張麗輝　劉建忠　陽知乾　徐德根　李　林

(江蘇省建筑科學研究院有限公司高性能土木工程材料國家重點實驗室，南京　210008)(江蘇蘇博特新材料股份有限公司，南京211103)

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不同截面形狀PP纖維對砂漿
抗塑性開裂的影響及機理

張麗輝劉建忠陽知乾徐德根李林

(江蘇省建筑科學研究院有限公司高性能土木工程材料國家重點實驗室，南京210008)(江蘇蘇博特新材料股份有限公司，南京211103)

摘要:為了揭示不同截面形狀聚丙烯(PP)纖維對砂漿抗塑性開裂的影響，采用平板約束法、熒光分析技術和掃描電子顯微技術(SEM)分別對砂漿塑性開裂、纖維分散和纖維/基體界面形貌進行研究．結果表明:纖維長度、當量半徑和摻量相同時，異形截面PP纖維提升砂漿塑性抗裂性能的效果優(yōu)于圓形截面;將三角形和三葉形截面PP纖維與圓形截面PP纖維相比，前二者纖維的本體抗彎剛度提高幅度均大于20．88%，比表面積分別提高了28．6%和37．1%，纖維分散有效利用率分別提高了17．62%和30．70%，同時，纖維/基體間界面更致密，纖維表面粘附的水化產物更多．本體抗彎剛度、分散性、比表面積和纖維/基體界面黏結力的提高是異形截面PP纖維提高砂漿抗塑性開裂能力的關鍵因素．

關鍵詞:聚丙烯纖維;截面形狀;塑性開裂;砂漿

引用本文:張麗輝，劉建忠，陽知乾，等．不同截面形狀PP纖維對砂漿抗塑性開裂的影響及機理［J］．東南大學學報(自然科學版)，2016，46 (1) : 160－164．DOI: 10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．026．

水泥基材料在凝結硬化前由于收縮受限將引起表層開裂［1］．近年來，混凝土朝超高強、超高韌和超高性能的方向發(fā)展，高性能減水劑和礦物摻合料在混凝土中得到普遍使用，以低水膠比和大流動性為特征的高強混凝土在工程中得到越來越廣泛的應用，混凝土塑性開裂問題變得更為突出，這嚴重影響混凝土結構的耐久性和使用壽命［2］．國內外普遍認為摻入纖維(尤其是聚丙烯纖維)是減少混凝土結構開裂的有效技術措施之一［3］．關于聚丙烯(PP)纖維對混凝土收縮開裂的影響規(guī)律已有諸多報道，Banthia等［3］、Pelisser等［4］研究表明，低密度膜裂型長的PP纖維能有效提高混凝土的抗塑性收縮開裂能力，且纖維體積摻量越大，抗塑性收縮開裂性能越優(yōu)．錢春香等［5］認為，隨著纖維摻量和長度的增加，抗塑性收縮開裂的效果隨之提高，且截面形狀為多邊形對提高砂漿塑性收縮抗裂效果要好于圓形的，其研究結論與劉麗芳等［6］的研究結果一致．馬一平等［7－8］研究也表明，纖維體積摻量增加、直徑減小和長度加大，均可提高砂漿的塑性抗開裂能力．綜上，相關研究大都偏重于各種因素(如摻量、長度、直徑和截面形狀)協(xié)同對塑性收縮抗裂的影響規(guī)律，未采用控制變量法針對性地討論單一變量的影響．在機理分析方面則基于纖維間距理論定性認為纖維根數(shù)增加和纖維/基體間界面黏結力提高引起塑性抗開裂能力提高，未考慮纖維分散對塑性收縮開裂性能的影響．文獻［9－12］指出纖維在水泥基體中均勻分散是增韌阻裂作用發(fā)揮的前提條件，且纖維在混凝土中的分散性能除受配合比、分散助劑和攪拌工藝等影響外，纖維本體特征(如長度、直徑、摻量和截面形狀等)也是重要且必須考慮的影響因素，其中纖維截面形狀異形化使纖維具有很多優(yōu)良性能(如高光澤度、抗靜電和優(yōu)良抗變形能力等)［13－14］，因此，異形纖維是頗具發(fā)展前途的一種差別化纖維．

