呂浩平 李艷杰 郝元灝 朱崇績 劉世璽

(濟南大學土木建筑學院,濟南 250022)

0 引 言

普通混凝土是一種脆性材料,其顯著特點是抗拉強度低、斷裂韌性差。這一缺陷驅動著纖維材料這一新興學科的迅速發(fā)展。研究者們將具有足夠機械性能的分散纖維添加到混凝土中,以改善韌性,增加抗疲勞負荷,提高耐磨性和抗彎、抗剪強度[1-2]。這種具有超高韌性的復合材料通常稱為纖維增強水泥基材料(Fiber Reinforced Cement-Based Materials,FRCM),主要由水泥、粉煤灰、細骨料和纖維組成,是一種具有巨大的結構和工程應用潛力的改良混凝土材料[3-4]。

目前可用于加固材料的纖維主要有四種:鋼纖維、玻璃纖維、天然纖維和合成纖維。對聚丙烯纖維的表面進行改性處理,使其呈凹凸不平狀態(tài),提高了纖維與混凝土的粘結力和摩擦力,改善混凝土的開裂后性能;與鋼纖維和玻璃纖維相比,具有很好的抗腐蝕能力;與天然纖維相比,其耐用性較好;與其他合成纖維(PVA、PE等)相比,改性聚丙烯纖維加工簡單,成本更低,且更易于分散,安全環(huán)保。所以本研究選用改性聚丙烯纖維(Modified Polypropylene Fiber, MPPF)作為MPP-FRCM的加強材料。

近幾十年來,對纖維材料的實驗研究一直有著不同的方向[2,5-6]。目前,國內(nèi)外學者對聚丙烯FRCM的各種性能進行了試驗研究。王來貴等[7]研究了不同纖維摻入量的聚丙烯FRCM變形破壞規(guī)律,解釋了其塑性提高的特征;Zhu等研究發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維的加入不僅能提高FRCM的強度,而且還表現(xiàn)出更好的抗裂性和彎曲韌性,并提出了一種更合適的抗彎韌性評價方法[8];Jin等研究發(fā)現(xiàn)高強聚丙烯纖維制成的輕質FRCM有高強度、高延展性和良好的裂縫控制,具有實際的應用價值[9];張麗哲等用濃硫酸氧化法對聚丙烯纖維進行改性,進行了早期抗裂研究,發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維改性能顯著增強FRCM的早期抗裂性能[10];靳賀松等以質量損失為評價指標研究了聚丙烯FRCM的抗凍性能,發(fā)現(xiàn)其基本性能均保持較高水平[11],為聚丙烯纖維在寒冷地區(qū)的應用提供了參考。

然而,有關FRCM攪拌工藝的研究鮮有報道。對于FRCM而言,攪拌工藝對纖維的分散起著重要作用,而纖維的均勻分散對FRCM的工作性和力學性能均有很大的影響。因此,確立一個可靠的攪拌工藝具有十分重要的研究意義和實際應用價值。

彎曲性能是水泥基復合材料的主要力學性能之一,主要通過彎曲強度和彎曲韌性來評價。FRCM的典型特征是在彎曲和拉伸載荷下可以承受較大的變形,具有明顯的多次開裂和應變硬化行為。這樣,FRCM在大變形情況下可以對裂縫的擴展起限制作用,并保持承載能力[12-14]。因此,有必要了解MPP-FRCM的抗彎性能,為實際應用提供指導。

為了減少攪拌過程的纖維斷裂,提高纖維在FRCM中的均勻分布。本研究將通過調(diào)整加料順序和控制攪拌時間,對比不同攪拌工藝的纖維分散效果、拌和物的工作性能和強度,提出適宜的攪拌工藝。同時為了驗證了不同直徑和不同摻量的改性聚丙烯纖維對MPP-FRCM彎曲性能帶來的提升,對MPP-FRCM平板試件進行四點彎曲試驗。

