碱处理黄麻与聚丙烯纤维改善砂浆抗裂性能的研究

颜婷婷, 尹俊飞, 龚靖逸, 张丽哲, 张 瑜

(南通大学 纺织服装学院, 江苏 南通 226019)

碱处理黄麻与聚丙烯纤维改善砂浆抗裂性能的研究

颜婷婷, 尹俊飞, 龚靖逸, 张丽哲, 张 瑜

(南通大学 纺织服装学院, 江苏 南通 226019)

选用黄麻和聚丙烯作为添加材料,增强水泥砂浆．采用不同浓度的氢氧化钠对黄麻纤维进行处理,处理不同的时间,探究黄麻力学性能的变化．并在水泥砂浆中加入不同掺量的碱处理黄麻和聚丙烯,研究其对水泥砂浆抗裂性能的影响．

水泥砂浆; 添加材料; 抗裂性能; 碱处理

0 引言

水泥砂浆是现代建筑重要的工程材料,也是近现代使用极其广泛的建筑材料．但水泥砂浆有着它们固有的缺陷,比如容易产生裂缝甚至是断裂,这些缺陷都在限制水泥砂浆进一步广泛应用[1]．查阅文献可以知道,大量实验和分析已经证明,在混凝土和砂浆中掺入纤维可以使水泥基材的抗裂性、抗拉强度、抗冲击性等有不同程度的提高[2-4]．

在我国,黄麻纤维的产量相当丰富,如何更有效地利用这一资源在当代具有重要意义．黄麻纤维具有很好的力学性能,比如说较高的拉伸强度、较低的比重,比强度和比刚度也较高,可以说,黄麻纤维是天然纤维中的高性能纤维．同时,黄麻纤维是易降解,对环境无污染[5-7]．

迄今为止针对黄麻纤维增强水泥砂浆的研究还较少[8]．本文采用不同浓度的氢氧化钠对黄麻进行处理,处理不同的时间,探究黄麻力学性能的变化,并将不同长度,不同工艺碱处理后的黄麻掺入到水泥砂浆中,对黄麻纤维增强砂浆的抗裂性能进行测试研究,并和相同条件下的聚丙烯纤维增强砂浆的相关性能进行比较,试图为绿色环保的增强砂浆的开发探索一种新颖高效的方法．

1 实验部分

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料

实验材料: 黄麻(经过第一道梳理后的原麻丝)、聚丙烯纤维(PP)、氢氧化钠(分析纯)．

实验仪器: 烧杯、玻璃棒、电子天平．

1.1.2 试件浇筑

实验材料: 水泥(42.5级普通硅酸盐水泥)、砂(河砂,中砂)、水(家用自来水)、黄麻纤维(纤维长度分别为10,19和30?mm)、PP(试样用PP直径为48?μm)．

实验仪器: 砂浆搅拌器、震动台、养护箱和液压式试验机．

1.2 实验方法

1.2.1 黄麻碱处理

选取5%、20%、35%和50%等4种NaOH浓度对黄麻纤维常温下进行碱处理4,6,8,10,12和16?h．

1.2.2 纤维砂浆抗裂性能试件的制备

参照美国混凝土学会ACI-544“纤维增强混凝土的性能测试”技术制备试件模型,试件尺寸为长×宽×厚：914?mm×610?mm×19?mm,模板底部衬有聚乙烯薄膜,以减少底模对试件收缩变形的影响．模具周围钉了一圈钉子,每个钉子间的间距是5?cm,以加快砂浆的开裂,本试验试样的成型方法采用人工插捣,水泥∶砂∶水=l∶1.5∶0.65．

按照ACI-544测试方法,为了模仿室外的恶劣天气,将试样搁置在风扇下,使处于有风的环境．环境温度为20±3℃,相对湿度为50±10%．连续吹24?h后关闭电风扇,用细绳与直尺测裂缝长度和宽度．

2 结果与分析

2.1 黄麻力学性能测试

不同NaOH浓度处理与不同时间处理后黄麻纤维力学性能测试结果如图1和图2所示.

