水泥基复合材料的配比设计与力学性能研究❋

赵 帅,李国忠

(济南大学 材料科学与工程学院,山东 济南 250022)

0 引 言

水泥砂浆是建筑中用量最大的建筑材料,但是其自身存在一些缺陷,如易塑性干缩开裂、抗拉强度低、抗冲击韧性差等,限制其在工程中更广泛地应用.聚丙烯纤维增强水泥砂浆作为一种新型建筑材料,近 20年来在国内外得到了迅速发展.中外有关研究表明,聚丙烯纤维增强水泥砂浆具有普通砂浆不能比拟的优良性能,如断裂韧性好、抗冲击、耐疲劳等[1-4].但是聚丙烯纤维增强砂浆存在纤维与砂浆基体界面粘结性能较差、纤维增强效果不佳的缺点[5-7].通过掺加聚合物乳液改性水泥砂浆,有效改善纤维-砂浆基体界面粘结性,提高砂浆性能[8-10].

本文通过掺加一定量的聚丙烯纤维和聚合物乳液,对普通水泥砂浆改性.在本实验条件下,运用正交实验直观分析方法,测定不同配比水泥砂浆的抗压、抗折强度,进行聚丙烯纤维聚合物乳液水泥砂浆的配比设计,分析聚丙烯纤维聚合物乳液水泥砂浆的改性原理,可以为纤维聚合物增强水泥砂浆的推广应用提供参考资料.

1 实 验

1.1 实验原材料

水泥：PⅡ 52.5R硅酸盐水泥(山东淄博水泥厂);集料：河砂,细度模数 2.8,含泥量 ＜1.5,符合JGJ52标准要求;纤维：聚丙烯纤维(四川华神化学建材有限责任公司),横截面为三叶型,此种截面比其他许多纤维的圆形或矩形截面,具有更大的比表面积,与基体的握裹力更强,聚丙烯纤维横截面如图 1所示,其主要性能指标见表 1;聚合物乳液：POLYWELL BP-281有机硅改性建筑乳液,主要成分是纯丙烯酸酯共聚物,固含量为(50±0.5)%,Tg是 25℃,由北京宝威乳胶有限公司生产;减水剂：萘系高效减水剂,为粉剂(山东省建筑科学研究院外加剂厂生产);水：普通自来水.

图1 聚丙烯纤维横断面Fig.1 SEM of PP fibers cross-section

表1 聚丙烯纤维的主要性能指标Tab.1 Main performances of PP fiber

1.2 实验方法

本文通过正交实验直观分析方法,考察聚丙烯纤维和聚合物乳液对水泥砂浆力学性能的影响.设计2个因素 4个水平正交实验,各因素和水平如表 2所示.本文中砂浆试样的水泥含量是 22%,减水剂含量是 1%,水泥∶砂子∶水=1∶2.5∶0.4.砂浆试样的聚丙烯纤维掺加量为纤维占砂浆的体积分数,其它成分掺加量均指其占砂浆的质量分数.试样 P1～P12的聚丙烯纤维和聚合物乳液配比见表 3.

按照 GB177-85《水泥胶砂强度检验方法》标准成型养护砂浆试样.采用砂浆搅拌机拌合砂浆试样,先将水泥、砂和聚丙烯纤维放入搅拌机内慢速干拌 1.5 min,在此过程的最后 10 s内将水与聚合物乳液的混合体倒入搅拌机,再快速搅拌 1.5 min,

在尺寸为 40 mm×40 mm×280 mm的试模中成型试样.将试样放进标准养护箱(20℃,相对湿度 95%)24 h以后脱模.试样脱模后即放入水槽中养护,28 d后从水中取出试样,测量其抗折强度和抗压强度.

表2 正交实验因素和因素水平表Tab.2 Factors and levels of orthogonal experiment

2 实验结果与分析

试样 P1～ P12的 28 d抗折强度和抗压强度的实验结果,如表 3所示.因素 A和 B的不同水平,对实验结果影响的极差分析,如表 4所示.为了更加形象地说明因素 A和 B的不同水平对试样 28 d抗折强度和抗压强度的影响,根据表 4绘制图 2和图 3.

表3 试样配比和实验结果Tab.3 Specimen ratios and test results

表4 实验结果的极差分析表Tab.4 Rang analysis of test results

由表 3,表 4和图 2,图 3可以看出,单独掺加聚丙烯纤维,对砂浆试样 28 d抗折强度和抗压强度的影响非常显著.其中,试样 P2(只掺加 1.0% 聚丙烯纤维)的 28 d抗折强度和抗压强度为 14.39 MPa和41.81 M Pa,分别比空白水泥砂浆试样 P1的 28 d抗折强度和抗压强度提高了 114.5% 和 23.9%.随着聚丙烯纤维掺加量的提高,砂浆试样 28 d抗折强度和抗压强度,均有较大程度的提高.其中,聚丙烯纤维水平 4(掺加量 2.0%)的 28 d抗折强度均值是 17.80 M Pa,比水平 3(掺加量 1.5%)的 28d抗折强度均值提高 3.5%,比水平 2(掺加量 1.0%)的 28 d抗折强度均值提高 11.9%;聚丙烯纤维水平 4(掺加量2.0%)的 28 d抗压强度均值是 59.47 M Pa,比水平 3(掺加量 1.5%)的 28 d抗压强度均值提高 6.8%,比水平 2(掺加量 1.0%)的 28 d抗压强度均值提高 34.9%.

