纤维参数对水泥基材料减裂效果的影响

2018-11-02马一平余少同杨晓杰

建筑材料学报 2018年5期

马一平，余少同，游璐，孟瑞，杨晓杰

(同济大学先进土木工程材料教育部重点试验室，上海 201804)

水泥基材料作为一种用量巨大、无可取代的建筑材料，其自身也存在缺陷，如抗拉强度低、易收缩开裂等.混凝土开裂会影响其耐久性，引起内部钢筋锈蚀，造成严重的安全问题[1].因此，有必要系统研究水泥基材料的收缩开裂现象，并寻找相关防治措施.

在水泥基材料中掺入纤维，制备纤维增强水泥基复合材料被认为是一种应对开裂的有效手段.通过掺入各类纤维[2-3]，可在一定程度上抑制水泥基材料收缩开裂.但目前对于高性能聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)纤维对水泥基材料收缩开裂影响的报道相对较少，相关研究并不完善.

鉴于此，本文系统研究了高性能PVA纤维(指PVA纤维的弹性模量≥40GPa)掺量、长度、直径、性能等参数对水泥基材料塑性失水收缩和硬化早期收缩开裂的影响.

1 试验

1.1 原材料及仪器

上海产海螺牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥；细度模数2.59的河砂；自来水；4种纤维，分别记为PVA1，PVA2，PVA 3和PP，4种纤维的物理力学性能见表1.

试验仪器主要包括JJ-5型水泥胶砂搅拌机，精度为0.1g的电子天平，电子台秤(精度为0.01kg，最大量程100kg)，914mm×610mm×20mm的木模，圆环铁模，干燥箱，KON-FK(N)型数显裂缝宽度测试仪和直尺等.

表1 纤维物理力学性能

Note:PP—Polypropylene.

1.2 试验方法

1.2.1塑性收缩开裂试验方法(Kraai平板法)

水泥基材料塑性失水收缩开裂试验采用 914mm×610mm×20mm的木模，在木模内放置一个略小于其周长并有支撑脚的钢圈作为约束，将拌和料沿木模中心螺旋式向木模边缘浇注，直至浆料自动流满木模，随后快速刮平试件.将成型好的试件光照4h，风吹24h后，采用KON-FK(N)型数显裂缝宽度测试仪(检测范围：0.01～3.00mm，估测精度：0.01mm)测量裂缝宽度，按照裂缝宽度分段测量对应长度，并按照文献[4]计算塑性收缩开裂权重值W.

1.2.2硬化早期干缩开裂试验方法

硬化早期的收缩开裂试验采用圆环法[5].将拌和料倒入模具中，成型后标准养护1d，脱去外模具，以升温速率10℃/h，恒温1h的升温制度升至70℃，然后恒温24h以后取出，用数显裂缝宽度仪测量裂缝宽度，计算硬化早期收缩开裂权重值W.

1.2.3塑性收缩抗裂指数试验方法

水泥基材料塑性收缩开裂抗裂指数K定义为塑性抗拉强度fp与塑性收缩应力σs的比值.塑性抗拉强度采用八字形模具，具体试验过程和方法详见文献[6].塑性收缩应力试验方法和具体过程详见文献[7].失水蒸发速率的测量采用小面积容器模拟平板法，详见文献[8].

2 结果与讨论

2.1 纤维对水泥基材料塑性收缩开裂的影响

在基准砂浆配比的基础上(集灰比mA/mC为1∶1，水灰比mW/mC为0.5)掺入纤维，通过改变纤维的长度、掺量、直径和性能等，进行单因素试验，研究纤维参数对水泥基材料塑性收缩开裂的影响.

2.1.1纤维掺量

采用9mm PVA1纤维，改变掺量进行试验(每个试验点均至少重复3次，且能通过拉伊达准则检验)，试验结果如图1所示.

从图1可知：在试验范围内，随着纤维掺量提高，砂浆试件的开裂权重值(W)减少，减裂率上升.出现以上规律是因为随着纤维掺量增加，单位体积水泥基材料中的纤维数量增多，体积分数上升，根据纤维间距理论，此时纤维间距减小，减裂效果随之提升.

图1 纤维掺量对砂浆塑性收缩开裂的影响Fig.1 Effect of fiber content on plastic shrinkage cracking of mortar

2.1.2纤维长度

图2(a),(b)分别为纤维掺量为1.0，1.5kg/m3时，掺入不同长度PVA1纤维的试验结果.可以看出在2种掺量下，随着纤维长度的增长，砂浆试件的开裂权重值均随之降低，减裂率提高.