图1 不同NaOH浓度与不同处理时间后黄麻纤维的断裂伸长

图2 不同NaOH浓度与不同处理时间后黄麻纤维的断裂强度

从图1可以看出在不同碱处理时间下,同一碱溶液浓度处理后试样断裂强力呈现先降低再升高最后回落的趋势,这可能是由于碱处理时间较少的时候脱胶不完全,在拉伸时发生脆性断裂,随着处理时间的增加,黄麻分子结构发生变化,纤维韧性增加,断裂强力变大．同时可以看在处理时间为12?h时纤维的断裂强力较大．从图2可以看出,断裂伸长率刚开始变化幅度较大,随着处理时间的增加,断裂伸长率逐渐稳定在20%．

NaOH浓度为20%和50%,碱处理12?h后黄麻纤维的扫描电镜图如图3和图4所示．

图3 50%浓度碱处理12?h

图4 20%浓度碱处理碱处理12?h

在相同的碱处理时间下,不同浓度碱溶液处理黄麻,当碱溶液的浓度为20%和50%时纤维具有较好的断裂强力．从图3和图4可以看出,50%NaOH碱处理12?h的黄麻纤维表面比较光洁,脱胶比较彻底,通过减少纤维表面的杂质,增加了纤维的均匀性．这样碱处理后的黄麻纤维可以使粗糙的纤维表面和砂浆基体界面间具有更好的粘附性能．因此在后道试验中选用50%NaOH碱处理12?h的黄麻纤维作为抗裂纤维．

2.2 抗裂纤维砂浆试件的表征与数据分析

2.2.1 实验的表征方法

抗裂纤维对混凝土和砂浆抗裂性能的影响涉及到一个采用何种指标以及如何评定其效果的问题．Krrai[9]将肉眼可见的宏观裂缝根据宽度分为六级,每一级对应着一个权值,用每级宽度的裂缝长度分别乘以其相应的权值,再相加起来所得到的总和称为开裂指数,开裂指数可以理解为试件中裂缝总面积的近似值,据此衡量开裂程度．

在本试验中,采取开裂指数的方法,按裂缝产生的实际情况对裂缝级别进行划分,并规定了相应的权值见下表．求出每块试样的开裂指数进行比较,开裂指数反映的是试样开裂总的程度．

表1 裂缝宽度对应的权值

2.2.2 不同种类的纤维对砂浆抗裂性能的影响

在相同的实验条件下,分别对素砂浆、掺量为0.8?kg/m3纤维长度为19?mm的碱处理黄麻和聚丙烯进行试验,通过比较探究不同种类的纤维对砂浆抗裂性能的影响．

表2 不同种类的增强纤维对砂浆抗裂性能的影响

注:1—素砂浆; 2—掺量为0.8?kg/m3碱处理黄麻增强砂浆; 3—掺量为0.8?kg/m3PP增强砂浆;纤维长度都为19?mm.

将试件1和2、3作对比可以明显看出,在砂浆中加入纤维后可以有效抑制砂浆的开裂,裂缝宽度在2?mm以上的完全消失．将试件2和3进行比较,可以较直观的看出碱处理后黄麻纤维增强砂浆的抗裂效果优于聚丙烯的,裂缝减少了26.4%．

2.2.3 纤维的掺量对砂浆抗裂性能的影响

在相同条件下,对相同纤维不同掺量的试样进行抗裂试验,结果见表3．

表3 纤维掺量对砂浆抗裂性能的影响

注:1—掺量为0.4?kg/m3碱处理黄麻增强砂浆; 2—掺量为0.8?kg/m3碱处理黄麻增强砂浆; 3—掺量为1.2?kg/m3碱处理黄麻增强砂浆; 4—掺量为0.4?kg/m3PP增强砂浆; 5—掺量为0.8?kg/m3PP增强砂浆; 6—掺量为1.2?kg/m3PP增强砂浆;以上试样中纤维的长度都为19?mm.