1 材料及配比

1.1 原材料

本研究選用標號為P·O 42.5的普通硅酸鹽水泥和Ⅰ級粉煤灰作為膠凝材料,水泥和粉煤灰的基本性能如表1、2所示。所有混合物的細骨料均采用石英砂,粒徑為0.106～0.425 mm,密度為2 660 kg/m3,含水量≤0.05。試驗用水為濟南大學土木建筑綜合實驗樓內(nèi)的自來水。增強材料選用寧波時科新材料科技有限公司提供的改性聚丙烯纖維,長度分別為6,9,12,16,20 mm,其物理和機械性能指標見表3。如圖1所示,改性聚丙烯纖維表面經(jīng)過壓痕處理,呈凹凸不平狀態(tài),以改善纖維與基體之間的物理摩擦。采用聚羧酸高效減水劑作為減水劑,羥丙基甲基纖維素作為增稠劑,改善復合材料的工作性能。

表1 P·O 42.5普通硅酸鹽水泥物理性能指標Table 1 Physical property indexes of P·O 42.5 ordinary portland cement

表2 Ⅰ級粉煤灰基本性能指標Table 2 Basic performance indexes of grade Ⅰ fly ash

表3 改性聚丙烯纖維基本性能指標Table 3 Basic performance indexes of modified polypropylene fiber

圖1 改性聚丙烯纖維Fig.1 Modified polypropylene fiber

1.2 攪拌工藝

為測試纖維摻加順序、攪拌方式和攪拌時間對改性聚丙烯纖維增強砂漿的工作性和力學性能的影響,選擇四種不同的攪拌工藝進行試驗,以確定最佳的攪拌工藝,使后續(xù)試驗更加合理可行。改性聚丙烯纖維攪拌工藝如圖2所示。纖維先摻法為先將水泥、粉煤灰、石英砂和纖維進行干拌,隨之將混合有外加劑的水加入到干料中進行濕拌。纖維后摻法為先將水泥、粉煤灰和石英砂進行干拌,隨之將混合有外加劑的水加入到干料中進行濕拌,纖維在濕拌30 s后加入。

圖2 纖維攪拌工藝Fig.2 Fiber mixing process

1.3 配合比

為研究攪拌工藝對力學性能的影響,根據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》中的規(guī)定,試樣尺寸確定為40 mm×40 mm×160 mm。對于3 d、7 d、28 d不同的養(yǎng)護周期,每種攪拌工藝制作3組9個試樣,共36個棱柱試樣。為測試改性聚丙烯纖維對水泥基材料彎曲性能的影響,采用尺寸為 400 mm×100 mm×15 mm的平板試樣進行研究。針對于纖維長度和纖維摻量,制作了11組33個平板試樣。平板試樣標識符的含義:第1個字母代表試樣的用途,W代表用來研究改性聚丙烯對彎曲性能的影響;第2個字母L和第1個數(shù)字代表纖維的長度;第3個字母C和第2個數(shù)字代表纖維的摻量。例如,WL12C2代表用12 mm的改性聚丙烯纖維,摻量為2%制造的平板試樣。棱柱試樣和平板試樣的基體配合比見表4。

表4 纖維增強膠凝材料的基體配合比Table 4 Matrix mix proportion of fiber reinforcedcementitious materials kg/m3

1.4 試件制備

為確保一致性,所有試樣均按照以下統(tǒng)一程序制造。首先按照圖2所示纖維攪拌工藝將材料用JJ-5型號水泥膠砂攪拌機進行攪拌;然后將拌和物倒入對應的模具中;最后,將充滿混合物的鋼模在振動臺上振動30 s。試樣在室中固化 24 h然后脫模。脫模后,將試件放入標準固化室中養(yǎng)護至規(guī)定齡期。標準固化室內(nèi)溫度為(20±2)℃,相對濕度為98%。棱柱試樣根據(jù)需要進行3 d、7 d、28 d的養(yǎng)護,平板試件進行28 d的養(yǎng)護。