当纤维长度较长时，水泥基材料对单根纤维的黏结长度较长，即黏结面积较大，在共同承受外力时二者较难分离，所以通过增加纤维长度可以改善水泥基材料的塑性收缩开裂情况.

2.1.3纤维直径

在其他试验条件相同的情况下，采用长度均为6mm的PVA1(直径40μm)和PVA2纤维(直径14μm)进行对比试验，纤维掺量均为1.0kg/m3，试验结果如图3所示.

由图3可以看出：掺加6mm PVA1纤维的试件，开裂权重值较高，减裂率较低，即直径较小的PVA2纤维减裂效果更好.原因在于其他参数相同时，纤维越细，单位体积水泥基材料中的纤维数量越多，根据纤维间距理论，这些纤维能够有效抵抗裂缝，起到更好的减裂效果.

2.1.4纤维性能

水泥基材料塑性收缩开裂权重值和减裂率与不同性能纤维的关系如图4所示.该试验中控制其他试验条件不变，在水泥基材料中掺加长度均为12mm的PVA1和PVA3纤维，掺量均为 1.0kg/m3，其中PVA1的弹性模量是42GPa，PVA3的弹性模量是 31GPa.由图4可见：在纤维掺量为1.0kg/m3条件下，掺加PVA3纤维的水泥基材料减裂率略高.在塑性阶段，水泥基材料基体弹性模量几乎为零，此时2种纤维的弹性模量均远高于材料基体本身的弹性模量，在材料受拉破坏时，纤维以从基体中拔出为主.因此，2种纤维在塑性阶段都取得了比较好的减裂效果(减裂率高于80%).

图2 纤维长度对砂浆塑性收缩开裂的影响Fig.2 Effect of fiber length on plastic shrinkage cracking of mortar

图3 纤维直径对砂浆塑性收缩开裂的影响Fig.3 Effect of fiber diameter on plastic shrinkage cracking of mortar

图4 纤维性能对砂浆塑性收缩开裂的影响Fig.4 Effect of fiber property on plastic shrinkage cracking of mortar

2.2 掺纤维和未掺纤维基于失水蒸发速率抗裂指数影响的对比

从前述试验结果中，选择减裂效果较好的纤维参数(PVA1，长度18mm，掺量1.5kg/m3)，按照该参数将纤维掺入基准砂浆中，通过测试相同条件下同配比的基准砂浆和掺纤维砂浆的塑性收缩应力、抗拉强度和失水蒸发速率，计算得到相应的抗裂指数(K)，所得结果如图5所示.

图5 基于失水蒸发速率的砂浆抗裂指数曲线Fig.5 Curves of mortar cracking resistance index based on evaporation rate of water

从图5可以看出：掺纤维和未掺纤维的砂浆抗裂指数均随着失水蒸发速率的增大而降低.在失水蒸发速率相同时，掺纤维砂浆的抗裂指数大于未掺纤维的基准砂浆，在试验范围内，基准砂浆出现开裂，而同配比的掺纤维砂浆则未出现开裂.由于其他条件都相同，可以将出现这种现象的原因归结为纤维的掺入.因此，在基准砂浆中掺入高性能PVA纤维可以显著提高砂浆的抗裂指数，减裂效果显著.

2.3 纤维对水泥基材料早期硬化收缩开裂的影响

采用圆环法，基于基准砂浆配比(mA/mC=1∶1，mW/mC=0.5)，研究纤维的不同掺量、长度、直径和性能等纤维参数对水泥基材料早期硬化收缩开裂的影响.

2.3.1纤维掺量

采用长度为9mm的PVA1纤维，掺量分别为0，0.5，1.0，1.5kg/m3，砂浆试件硬化早期收缩开裂试验结果如图6所示.

图6 纤维掺量对砂浆硬化收缩开裂的影响Fig.6 Effect of fiber content on hardening shrinkage cracking of mortar

由图6可以看出：当纤维掺量增加时，水泥基材料硬化收缩开裂权重值随之降低，减裂率提高，当纤维掺量为1.5kg/m3时，减裂率达到80%以上.纤维掺量影响砂浆试件的硬化收缩开裂是因为随着纤维掺量增大，单位体积水泥基材料中的纤维数量增多，纤维间距则相应减小，抵抗开裂的能力随之提高.在试验范围内，纤维掺量为 1.5kg/m3时，减裂效果最为显著.

2.3.2纤维长度

在掺量为1.0kg/m3的情况下，分别掺入长度为6,9,12mm的PVA1纤维，其试验结果如图7所示.由图7可以看出：随着纤维长度增加，水泥基材料硬化收缩开裂权重值减小、减裂率增大；纤维长度越大，纤维与水泥基材料的接触面积越大，纤维越不容易被拔出，增加纤维长度可以改善水泥基材料的硬化收缩开裂情况.