图2 各因素对试样 28 d抗折强度的影响Fig.2 Influences of each factor on 28 d flexural streng th

图3 各因素对试样 28 d抗压强度的影响Fig.3 Influences of each factor on 28 d compressive streng th

单独掺加聚合物乳液,对砂浆试样 28 d抗折强度和抗压强度也产生一定的影响.其中,试样 P3(只掺加 3% 聚合物乳液)的 28 d抗折强度和抗压强度为 9.26 MPa和 35.29 MPa,分别比空白试样 P1提高了 38% 和 4.6%.随着聚合物乳液掺加量的提高,砂浆试样 28 d抗折强度和抗压强度,均有一定程度的提高.其中,聚合物乳液水平 4(掺加量 9%)的 28 d抗折强度均值是 17.17 MPa,比水平 3(掺加量6%)的 28d抗折强度均值提高 0.2%,比水平 2(掺加量 3%)的 28d抗折强度均值提高 13.3%;聚合物乳液水平 4(掺加量 9%)的 28 d抗压强度均值是 53.91 M Pa,比水平 3(掺加量 6%)的 28 d抗压强度均值提高1. 2% , 比水平2(掺加量3% )的28 d 抗压强度均值提高11. 3% .

与单独掺加聚丙烯纤维或单独掺加聚合物乳液相比,同时掺加聚丙烯纤维和聚合物乳液,可以进一步显著提高水泥砂浆的 28 d抗折强度和抗压强度.其中,试样 P12(同时掺加 2.0% 聚丙烯纤维和 9%聚合物乳液)的 28 d抗折强度为 18.15 M Pa,比试样 P1～ P11的 28 d抗折强度提高了 2.2%～170.5%;试样 P12的 28 d抗压强度为 62.28 M Pa,比试样 P1～ P11的 28 d抗压强度提高了 5.4%～84.6%.

水泥砂浆受到载荷时,会产生收缩应力,如果收缩应力过大,就会使砂浆内部产生裂纹,随着载荷的增加,裂纹的尖端往往会产生较大的应力集中,引起裂纹的扩展,甚至导致试体的破坏[11-12].聚丙烯纤维的直径细、比表面积大,掺加到水泥砂浆后,聚丙烯纤维均匀散布在体系中,呈现乱向分布状态[13].假设砂浆受到应力作用时,产生的微裂纹垂直遇到聚丙烯纤维.此时,聚丙烯纤维与其周围砂浆基体之间的粘结力,就可以对裂纹尖端产生反向的应力场,能有效缓解裂纹尖端的应力集中程度,阻止裂纹的进一步扩展,显著提高水泥砂浆的力学性能.聚丙烯纤维阻止裂纹扩展的模型如图 4所示.

聚合物乳液与水泥砂浆一起拌合时,聚合物乳液均匀地分散于水泥砂浆体系中.当砂浆掺加 3%聚合物乳液时,随着水泥水化过程的不断进行及水分的不断蒸发,聚合物乳液逐渐转变为聚合物颗粒,并且少量聚合物颗粒附着在水泥粒子及其水化物的表面,具有缓解砂浆内部界面上应力集中的作用,如图 5(a)所示;当砂浆掺加 6% 聚合物乳液时,砂浆体系中形成了较多的聚合物颗粒,聚合物颗粒附着在砂浆中的水泥粒子及其水化物的表面,能够进一步改善砂浆内部的应力分布和提高砂浆的力学性能,如图 5(b)所示;当砂浆中掺加 9%聚合物乳液时,体系中形成了大量的聚合物颗粒,并且许多聚合物颗粒相互搭接,在水泥粒子及其水化物、骨料和纤维界面上的部分区域形成了聚合物薄膜,聚合物薄膜对水泥粒子及其水化物、骨料和纤维具有包裹作用.这些“薄膜”的韧性较高,分布于水泥水化物与骨料及水泥水化物与纤维之间,可以显著降低砂浆内部裂纹产生和扩展的可能性,对提高水泥砂浆的力学性能有很大帮助,如图 5(c)所示.

图4 聚丙烯纤维阻止裂纹扩展的模型Fig.4 Model of PP fiber stopping crack ex pansion

图5 聚合物乳液改性水泥砂浆的模型图Fig.5 Mold of cement mortar reinfo rced with polymer emulsion

3 结 论

1)本实验条件下,聚丙烯纤维聚合物乳液水泥砂浆中,聚丙烯纤维的最佳掺加量为 2.0%,聚合物乳液的最佳掺加量为 9%.当掺加 2.0% 聚丙烯纤维时,水泥砂浆的 28 d抗折强度达到 17.80 MPa,28 d抗压强度达到 59.47 M Pa;当掺加 9% 聚合物乳液时,水泥砂浆的 28 d抗折强度达到 17.17 MPa,28 d抗压强度达到 53.91 M Pa;当同时掺加 2.0% 聚丙烯纤维和 9% 聚合物乳液时,水泥砂浆的 28 d抗折强度达到 18.15 MPa,28 d抗压强度达到 62.28 M Pa.

2)聚丙烯纤维在砂浆体系中呈现乱向分布状态,能有效缓解裂纹尖端的应力集中程度,阻止裂纹的进一步扩展,显著提高水泥砂浆的力学性能;聚合物乳液掺加量足够多时,水泥粒子及其水化物、骨料及纤维界面上可以形成聚合物薄膜,此聚合物薄膜的存在,可以显著降低砂浆内部裂纹产生和扩展的可能性,对提高水泥砂浆的力学性能有很大帮助.

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