2 測試方法

2.1 纖維分散性能

根據(jù)GB/T 21120—2018《水泥混凝土和砂漿用合成纖維》,采用水洗分析法作為表征改性聚丙烯纖維分散性的評價方法。每次漿體攪拌完成后,立刻取2 kg新鮮漿體各3組,使用75 μm方孔篩反復清洗新鮮拌和物并分離出纖維,將其放到(105±5)℃干燥箱中烘干至恒重,冷卻至室溫后稱出纖維質量,精確至0.01 g,與理論值比較。若理論值與試驗纖維含量的算數(shù)平均值的誤差范圍不超過±10%,則認為纖維在基體中分散性良好。

2.2 工作性能

工作性指混凝土在操作過程中必須具有良好的施工性能,避免發(fā)生泌水、離析和分層等現(xiàn)象。良好的工作性能夠確保獲得均勻密實的拌和物,所以根據(jù)GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》、GB/T 15231—2008《玻璃纖維增強水泥性能試驗方法》和GB/T 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》規(guī)定方法對不同攪拌工藝的拌和物測試流動度、體積密度、含水量、吸水率和凝結時間等工作性能參數(shù),以驗證其工作性能。

2.3 砂漿強度

不同的攪拌工藝對硬化后的FRCM的力學性能會有一定程度的影響。參照GB/T 17671—1999,棱柱試件成型3 d、7 d和28 d后,用抗折抗壓一體機測得不同攪拌工藝下制備的MPP-FRCM試件的抗折抗壓強度。

2.4 彎曲性能

為了研究改性聚丙烯纖維長度和摻量對MPP-FRCM彎曲性能的影響,采用四點彎曲試驗對平板試件進行試驗研究。試驗在美斯特微機控制電子萬能試驗機上進行,以0.5 mm/min 的位移速率來控制加載過程。兩個線性可變位移傳感器 (LVDT) 安裝在跨中以測量撓度,如圖3所示。

圖3 四點彎曲試驗裝置Fig.3 Four-point bending test device

3 試驗結果與分析

3.1 攪拌工藝對改性聚丙烯纖維分散性影響

表5為本次試驗測得的改性聚丙烯纖維增強砂漿拌和物中的纖維含量結果。由表可知,不同攪拌工藝得到的新鮮拌和物中纖維含量測量值與理論值的偏差均不超過±10%,并且后摻纖維法的偏差小于先摻纖維法,說明其纖維分散性更好。在相同的攪拌方式和攪拌時間下,測量值與理論值的偏差隨著攪拌速度的提高而增大,說明慢速攪拌更加有利于纖維在基體中的均勻分散。

表5 新鮮拌和物中纖維含量Table 5 Fiber contents in fresh mixture

3.2 攪拌工藝對纖維增強砂漿工作性的影響

表6為本次試驗測得的改性聚丙烯纖維增強砂漿拌和物的工作性性能。在所有不同攪拌工藝得到的新鮮拌和物均未觀察到離析現(xiàn)象,說明攪拌工藝對纖維增強砂漿的抗離析性能影響不大?？芍?攪拌工藝對纖維增強砂漿的體積密度、含水率和吸水率沒有明顯影響。當采用纖維后摻法和快速攪拌時(B2),纖維增強砂漿拌和物的初、終凝時間較快。已有研究表明,良好的流動度是保證纖維在基體拌和物中均勻分散的重要影響因素[15]。由圖4可知,拌和物的流動性會隨著攪拌速度的加快而降低,對纖維的均勻分散產(chǎn)生不利影響。采用后摻纖維法和慢速攪拌時(B1),拌和物流動性最好,為180 mm。這與3.1節(jié)中現(xiàn)象一致,拌和物良好的流動性有助于纖維的均勻分散。

表6 改性聚丙烯纖維增強砂漿拌和物性能Table 6 Properties of modified polypropylene fiber reinforced mortar mixture

圖4 不同攪拌工藝制備拌和物流動性Fig.4 Fluidity of mixture prepared by different mixing processes