表4纤维长度对砂浆抗裂性能的影响

注:1—掺量为0.8?kg/m3长度为19?mm的碱处理黄麻增强砂浆; 2—掺量为0.8?kg/m3长度为30?mm的碱处理黄麻增强砂浆;3—掺量为1.2?kg/m3长度为19?mm的碱处理黄麻增强砂浆; 4—掺量为1.2?kg/m3长度为30?mm的碱处理黄麻增强砂浆.

从表3可以看出,无论在砂浆中掺入黄麻还是聚丙烯,随着掺入量的增加,砂浆的裂缝在逐渐减少．通过对1与4、2和5，以及3和6的分别比较,碱处理后黄麻对抑制砂浆开裂更有效．

2.2.4 纤维的长度对砂浆抗裂性能的影响

在相同的实验条件下,对长度不同的纤维试样进行抗裂性能比较,实验结果见表4．将试样1与2,3和4进行比较,可以看出在相同掺量时,随着纤维长度的增加,试样的裂纹在增加．将试样1与3,2和4进行比较,可以再次看出随着掺量的增加,试样的裂纹在减少．

3 结论

对黄麻和聚丙烯纤维砂浆进行了一系列的抗裂试验．结果分析表明,在抗裂试验中,碱处理过的黄麻的抗裂效果明显好于聚丙烯，随着纤维掺入量的增多,砂浆的抗裂性能不断提高，在掺入同种纤维,且掺入量相同时,纤维长度较短,制得纤维增强砂浆的抗裂效果较好．

[1] 黄华,刘伯权,刘卫铎.聚合物砂浆与混凝土抗拉粘结性能研究?[J].工业建筑,2009,39(4):98-105.

[2] 丁春林,张骅. 新型增强纤维混凝土抗拉性能试验研究?[J].中国建筑科技,2008(3):72-75.

[3] 李影.纤维在混凝土中的作用原理浅析?[J].市政技术,2004,22(3):184-187.

[4] 李国忠,于衍真.植物纤维增强水泥基复合材料的性能研究?[J].硅酸盐通报,1997(3):60-64.

[5] 曾竟成,肖加余,梁重云,等.黄麻纤维增强聚合物复合材料工艺与性能研究?[J]. 玻璃钢复合材料,2001,30:30-33.

[6] 艾红梅,白军营.“绿色”纤维增强水泥基复合材料的研究及发展?[J].防灾减灾工程学报, 2010,30:441-444.

[7] Cox B N, Marshall D B. Stable and unstable solutions for bridged cracks in various specimens?[J]. Acta metal Mater,1991,39(4):35-37.

[8] 于湖生.黄麻纤维改善砂浆抗裂性能的研究?[M].中国国际毛纺织会议暨羊毛论坛论文集,西安:西安工程大学,2006.

[9] Kraai P P. A proposed Test to determine the cracking potential due to drying shrinkage of concrete?[J]. Concrete Construction, 1985, 32(1): 42-45.

ResearchonImprovementofCrackingResistanceofMortarReinforcedbyAlkaliTreatedJuteandPPFiber

YAN Ting-ting, YIN Jun-fei, Gong Jing-yi, ZHANG Li-zhe, Zhang Yu

(School of Textile and Clothing, Nantong University, Nantong Jiangsu 226019, China)

In this paper the jute and polypropylene are selected to reinforce cement mortar. The changes of mechanical properties of jute treated by different concentration of sodium hydroxide and time are studied. The crack resistance of fiber reinforced cement mortar with different dosage of jute and PP are researched. Through the analysis of the experiments, the optimal result is obtained, which is help to composite material.

cement mortar; addition material; cracking resistance; alkali treatment

2013-09-22

南通市应用研究计划项目(BK2013040)

颜婷婷 (1977-), 女, 江苏盐城人, 讲师, 博士, 研究方向为纤维原料应用等.

TQ177.6+2

A

1671-6876(2013)04-0323-04

[责任编辑蒋海龙]