吳海生

(梅州市威華水利水電建設(shè)工程有限公司，廣東 梅州 514000)

0 引言

超高性能混凝土(UHPC)被用來(lái)描述由硅灰、細(xì)砂和高劑量的高濃度減水劑組成的鋼纖維增強(qiáng)的水泥基復(fù)合材料，其水膠比極低。由于其出色的機(jī)械性能，如抗壓強(qiáng)度超過(guò)150MPa，抗折強(qiáng)度超過(guò)30MPa，它是20世紀(jì)混凝土技術(shù)中最重要的突破之一。然而，UHPC相對(duì)較高的初始成本限制了它在建筑行業(yè)的廣泛使用。其主要材料中，硅灰和鋼纖維的采購(gòu)成本高，這為研究人員尋找適合開發(fā)水泥基復(fù)合材料的替代材料打開了大門。大量的補(bǔ)充膠凝材料，如粉煤灰等，被用來(lái)部分替代水泥或硅灰，以生產(chǎn)低成本、耐用和可持續(xù)的混凝土。

目前，許多研究正在尋找鋼纖維和硅灰的替代材料，以便開始開發(fā)低成本的UHPC。許多研究人員已經(jīng)調(diào)查了利用替代纖維材料(如天然或人造纖維)來(lái)替代鋼纖維的情況。潘等人[4]研究了使用棕櫚油纖維的混凝土強(qiáng)度。研究發(fā)現(xiàn)，在纖維含量為0.25%和0.50%時(shí)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度顯著增加的最佳長(zhǎng)度分別為5cm和3cm。吳等人[5]研究了含有不同體積分?jǐn)?shù)的棕櫚纖維的粉質(zhì)黏土的特性。他們得出結(jié)論，棕櫚纖維與輕質(zhì)碎磚混凝土的使用提高了混凝土的機(jī)械性能(抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度)。俞等人[6]研究了從棕櫚樹中提取的各種纖維的化學(xué)和物理特性。棕櫚樹纖維的密度明顯低于其他任何天然纖維，給予更好的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和楊氏模量，證實(shí)了使用棕櫚纖維來(lái)制造可持續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的可能性。本文的利用棕櫚纖維作為鋼纖維的部分替代物，開發(fā)綠色、低成本和可持續(xù)的超高密度復(fù)合材料的可行性。

1 試驗(yàn)方案

1.1 材料

本研究中使用了PO42.5R普通硅酸鹽水泥和硅灰，水泥和硅灰的比重分別為3.15和2.25，材料的化學(xué)成分見表1。用比重為2.56、吸水率為0.4%的細(xì)骨料(沙丘砂)來(lái)制備混合物，添加的減水劑為聚羧酸系減水劑。在水泥基復(fù)合材料中使用了長(zhǎng)度為12.7mm、直徑為0.15mm、長(zhǎng)寬比為84的光滑普通銅涂層鋼纖維作為增強(qiáng)劑。根據(jù)制造商的報(bào)告，鋼纖維的抗拉強(qiáng)度為2500MPa。棕櫚纖維是從當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)購(gòu)買的原始棕櫚纖維剔除雜志后制備獲得。圖1展示了從原始棕櫚外皮上提取棕櫚纖維的過(guò)程。用水清洗纖維并在室溫下儲(chǔ)存一周，然后將纖維切成較小的尺寸，與傳統(tǒng)鋼纖維的長(zhǎng)度相似。本研究中的棕櫚纖維平均直徑和長(zhǎng)度分別為0.85mm和12mm。在用3%的氫氧化鈉進(jìn)行堿性處理后，對(duì)棕櫚纖維的物理和機(jī)械性能進(jìn)行了測(cè)試，去除覆蓋在纖維上表面的任何蠟層、油和其他雜質(zhì)，以及減少纖維的吸水率。研究發(fā)現(xiàn)，單個(gè)棕櫚纖維的平均拉伸強(qiáng)度為112MPa。

圖1 棕櫚纖維制備過(guò)程

表1 原材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.2 混合和樣品制備

使用絕對(duì)體積法設(shè)計(jì)樣品，參考UHPC復(fù)合材料的混合設(shè)計(jì)(見表2)。所有混合物的水與粘合劑的比例為0.15。鋼纖維被棕櫚纖維取代，鋼纖維的重量比例為5%、10%、15%、20%和25%。首先，將干水泥、硅灰和細(xì)砂在中型標(biāo)準(zhǔn)混合器中以低速混合兩分鐘。然后，將減水劑和水分別混合，輕輕地加入到混合物中。直到混合物轉(zhuǎn)化為具有一定粘度的流體。而后，將纖維緩慢地引入到混合物中攪拌6分鐘，確保纖維在水泥基體中均勻分散。最后，將混凝土澆注到立方體(100mm×100mm×100mm)和棱柱體(100mm×100mm×500mm)的模具中，使用機(jī)械振動(dòng)臺(tái)將模具輕輕地振動(dòng)一分鐘，直到達(dá)到完全固結(jié)。澆注后，試樣用塑料布覆蓋24小時(shí)，并在室溫下儲(chǔ)存(22±2℃)。在室溫下固化24小時(shí)后，將試樣脫模并放入高溫蒸養(yǎng)箱中，在90℃下加速固化3天[7]。