3.3 攪拌工藝對纖維增強砂漿力學性能的影響

圖5為本次試驗測得不同攪拌工藝的改性聚丙烯纖維增強砂漿拌和物的抗壓抗折強度。由圖可知,與先摻纖維法相比,采用后摻纖維法攪拌工藝制作的MPP-FRCM試件在相同齡期下(3 d、7 d和28 d)具有更高的抗壓強度和抗折強度。這是因為采用后摻纖維法時,纖維在砂漿拌和物中的分散更加均勻,大量的短切纖維在基體內(nèi)相互交錯形成網(wǎng)狀結構,增強了纖維與基體之間的黏結力,避免了纖維結團、成絮等造成的基體內(nèi)部缺陷。與快速攪拌工藝(A2和B2)相比,采用慢速攪拌工藝(A1和B1)制備的試件強度均表現(xiàn)出更高的力學性能,因為過快的攪拌速度可能會損傷纖維表面,甚至會使部分纖維彎曲或折斷,進而影響試件強度。

綜上所述,纖維后摻和慢速攪拌時的纖維分散更均勻,工作性能更好,制備的試件強度更高,所以認為B1為適宜的攪拌工藝,后續(xù)試驗均采用此種攪拌工藝。

a—抗壓強度; b—抗折強度。圖5 不同攪拌工藝強度對比Fig.5 Strength comparison of different mixing processes

3.4 改性聚丙烯纖維增強砂漿拌和物彎曲性能評價

本節(jié)將根據(jù)荷載-撓度曲線、抗彎比例極限強度(初裂強度)、抗彎破壞強度(峰值強度)、延性比、韌性和殘余強度等分析纖維長度和摻量對MPP-FRCM彎曲性能的影響。

根據(jù)ASTM-C1018確定開裂荷載、初裂撓度、峰值載荷和峰值撓度。彎曲載荷由式(1a)轉換為彎曲應力,得到初裂強度σc和峰值強度σP。峰值撓度δP與初裂撓度δC的比值被定義為延性比βD,用于評估試樣的延性,如式(1b)所示。試件彎曲應力和延性比的計算結果見表7。

σ=PL/(bh2)

(1a)

βD=δP/δC

(1b)

式中:σ為彎曲應力,MPa;P為外加荷載,N;L為跨度,mm;b和h分別為試件的寬度和厚度,mm。

為了評估MPP-FRCM的彎曲韌性和能量吸收能力,本研究依據(jù)ASTM-C1018標準引入韌性指數(shù)來對其彎曲韌性進行分析。ASTM-C1018韌性指數(shù)法為能量比值法,荷載-撓度曲線下的面積越大,能量吸收能力越強,材料的韌性越好。ASTM-C1018韌性指數(shù)法基本原理如圖6所示,其中A為初次開裂點,δ為初裂撓度,選取初裂撓度的3倍(3δ)、5.5倍(5.5δ)、10.5倍(10.5δ)和15.5倍(15.5δ),根據(jù)式(2)計算相應的韌性指數(shù)I5、I10、I20和I30。剩余強度系數(shù)表示在特定區(qū)間內(nèi)后開裂階段保留的強度占第一次開裂強度的百分比。它是衡量梁或板在特定加載階段的可持續(xù)性的指標。剩余強度系數(shù)由式(7)計算。彎曲韌性和殘余強度的計算結果見表8。

I5=(T1+T2)/T1

(2a)

I10=(T1+T2+T3)/T1

(2b)

I20=(T1+T2+T3+T4)/T1

(2c)

I30=(T1+T2+T3+T4+T5)/T1

(2d)

(2e)

式中:T1、T2、T3、T4、T5分別表示區(qū)域Ωc、Ω3、Ω5.5、Ω10.5、Ω15.5的面積。

圖6 基于ASTM C1018的韌性指數(shù)的基本原理Fig.6 Basic principle of toughness indexes based on ASTM C1018

表7 四點彎曲試驗彎曲應力和延性比計算結果Table 7 Calculation results of bending stress and ductility ratio of four-point bending test