本文以異形PP纖維為研究對象，采用平板約束法針對性研究PP纖維截面形狀對砂漿塑性收縮開裂性能的影響．以裂縫面積、平均裂縫寬度和最大裂縫寬度作為評價指標，并借助熒光分析技術手段［15－17］，以纖維分散系數(shù)和纖維有效利用率2個指標定量表征不同截面形狀PP纖維在砂漿中的分散性能．最后從纖維分散和纖維/基體界面2個角度出發(fā)，綜合揭示PP纖維截面形狀對砂漿抗塑性開裂的作用機理．

1　試驗

1．1材料

水泥采用江南小野田水泥有限公司生產的P·Ⅱ52．5硅酸鹽水泥(簡稱C) ;細集料為天然潔凈河砂，細度模數(shù)為2．6;采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司自主研發(fā)和生產的JM-A萘系高效減水劑和PP纖維．水泥、礦渣(簡稱SL)和硅灰(簡稱SF)的化學組成見表1．PP纖維SEM形貌見圖1，其物理力學性能指標均相同，密度為0．91 g /cm3，極限抗拉強度為460 MPa，彈性模量為4．3 GPa，極限伸長率為22．8%，當量半徑r = 19．7 μm，長度L =12 mm．

表1　原材料化學成分組成　%

圖1　不同截面形狀PP纖維SEM形貌

1．2試驗配比和制備

試驗基準砂漿配比為:水膠比為0．4，砂膠比為1．2，m(水泥)∶m(礦渣)∶m(硅灰)∶m(減水劑) =1∶0．25∶0．25∶0．006，纖維體積摻量為0．2%．先將水泥、礦渣、硅灰和天然河砂倒入攪拌機干拌1 min，再加入纖維進行攪拌1 min，最后加入水和減水劑攪拌3 min，保證纖維在水泥砂漿中的均勻分散．攪拌結束后，分2層澆筑40 mm×40 mm×160 mm試件，1 d后拆模，在溫度為(60±1)℃、相對濕度大于95%的環(huán)境下養(yǎng)護3 d．

1．3試驗方法

采用平板約束法對PP纖維砂漿的塑性開裂性能進行測試，模具示意圖見圖2．待水泥砂漿漿體攪拌結束后將砂漿裝入模具中，并置于通過恒溫恒濕一體機進行調節(jié)的溫度(34±1)℃和濕度(31%±1%)恒定的房間內;將碘鎢燈和風速控制裝置作為試樣表面的熱源和風源，實現(xiàn)溫度和風速的有效控制．成型6 h后觀察砂漿試樣的開裂情況，采用佳能5 D mark II相機及佳能EF 100 nm微距鏡頭對裂縫進行圖像采集．采用Image-Pro Plus 6．0對所獲得的圖像進行分析，并利用裂縫面積、平均裂縫寬度和最大裂縫寬度3個指標對纖維的塑性抗開裂性能進行表征［2］．

圖2　塑性開裂模具示意圖(單位: mm)

根據(jù)熒光分析技術手段［15－17］，采用Olympus MVX10宏觀變倍體式熒光顯微鏡和GFP濾波器進行樣品(自養(yǎng)護3 d后的試件中取樣)熒光圖像觀察和獲取，再利用Image-Pro Plus 6．0對所獲得的熒光圖像進行分析，采用纖維分散系數(shù)和纖維有效利用率2個指標評價不同截面形狀PP纖維在水泥砂漿中的分散性能．

纖維分散系數(shù)［17］計算公式為

式中，t為試件某切割面所采集的二維熒光圖像數(shù)，一般t =60; Xi為切割面上第i張圖像中纖維的根數(shù); Xave為采集的所有圖像中纖維根數(shù)的平均值;α為纖維分散系數(shù)，當α∈［0．5，1］時，表示纖維分散均勻，當α∈［0，0．5)時，表示纖維分散不均勻．

定義纖維有效利用率為單位面積內纖維實際根數(shù)與理論根數(shù)的比值，即

式中，A，T分別為單位面積內纖維實際根數(shù)和理論根數(shù);η為纖維有效利用率，η∈［0，1］，其值越接近1，說明纖維分散越均勻，結團現(xiàn)象越不明顯．T的計算式為［18］

