能通过V型漏斗进行测量。

对于稳定的有自密实性的流体，每种纤维其最大及最小混合量是通过V型漏斗装置来确定的。漏斗时间一般超过30秒的砂浆的填充能力不强。基于此原因，首先，为获得一个接近30秒的漏斗时间，混合物剂量的的最低限度是确定的。其次，对每一种纤维，混合物剂量均以0.2%（通过材料的质量进行衡量）的间隔增长时，观察灰浆的总量，自密实性和稳固性。对维持砂浆稳定性的混合物剂量的上限值是由各种加入混合物的纤维总量决定的。上限值是由相同的漏斗通过静态隔离检验测试来测定的。在这个测试中，将样品倒入漏斗，等待一会以使其紧密。如果灰浆的稳定性不好，会发生钢化纤维集结并且不流动从而测试出现阻塞.SCRM混合物剂量的优化方法论做为一种描述钢纤维的V型漏斗的总量-时间关系的功能如图2。可以看出，不同纤维总量的情况下即使改变混合物的剂量，也还是不可能将稳定的自密实性灰浆混合物的V型漏斗时间限定在规定范围。例如，纤维含量为78kg/，V型漏斗时间为18秒的条件下足够获得稳固型SCRM。但是，在纤维含量为195kg/时，相同的V型漏斗时间不足以获得所需的自密实性。应该注意到，这些观察结果对于相同的砂浆水泥材料/精确的混合比例和浆状物含量都是有效的。对于钢化纤维，在相同漏斗时间的条件下，要获得自密实性和稳固性，这种灰浆混合物最高的纤维含量和最佳的混合物含量分别是156kg/和1%。即使是如此高的钢化纤维含量，也不会有结块现象发生。这应归功于支持SCRM适度的粘性和高度的流体性的混合材料和高粘性材料。如果灰浆（钢化纤维量为156kg/）混合物含量高于1.2%，混合物会失去其稳固性，从而发生隔离现象。另一方面，如果混合物剂量低于0.8%，灰浆的流体性不够，从而产生V型漏斗阻塞现象。

当纤维量增大到195kg/时，即使增加混合物剂量也不能维持自密实性。因为粘性材料的不足，过度的钢化纤维含量不可能提供足够的粘度和流动能力。钢化纤维含量的最大可能值是156kg/，可看作这种SCRM混合设计的纤维饱和量。注意，改变混合物比例能提高纤维饱和值。如果粘性成分增多，有可能在不失去其自密实性和稳固性的情况下得到高纤维含量。
2.3.所选的包含最大纤维的自密性SCRM的力学效应和抗磨损性
准备了两种SCRM混合物，第一种是普通混合物，而第二种实包含了钢化纤维的混合物（自密实性条件下的最大纤维含量）。这两种SCRM混合物的剂量在2.2部分中通过V型漏斗测试已经测试过了。第二种混合物的钢化纤维最大可能值是2%（体积）或156kg/。
遵从EFNARC标准的mini-slump flow 测试是为了证明砂浆的自密实性而设计的，如图3.在这个实验中，削顶圆锥体模型被置于一个金属盘上，其中盛满了灰浆并被垂直的举起。对灰浆所覆盖部分的直径，在两个垂直的方向上进行测量，取其平均值。圆锥体最初的直径是100毫米，包含最大可能纤维量和最佳超塑性材料剂量的SCRM的mini-slump flow 值的范围为24020mm。
完成mini-slump flow测试后，SCRM混合物被倒入4040160mm的长方体和717171mm的立方体模型，没有任何紧压和振动。样品形成242小时候后，在饱和石灰水中保存到试验的那一天。
抗弯强度和抗压能力试验在样品保存7天和28天的时候按照ASTM C348和C349标准进行。弯曲力的实验结果从三种样品的平均值得到，压缩力的实验结果从样品各个时期的六块损坏的部分得到，见表2.
普通的和掺入纤维的SCRM保存在717171mm的模具中28天后都进行了磨损测试。测试前，样品被置于50摄氏度的烤箱进行烘干，直到其重量达到一个恒值。图4中的Bohme测试仪器用于该测试。尽管这个标准难于等同天然石块的磨损测试，它却可以替代ASTM C779应用于混凝土样品的测试中。其他的一些研究人员用了这种方法，并得到了可靠的结果。顺应TS 699标准，这个磨损系统有一个直径为750mm钢制圆盘，转动速度为301圈/分。还有一个筹码和一个杠杆，可以为样品提供3003牛的力。磨损测试仪器见图4.在测试过程中，200.5g的氧化铝晶体磨损粉尘覆盖到圆盘上，然后将样品置于圆盘上，圆盘转动4个周期，一个周期为22圈。然后，将圆盘表面和样品清理干净。上面提到的过程重复5个周期，总共588=440圈，每个周期旋转90度。由于磨损造成的重量损失经过测量，三个结果的平均值见表2.
弯曲变量的系数，压缩力和抗磨损测试见表2. 变量系数低于5%，表示这些样品非常均一。这种情况是由于样品的压力。尽管这些样品含有纤维，自压缩削减了纤维加强型SCRM混合物的抗压强度，这样就得到了较好的相似性。可以得出这样的结论，从力学效应和较好的相似性的观点来看，如果钢化纤维应用于稳定的SCRM,能够断言钢化纤维产生的协同效果.