表8 四點彎曲試驗彎曲韌性和剩余強度的計算結果Table 8 Calculation results of bending toughness and residual strength of four-point bending test

未摻加和摻加纖維的試件表現(xiàn)出兩種不同的彎曲破壞模式,破壞后試件底面的裂紋分布如圖7所示。不同纖維長度和纖維摻量的FRCM試件的荷載-撓度曲線如圖8所示。圖7a所示,未摻加纖維的平板試件為單裂縫開裂模式。如圖8中附圖所示,當荷載達到基體開裂強度時,未摻加纖維的平板試件直接斷裂,即脆性破壞。對于最終彎曲撓度而言,未摻加纖維試件為纖維增強試件的幾十分之一。如圖7b所示,摻加纖維的平板試件為多重裂縫開裂模式,具有良好的延性和韌性,即延性破壞。如圖8所示,摻加纖維的平板試件荷載-撓度曲線大體可劃分為4個階段:1)線彈性階段:纖維和基體共同承擔應力,表面無裂縫產(chǎn)生;2)開裂階段:當外加荷載達到彈性階段極限時,荷載突降,第一條裂縫出現(xiàn)在平板彎曲段的薄弱界面或兩個加載點附近區(qū)域,隨之外部荷載由基體傳遞至橫跨裂縫處的纖維,板中纖維作為微筋材橋接著水泥基體,承受外部荷載作用并吸收能量,提供了一定的應力支撐,避免了水泥基體一裂即壞;3)應變硬化階段:繼續(xù)加載,試件承載力會逐漸增加,也會有新的裂縫產(chǎn)生,不同的是,當纖維長度小于12 mm時(6,9 mm),試件開裂后仍具有一定的承載能力,但荷載-撓度曲線表現(xiàn)為應變軟化行為,荷載-撓度曲線出現(xiàn)了2～3次荷載突降,是因為平板試件的多重裂縫開展模式;4)應變軟化階段:大量纖維被拔出,在某一條裂縫發(fā)生破壞(破壞截面纖維均為拔出破壞,因為基體-纖維界面的最大粘結力小于纖維極限抗拉強度),裂縫寬度越來越大,試件承載能力緩慢下降。

a—未摻加纖維增強試件; b—摻加纖維增強試件。圖7 試件底面的裂紋分布Fig.7 Crack distribution on the bottom surface of the specimen

a—不同纖維長度; b—不同纖維摻量。圖8 不同類型試件四點彎曲試驗荷載-撓度曲線Fig.8 Load-deflection curves of four-point bending test of different types of specimens

3.4.1不同纖維長度對彎曲性能的影響

采用五種不同長度的改性聚丙烯纖維制作平板試樣,以研究纖維長度對MPP-FRCM彎曲性能的影響。不同纖維長度的FRCM試樣的彎曲性能指標如圖9所示。當纖維摻量為2.0%時,不同纖維長度FRCM平板試件的平均初裂強度在5.40～7.87 MPa之間,均值6.60 MPa;平均初裂撓度在0.639～0.822 mm之間,均值0.736 mm;平均峰值強度在6.08～8.27 MPa之間,均值6.9 MPa;平均峰值撓度在0.639～8.712 mm之間,均值3.612 mm。由圖9a可以看出,當纖維摻量相同時,12 mm長的改性聚丙烯纖維對試樣的增強效果最好,WL12C2.0的σC和σP比對照試件WL0C0高26.12%和32.53%。這與文獻[16-17]用聚乙烯醇纖維觀察到的結果相一致。同時,圖9b顯示,WL20C2.0試件的δP和βD分別比對照試件WL0C0高1 240%和1 079%,比WL12C2.0高509.09%和555%,表明采用20 mm長的纖維試樣的延展性最高。此外,圖9c顯示,隨著纖維長度的增加,韌性指標隨之增加,表明纖維長度的增大能夠提高材料的韌性和能量吸收能力。WL20C2.0試件的I5、I10、I20和I30為所有試件最高,與WL6C2.0相比分別從3.33、6.25、10.38和11.30分別增加到6.32、13.12、29.33和44.93,分別增大了89.79%、109.92%、480.43%和297.61%。同時圖9d顯示,WL12C2.0的殘余強度R5,10、R10,20和R20,30分別比WL6C2.0高132.88%、292.49%和1 595.65%,反映了試樣的最佳能量吸收和承載能力。

