混掺陶瓷-纤维-橡胶复合砂浆的宏观性能与微观结构分析

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2026.0178

摘要/Abstract

摘要：

为缓解砂资源日益枯竭问题并改善砂浆的脆性缺陷，本研究利用陶瓷砂、橡胶微粒等质量替代机制砂并外掺聚丙烯纤维（PPF），设计、制作了9组不同配合比的复合砂浆试件。通过流动度测试、力学性能测试，以及扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）和压汞法孔隙率测试（MIP）试验，研究了陶瓷砂、PPF及橡胶微粒对砂浆工作性能、力学性能和微观结构的影响。结果表明，陶瓷砂替代50%（质量分数）机制砂时，砂浆的流动性不受影响，28 d抗压强度得到提高。复掺PPF与橡胶微粒会降低砂浆的流动度、抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折强度，但优化了复合砂浆试件的韧性。陶瓷砂-砂浆界面密实饱满，陶瓷砂替代率为50%时，砂浆的孔隙率、平均孔径和孔隙面积均降低。PPF与橡胶微粒使砂浆界面过渡区变得薄弱，且PPF会增大砂浆的平均孔径及孔隙率，橡胶微粒则细化孔径体积、改善孔径分布，但会增加有害孔数量。

关键词: 砂浆, 陶瓷砂, 聚丙烯纤维, 橡胶微粒, 力学性能, 微观机理

Abstract:

To alleviate the increasing scarcity of sand resources and overcome the inherent brittleness of mortar， this study utilized ceramic sand and rubber particles as partial replacements of mechanism sand by mass and added polypropylene fibers to design and fabricate 9 groups of composite mortar specimens with different mix ratios. Through flowability tests， mechanical property tests， as well as scanning electron microscopy， energy dispersive spectrometer and mercury intrusion porosimetry tests， the effects of ceramic sand， PPF and rubber particles on the workability， mechanical properties and microstructure of mortar were investigated. The results show that when ceramic sand replaces 50% （mass fraction） of mechanism sand， it doesn’t adversely affect the fluidity， and the 28 d compressive strength is improved. The co-addition of PPF and rubber particles reduces the flowability， compressive strength， splitting tensile strength， and flexural strength of mortar， but improves the toughness of the composite mortar specimens. The interface between ceramic sand and mortar is dense and compact. When the replacement rate of ceramic sand is 50%， the porosity， average pore diameter and pore area of the mortar all decrease. The inclusion of PPF and rubber particles weakens the interface transition zone of mortar. Furthermore， PPF increases the average pore diameter and porosity of mortar， while rubber particles refine the pore diameter and improve the pore size distribution， but increase the number of harmful pores.

Key words: mortar, ceramic sand, polypropylene fiber, rubber particle, mechanical property, microscopic mechanism

中图分类号:

TU528.09

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图/表 17

表1 水泥性能参数

Table 1 Property parameter of cement

Volume stability （boiling method）	Standard consistence/%	Fineness （45 μm）/%	Setting time/min		Flexural strength/MPa		Compressive strength/MPa
Volume stability （boiling method）	Standard consistence/%	Fineness （45 μm）/%	Initial	Final	3 d	28 d	3 d	28 d
Qualified	30	9.7	205	300	5.9	10.6	28.2	55.6

表2 聚丙烯纤维的物理性能

Table 2 Physical properties of PPF

Length/mm	Diameter/μm	Density/（g·cm^-3）	Elongation at break/%	Tensile strength/MPa	Elastic modulus/GPa
5	39	0.91	20	390	5.3

图1 细骨料的级配曲线

Fig.1 Gradation curves of fine aggregates

表3 配合比

Table 3 Mix proportion

Sample No.	Mass/g
Sample No.	Cement	Mechanism sand	Ceramic sand	PPF	Rubber particle	Water
JZ	630.0	1 530.0	0	0	0	315.0
C50F0R0	630.0	765.0	765.0	0	0	315.0
C50F2R0	630.0	765.0	765.0	12.6	0	315.0
C47.5F2R2.5	630.0	765.0	726.8	12.6	38.2	315.0
C45F2R5	630.0	765.0	688.5	12.6	76.5	315.0
C42.5F2R7.5	630.0	765.0	650.3	12.6	114.7	315.0
C40F2R10	630.0	765.0	612.0	12.6	153.0	315.0
C37.5F2R12.5	630.0	765.0	573.8	12.6	191.2	315.0
C35F2R15	630.0	765.0	535.5	12.6	229.5	315.0

图2 试件的制备与测试流程

Fig.2 Process of specimen preparation and tests

图3 复合砂浆的流动度

Fig.3 Fluidity of composite mortar

图4 不同龄期复合砂浆试件的抗压强度

Fig.4 Compressive strength of composite mortar specimens at different curing ages

图5 不同龄期复合砂浆试件的劈裂抗拉强度

Fig.5 Splitting tensile strength of composite mortar specimens at different curing ages

图6 不同龄期复合砂浆试件的抗折强度

Fig.6 Flexural strength of composite mortar specimens at different curing ages

图7 复合砂浆的劈裂抗拉强度与抗压强度比

Fig.7 Ratio of splitting tensile strength to compressive strength of composite mortar

图8 复合砂浆的抗折强度与抗压强度比

Fig.8 Ratio of flexural strength to compressive strength of composite mortar

图9 复合砂浆试件的破坏形态

Fig.9 Failure morphology of composite mortar specimens

图10 试件弹性恢复示意图

Fig.10 Schematic diagram of elastic recovery of test specimen

图11 复合砂浆试件的SEM照片与EDS谱

Fig.11 SEM images with EDS spectra of composite mortar specimens

图12 复合砂浆试件的28 d龄期孔径分布

Fig.12 Pore size distribution of composite mortar specimens cured for 28 d

图13 复合砂浆试件的综合孔隙属性

Fig.13 Comprehensive pore properties of composite mortar specimens

图14 复合砂浆试件的断面形貌

Fig.14 Cross-section morphology of composite mortar specimens

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