表2 試件配合比(kg/m3)

1.3 測(cè)試方法

1.3.1物理特性

樣品的密度是根據(jù)ASTM C138/C138M—17a的規(guī)定，用精度為0.1%的天平用重量法測(cè)定。樣品的吸水率按照ASTM C1585—20標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量。

1.3.2抗壓強(qiáng)度

抗壓試驗(yàn)是根據(jù)ASTM C469標(biāo)準(zhǔn)，使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)固化后的立方體試樣進(jìn)行的。

1.3.3彎曲強(qiáng)度

四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)按照ASTM C78的規(guī)定，使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)以0.5mm/min的恒定加載速率進(jìn)行。

1.3.4掃描電子顯微鏡

使用掃描電子顯微觀察樣品的形態(tài)以及纖維與水泥基質(zhì)的界面結(jié)合情況。從試樣上輕輕地切下一小部分樣品，用碳膠片將樣品安裝在標(biāo)準(zhǔn)支架上。在5kV的加速電壓下，將樣品以100倍到1000倍的放大率進(jìn)行掃描并觀察。

2 結(jié)果和討論

2.1 抗壓強(qiáng)度

圖2中展示了測(cè)試的UHPC立方體的抗壓強(qiáng)度。測(cè)試了三個(gè)試樣，并報(bào)告了平均值。平均抗壓強(qiáng)度隨著棕櫚纖維百分比的增加而下降(例如，25%的棕櫚纖維替代導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度比0%替代率的組別下降48%)。這是由于鋼纖維和棕櫚纖維之間長(zhǎng)寬比的不同，導(dǎo)致纖維和基體之間的粘結(jié)強(qiáng)度差異。長(zhǎng)寬比為65的鋼纖維與長(zhǎng)寬比為14的普通棕櫚纖維相比具有更高的粘結(jié)強(qiáng)度。符合其他研究中報(bào)告的鋼纖維的長(zhǎng)寬比對(duì)UHPC的抗壓強(qiáng)度有很大影響。在鋼纖維替換量不變的情況下，較高的鋼纖維長(zhǎng)寬比有著較高的抗壓強(qiáng)度。高長(zhǎng)寬比的鋼纖維可以抵抗大的裂縫，提高抗壓強(qiáng)度；相反，低長(zhǎng)寬比的棕櫚纖維只能控制微裂縫的開裂和擴(kuò)展[8]。

圖2 棕櫚纖維UHPC試件抗壓強(qiáng)度

此外，鋼纖維和棕櫚纖維之間的材料特性差異，如比重、密度、吸收率、彈性模量等，都會(huì)使抗壓強(qiáng)度下降。同時(shí)，隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加會(huì)產(chǎn)生纖維捆綁，導(dǎo)致基體中的薄弱點(diǎn)，降低抗壓強(qiáng)度。

所有含有棕櫚纖維的試樣在試樣表面出現(xiàn)多條小裂縫，顯示出一種具有延展性的破壞模式。在峰值荷載下，試樣仍未發(fā)生斷裂，表明添加棕櫚纖維也改善了基體的抗爆裂性能，防止在壓縮荷載下出現(xiàn)脆性破壞。根據(jù)抗壓強(qiáng)度的結(jié)果，用棕櫚纖維替代鋼纖維的最佳比率是10%，抗壓強(qiáng)度接近于純鋼纖維增強(qiáng)超高性能混凝土。

從圖3中可以看出，無(wú)論替換的百分比如何，單軸抗壓強(qiáng)度都呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)。上升部分只有很小的變化，在應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的下降部差異較大。從圖3中還可以看出，纖維替代百分比的變化對(duì)峰值應(yīng)力有巨大的影響，纖維百分比越高越低，最高可達(dá)25%。

圖3 棕櫚纖維UHPC試件壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 彎曲強(qiáng)度

所有試樣在4點(diǎn)彎曲下的整體抗彎強(qiáng)度結(jié)果見圖4，彎曲強(qiáng)度隨著棕櫚纖維替代率的增加而降低。這種降低可以解釋為由于這些混合纖維在混合和澆注試樣時(shí)的取向和分散而造成的。此外，兩種纖維的長(zhǎng)寬比不同，可能導(dǎo)致纖維在UHPC基體中的不正確排列，如圖6中所示。結(jié)果顯示，棕櫚纖維-0的最大抗彎強(qiáng)度為31MPa，最大荷載下的最大撓度為2.3mm，而棕櫚纖維-25的值為18MPa，撓度為1.4mm。該試驗(yàn)還表明，鋼纖維對(duì)棕櫚纖維的最佳替代水平在5%～10%之間。