3.4.2不同纖維摻量對彎曲性能的影響

采用六種不同摻量的改性聚丙烯纖維制作平板試樣,以研究不同摻量對MPP-FRCM彎曲性能的影響。纖維摻量對峰值應力和延性的影響如圖10a和圖10b所示。當纖維長度固定為12 mm時,不同纖維摻量MPP-FRCM平板試件的平均初裂強度在6.71～9.13 MPa之間,均值7.71 MPa;平均初裂撓度在0.740～0.987 mm之間,均值0.874 mm;平均峰值強度在7.00～9.33 MPa之間,均值8.01 MPa;平均峰值撓度在0.927～2.082 mm之間,均值1.459 mm。由圖10a中可以看出,隨著纖維摻量從0.5%增加到3.0%,σC和σP分別從6.81和7增加到了9.13和9.33,分別增加了34.07%和33.29%。由圖10b中可以看出,試件WL12C3.0的δP和βD最高,即改性聚丙烯纖維的高摻量會對FRCM的延性起著積極的作用。但是對于試件WL12C2.5,出現(xiàn)了局部下降,是試件局部缺陷所導致。

a—初裂強度和峰值強度; b—峰值撓度和延性比; c—彎曲韌性; d—殘余強度。 圖9 不同纖維長度FRCM試件彎曲性能Fig.9 Bending properties of FRCM specimens with different fiber lengths

a—初裂強度和峰值強度; b—峰值撓度和延性比; c—彎曲韌性; d—殘余強度。 圖10 不同纖維摻量FRCM試件彎曲性能Fig.10 Bending properties of FRCM specimens with different fiber contents

纖維摻量對韌性指數(shù)和殘余強度的影響見圖10c和圖10d。由圖10c中可以看出,當纖維摻量從0.5%增加到3.0%時,I5呈先增加后減少的趨勢;在纖維摻量為2.0%時最大,但I10、I20和I30都伴隨纖維摻量的增加而增大。這說明當纖維摻量為2.0%時,FRCM試件的早期耗能能力強。對于后期耗能能力而言,是WL12C2.0較強。由圖10d中可以看出,WL12C2.5試件的R5,10是最大的,比WL12C0.5試件提高了50.34%。但是對于R10,20和R20,30,都是隨著纖維摻量的增大而增大。WL12C3.0的R10,20和R20,30相比WL12C0.5分別提高了77.70%和120.95%。由此可見,WL12C3.0試件具有較好的承載能力,這與峰值強度的變化規(guī)律基本一致。

綜上,MPP-FRCM具有較高的延性、優(yōu)越的裂縫控制能力和極高的吸能能力。由于這些優(yōu)點,改性聚丙烯纖維增強水泥基材料非常適合作為損傷結構的修補材料、產(chǎn)生大變形的橋面板、惡劣環(huán)境下鋼筋混凝土結構的保護層,提高建筑物和構筑物的使用壽命。

4 結束語

1)后摻纖維和慢速攪拌(B1)得到的新鮮拌和物中的纖維分散均勻,工作性能良好,其澆筑的試件3 d、7 d和28 d的抗壓抗折強度最好,綜合性能最高,確定其為最優(yōu)的攪拌工藝。

2)對于相同纖維摻量、不同纖維長度的MPP-FRCM,12 mm長的纖維增強試件彎曲強度最高,20 mm長的纖維增強試件具有良好的延展性、韌性和殘余強度。

3)對于相同纖維長度、不同纖維摻量的MPP-FRCM,彎曲強度、延展性、韌性和殘余強度隨著纖維摻量的增加而增大,其中WL12C3.0試件表現(xiàn)出最佳的抗彎性能。