3．结果和讨论
掺入纤维的砂浆最显著的缺点是其和易性的降低，因而增加了制作难度。这种情况极大地导致了和易性的降低和砂浆中的大量空气，这将导致抗磨力的削弱和材料使用寿命的缩短。但是，通过增加超塑性材料的剂量至一定的程度，获取高覆盖值是有可能的（这主要取决于在混合物量较高的能维持粘性物质总量的稳定）。尽管纤维对和易性有副作用，但掺入纤维的SCRM还是有可能获得适当的和易性。钢化纤维型SCRM的自密实性具有极好的填充能力，并且混入的空气量也减少。尽管这种SCRM含有大量的钢化纤维，但砂浆表面的质量得到改善。
钢化纤维量（体积量）低于1%或超过2.5%时，常规混凝土会失效。主要是因为比起相同类型的普通混凝土，混凝土中的钢化纤维在提供均一的分配时产生的力学效应导致了抗压强度的显著下降。但是，钢化纤维量（体积量）增大到2%会导致抗压强度显著降低，这种情况是由在钢化纤维加强型SCRM中纤维分配产生的较好的抗压强度及和易性导致。
保存28天后的加入钢化纤维的混合物的抗弯强度要比控制型混合物高40%。但是保存7天的样品的抗弯强度几乎是一样的。这里提到的后期的改善应归因于钢化砂浆表面相关的摩擦力的增强。关于传统加强型钢化纤维砂浆或混凝土的力学效应，通常钢化纤维对抗弯强度和抗拉强度没有影响，但是很可能在延性和刚度上产生影响。但是，钢化纤维加强型SCRM中钢化纤维产生的力学效应比普通纤维混凝土中的力学效应要显著。这尤其适用于改进抗弯能力方面。这种改进与新状态下的有用的成分有着直接的关系。因此，自密实性和钢化纤维增强可能引起水泥系统的力学效应。
在该研究中，适用纤维的主要目的是为了改进SCRM的抗磨损性。相比起普通砂浆，钢化纤维加强型混合物有很好的抗磨损性。钢化纤维的运用将使由于磨损造成的重量损失降低到42%。
4．摘要和结论
大体上来说，掺入钢化纤维将新鲜灰浆的和使用性降低到一定程度——含水量和超塑性材料量为常值。
但是，如果砂浆中含有能维持稳定性的适量的粘性物质，则超塑性材料的添加取决于能改进可获得的和易性和自密性的纤维的类型和总量。
维持SCRM自密实性和稳定性的超塑性材料的最佳掺入量和加入的钢化纤维的可能最大值，能够通过V型漏斗试验进行测试。但是，没有一个唯一的V型漏斗时间能够证明其自密实性，这是由于SCRM稳定性和流体性相关的混合物总量、钢化纤维量和粘性物质三者共同作用的效果。SCRM混合物量做为纤维数量—V型漏斗时间关系的一种函数，能通过运用上述试验方法进行研究。
钢化纤维的掺入极好的改进了抗弯强度和抗压强度。从表面力增益的观点来看，这种改进可能归因于混合物自密实性的增强及钢纤维和灰浆的紧密型的增强。
钢化纤维的掺入（156kg/）将由于磨损造成的重量损失降低42%，并且将在28天后将其抗弯能力提高19%。在给定粘性物质量的情况下，当为FR-SCRM维持适当的流体特性时，纤维量和超塑性材料量的最佳化能产生较好的力学和相互依存的机械效果。