式中，C為纖維取向系數(shù)，假定纖維均勻分布，則C =0．5; Vf為試驗中的纖維體積分數(shù); Af為單根纖維截面面積，Af=πr2，mm2．

采用美國FEI公司生產的QUANTA 250進行纖維/基體界面觀察，電壓為5 kV，放大倍數(shù)為1 500和4 000．

2　試驗結果

2．1 PP纖維對砂漿抗塑性開裂的影響

不同截面形狀的PP纖維對砂漿抗塑性開裂性能影響的試驗結果見表2．

表2　PP纖維對砂漿抗塑性開裂的影響

從表2可以看出，摻入PP纖維能有效提高砂漿的塑性抗開裂能力，且截面形狀為異形的抗裂效果均優(yōu)于圓形截面的，其中三葉形截面對塑性抗開裂能力的提升效果最好．相比基準，纖維截面形狀為圓形、三角形和三葉形截面時，對應的開裂面積分別降低了40．18%，44．15%和54．56%，最大裂縫寬度分別降低了37．27%，40．37%和45．34%，平均裂縫寬度分別降低了45．09%，48．56%和58．13%．纖維提高砂漿抗塑性開裂性能原因:①亂向分布于砂漿基體中的纖維可形成亂向撐托體系，有效阻止了由于漿料離析產生的沉降裂縫;②由于纖維的引氣作用增加了大氣泡的數(shù)量，降低了毛細管負壓，致使塑性收縮開裂減小．此外，由于異形截面纖維與基體間的接觸面積增加，在纖維均勻分散的前提下，纖維/基體間界面黏結作用力增加，表現(xiàn)為異形截面提升效果較圓形截面更明顯．

2．2 PP纖維在砂漿中的分散性能

圖3　PP纖維在砂漿中的分散性能

基于熒光分析技術和圖像處理分析方法，不同截面形狀PP纖維在砂漿中的分散系數(shù)和纖維有效利用率研究結果見圖3．由圖可見，異形截面形狀PP纖維在砂漿中的分散系數(shù)和有效利用率比圓形截面均有提高，尤其是三葉形PP纖維的有效利用率提高幅度最大．以圓形截面PP纖維分散性能為基準，截面形狀為三角形和三葉形時，對應的分散系數(shù)分別提高了5．7%和11．38%，有效利用率則分別提高了17．62%和30．70%．

2．3 PP纖維與砂漿界面形貌

由掃描電子顯微(SEM)分析技術得到的不同截面形狀纖維與砂漿基體間微觀形貌見圖4．由圖可見，異形截面PP纖維與基體間的致密性比圓形截面的要好，且異形截面纖維表面黏附的水化產物也比圓形截面的多，這是異形多邊形截面的PP纖維比表面積更大所致．

圖4　PP纖維與砂漿基體界面形貌SEM圖

3　機理分析

3．1 PP纖維抗彎剛度及其分散性能

熒光圖像分析結果(見圖3)顯示，異形截面PP纖維在水泥砂漿中的分散性能比圓形截面均有提高．

以圖5的三角形和圓形截面為例，三角形和圓形截面PP纖維抗彎剛度計算式為

式中，Kt，f，Kc，f分別為三角形和圓形截面纖維的抗彎剛度，GPa·mm4; Et，f，Ec，f為三角形和圓形截面纖維的彈性模量，GPa; It，f，Ic，f為三角形和圓形截面纖維的慣性矩，mm4．

由式(4)計算可得，三角形截面的抗彎剛度比圓形截面的抗彎剛度提高了20．88%．根據(jù)文獻［13］，在相同荷載作用下，三葉形截面、三角形截面和圓形截面的伸長量與壓縮量見表3．

圖5　PP纖維示意圖(單位:μm)

表3　PP纖維的伸長量和壓縮量值比較結果　mm

如表3所示，異形截面的纖維變形量均比圓形的要小，承受的拉伸和壓力要大，因而受荷載作用下的抗彎折和抗搭接性能更好．

異形截面纖維本體抗彎剛度、抗荷載伸長與壓縮能力的提高，提升了異形截面纖維的分散性，尤其是纖維有效利用率，因此，能有效降低由于塑性沉降和毛細管負壓增大所引起的塑性收縮開裂風險，提高異形截面PP纖維的抗塑性開裂能力．