圖4 棕櫚纖維UHPC試件抗彎強(qiáng)度

如圖5中的荷載-撓度曲線所示，所有混合物的延性破壞模式都表現(xiàn)為軟化破壞模式，變形時(shí)間延長(zhǎng)。據(jù)觀察，在開裂荷載之后，即底部第一條裂縫發(fā)展所對(duì)應(yīng)的荷載，試樣繼續(xù)隨著撓度的增加，承載更多的負(fù)荷，直到達(dá)到最大負(fù)荷(峰值負(fù)荷)。荷載的增加是由于混合纖維的存在，在第一次開裂后，混合纖維被完全調(diào)動(dòng)起來(lái)，起到了阻止裂紋的作用。在達(dá)到峰值荷載后，發(fā)生了軟化坍塌模式，隨著撓度的增加和裂縫的增長(zhǎng)，荷載逐漸減少，但由于鋼纖維的橋接作用，試樣保持了良好的完整性。與普通混凝土不同，混雜棕櫚纖維增強(qiáng)的UHPC的破壞是由于纖維存在下的單一垂直裂縫的發(fā)展。在彎曲試驗(yàn)中，所有的試樣都觀察到了單條裂縫在跨中出現(xiàn)并穿過(guò)試樣的底部，顯示出具有延性的破壞模式。

圖5 棕櫚纖維UHPC試件荷載-撓度曲線

2.3 密度

計(jì)算密度是根據(jù)每個(gè)配合比中使用的材料數(shù)量計(jì)算得出的，硬化密度是在固化期結(jié)束后測(cè)量的。表3顯示了所有配合比的計(jì)算和測(cè)試密度的差異，這是由于養(yǎng)護(hù)制度和配料的類型和含量造成的。據(jù)觀察，堆積密度隨著混凝土強(qiáng)度的增加而增加，這是由于堆積密度較高的混凝土材料的孔隙率較低所預(yù)期的。隨著替代物百分比的增加，混凝土的密度會(huì)降低。由于鋼纖維和棕櫚纖維的密度約為7850kg/m3，而棕櫚纖維的密度約為920kg/m3。在用棕櫚纖維替代鋼纖維的25%時(shí)，密度從近2500kg/m3降低到約2349kg/m3。這會(huì)導(dǎo)致材料的堆積密度降低，因?yàn)檫@種混合纖維會(huì)增加吸水率和降低抗壓強(qiáng)度。

表3 新澆與固化棕櫚纖維UHPC密度(kg/m3)

2.4 吸水率

所有配合比的吸水率結(jié)果見圖6。正如預(yù)期的那樣，測(cè)試結(jié)果表明，由于棕櫚纖維的存在，隨著置換水平的提高，吸水率也隨之提高。據(jù)觀察，吸水率可以與硬化混凝土的密度相關(guān)聯(lián)。隨著鋼纖維對(duì)棕櫚纖維s的替代水平的增加，UHPC的密度降低，導(dǎo)致吸水率增加。

2.5 棕櫚纖維與基體界面

圖7顯示了用鋼纖維和棕櫚纖維增強(qiáng)的UHPC復(fù)合材料的SEM顯微照片。一般來(lái)說(shuō)，水泥基質(zhì)顯得光滑而致密，表明這是一種堅(jiān)固的復(fù)合材料。含有棕櫚纖維的復(fù)合材料的SEM顯微照片(圖7a)清楚地表明，纖維和水泥基質(zhì)之間的結(jié)合很強(qiáng)。這一點(diǎn)從兩個(gè)成分之間存在的物理接觸可證明。纖維素材料(如棕櫚纖維)的高表面能量是水泥基質(zhì)和棕櫚纖維之間牢固結(jié)合的原因。相反，含有鋼纖維的復(fù)合材料(圖7b)顯示出水泥基質(zhì)和纖維之間的松散粘連，表明基質(zhì)和鋼纖維之間缺乏兼容性和接觸。根據(jù)SEM的觀察，在UHPC復(fù)合材料中引入棕櫚纖維作為增強(qiáng)劑，通常會(huì)改善復(fù)合材料的纖維與基體界面結(jié)合。因此，正如本研究中所觀察到的那樣，用棕櫚纖維增強(qiáng)的UHPC復(fù)合材料最有可能獲得更好的延性行為。

圖7 (a)棕櫚纖維UHPC試件(b)鋼纖維UHPC試件

3 結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了用棕櫚纖維增強(qiáng)的超高性能混凝土(UHPC)的一些物理和機(jī)械性能，作為傳統(tǒng)鋼纖維的部分替代。通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)UHPC復(fù)合材料的形態(tài)和纖維與基體的結(jié)合進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，使用棕櫚纖維作為傳統(tǒng)鋼纖維的部分替代品，可以獲得具有與傳統(tǒng)UHPC相當(dāng)?shù)奈锢砗蜋C(jī)械性能的UHPC復(fù)合材料。纖維含量的增加會(huì)降低樣品的機(jī)械強(qiáng)度。有趣的機(jī)械性能是在低棕櫚纖維替代水平下獲得的，范圍在5%～10%之間。棕櫚纖維含量的增加可降低UHPC復(fù)合材料的密度。棕櫚纖維增強(qiáng)的UHPC可以很好地作為一種新的生物復(fù)合建筑材料使用。