3．2 PP纖維比表面積及其與基體間界面性能

SEM分析結果(見圖4)顯示，異形截面PP纖維與基體間的致密性更好，且表面黏附的水化產物更多．當3種不同截面形狀的纖維當量半徑相同，即橫截面面積相同時，假定三葉形截面纖維為直角三葉形、纖維長度為L，則圓形、三角形、三葉形截面形狀PP纖維的比表面積之比為Sc∶St∶Sf= (2πrL)∶(3lL)∶(9aL) =1∶1．286∶1．371，即三角形和三葉形截面PP纖維的比表面積比圓形截面的分別提高了28．6%和37．1%．因此，異形截面纖維比表面積的增大為纖維/基體間界面黏結力的提高奠定了基礎，在纖維分散性尤其是有效利用率提高的基礎上，提高了纖維對水泥砂漿的橋接作用，抑制了微裂縫的產生，進而提高了纖維的塑性抗開裂能力．

綜上，異形截面PP纖維提高砂漿塑性抗開裂性能的主要原因在于，隨著異形截面纖維抗彎剛度的提高和比表面積的增大，纖維在砂漿中的分散性能(尤其是纖維有效利用率)和纖維/基體界面黏結力也提高．

4　結論

1)當纖維長度、當量半徑和體積摻量相同時，異形截面PP纖維對砂漿塑性抗開裂性能依次為三葉形、三角形、圓形．

2)與圓形截面PP纖維相比，異形截面PP纖維提高砂漿抗塑性開裂性能的主要原因在于其本體抗彎高度更高、比表面積更大、在砂漿中分散性能更優(yōu)及與基體界面黏結力更強．

3)三葉形PP纖維比表面積及其在砂漿中的分散有效利用率較圓形截面PP纖維分別提高了37．1%，30．70%;三葉形PP纖維砂漿的塑性開裂面積、最大裂縫寬度和平均裂縫寬度較基準砂漿分別降低了54．56%，45．34%和58．13%．

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Influences and mechanism of polypropylene fibers with different cross-sections on anti-plastic-cracking of cement mortar

Zhang Lihui Liu Jianzhong Yang Zhiqian Xu Degen Li Lin
(State Key Laboratory of High Performance Civil Engineering Materials，Jiangsu Research Institute of Building Science Co．，Ltd．，Nanjing 210008，China)
(Jiangsu Sobute New Materials Co．，Ltd．，Nanjing 211103，China)

Abstract:In order to investigate the influences of polypropylene (PP) fibers with different cross-sections on anti-plastic-cracking of cement mortar，the restrained plat test，fluorescence spectrometer and scanning electron microscope were used to study the plastic cracking of cement mortar，fiber dispersion and fiber/matrix interface morphology，respectively．The results show that the cement mortar with profiled PP fiber possesses the better anti-plastic-cracking capacity than that with circular PP fiber when the length，equivalent radius and dosage are the same．Compared triangular and trefoil PP fibers with the circular PP fiber，the strengthened ratio of intrinsic flexural rigidity of the former two fibers is increased by more than 20．88%，the specific surface areas are increased by 28．6% and 37．1%，and the effective utilization percentages of fiber dispersion are improved by 17．62% and 30．70%，respectively．Furthermore，the fiber/matrix interface becomes more compact and more hydration products are adhesive to the fiber surface．The intrinsic flexural rigidity，fiber dispersion，specific surface area and fiber/matrix interface bond are the key factors for profiled PP fibers to improve the anti-plasticcracking performance of the cement mortar．

Key words:polypropylene fiber; cross-section; plastic cracking;mortar

基金項目:國家自然科學基金重點資助項目(51438003)、江蘇省科技計劃青年基金資助項目(BK20141012)、江蘇省“六大人才高峰”資助項目(2013-JZ-003)．

收稿日期:2015-07-03．

作者簡介:張麗輝(1989—)，女，助理工程師;劉建忠(聯(lián)系人)，男，博士，教授級高級工程師，ljz@ cnjsjk．cn．

DOI:10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．026

中圖分類號:TU528

文獻標志碼:A

文章編號:1001－0505(2016) 01-0160-05