图7 纤维长度对砂浆硬化开裂的影响Fig.7 Effect of fiber length on hardening shrinkage cracking of mortar

2.3.3纤维直径

在固定纤维掺量为1.0kg/m3，其他参数保持不变的情况下，采用长度均为6mm的PVA1和PVA2纤维，厂家提供2种纤维直径分别为40μm(PVA1)和14μm(PVA2)，截面形状均为圆形.测试所得砂浆试件的开裂权重值和减裂率如图8所示.

图8 纤维直径对砂浆硬化开裂的影响Fig.8 Effect of fiber diameter on hardening shrinkage cracking of mortar

由图8可知：6mm的PVA1和PVA2纤维在硬化阶段的开裂权重值没有明显的差异，减裂率均在55%左右，PVA1纤维的减裂率略高.根据纤维间距理论，在掺量等其他条件相同时，直径较小的纤维间距更小，具有更好的阻裂效果，但是在本试验中不同直径纤维没有体现出减裂效果上的差异.为进一步探索原因，笔者将束状纤维插入环氧树脂胶水中，待凝固后，用刀片沿垂直于纤维方向切下，在扫描电镜下观察了纤维截面形状，结果如图9所示.

从图9(a)，(b)可知：2种纤维的截面都不是圆形，而是类似于纺锤形，对于此类截面为非圆形的纤维，在考虑直径的影响时采用当量直径更为准确；另一方面，在纤维截面的长度方向，PVA1纤维的截面长度在40μm以上，而PVA2纤维在20μm左右，PVA1纤维在此方向上的长度是PVA2纤维的2倍以上.在目前测试手段下可知，PVA2纤维的当量直径同样小于PVA1纤维.直径不同的纤维在卷曲程度上存在差异，较细的纤维容易卷曲，纤维在砂浆中卷曲之后，其有效作用长度减小，减裂效果会受到影响.因此，直径更细的纤维会因为有效作用长度的降低而无法体现更好的减裂效果，甚至比直径更粗但卷曲程度较小的纤维减裂率更低.从当前的试验结果出发，后续一方面可以考虑采用当量直径来表征异形截面纤维的直径，从而取得更为准确的结果；另一方面还可以采用三维重构等手段对砂浆中纤维的卷曲程度进行表征，综合考虑直径大小和卷曲程度对纤维减裂效果的影响；再者，还要设法与纤维厂家联系取得其长丝样品，对纤维弹性模量、抗拉强度等进行校核性测试，以排除纤维弹性模量存在差异时对其直径作用效果的干扰.

图9 扫描电镜下的纤维横截面Fig.9 SEM micrographs of fiber cross-section

2.3.4纤维性能

在相同的试验条件下，采用长度为12mm的PVA1和PVA3纤维(前者的弹性模量是42GPa，后者的弹性模量是31GPa)，纤维掺量均设定为1.0kg/m3.按照前述试验方法进行圆环试验，所得试验结果如图10所示.

图10 纤维性能对砂浆硬化开裂的影响Fig.10 Effect of fiber property on hardening shrinkage cracking of mortar

由图10可以看出：掺加PVA1纤维的砂浆试件开裂权重值最小，减裂率最高.可知在硬化阶段弹性模量高的纤维减裂效果更好.分析其原因，笔者认为是纤维和水泥基材料形成了一个共同的作用体系，在接受外力作用时，二者同时受力，弹性模量高的纤维在同样的应力下应变更小，有利于抵抗裂缝的发生与发展.不同于塑性阶段的是，硬化阶段水泥基材料的弹性模量更高，约30GPa左右，此时高于水泥基材料弹性模量的纤维作用会更大，纤维在此阶段弹性模量越高，对水泥基材料的减裂效果就越好.

2.3.5纤维品种

采用低弹性模量(3.5GPa)的PP纤维和高弹性模量(42GPa)的PVA1纤维，在纤维掺量均为1.0kg/m3，其他试验条件完全相同时，分别测试掺入2种纤维后水泥基材料硬化早期收缩开裂的权重值和减裂率，所得试验结果如图11所示.

图11 纤维种类对砂浆硬化开裂的影响Fig.11 Effect of fiber species on hardening shrinkage cracking of mortar

从图11中可知：掺入PP纤维的圆环试件开裂权重值要高于掺PVA1纤维的圆环试件，高弹性模量的PVA1纤维减裂率要比PP纤维高1倍以上.不同于塑性阶段的是，硬化阶段高性能PVA纤维体现出了明显的减裂优势.笔者认为主要原因是硬化阶段水泥基材料的弹性模量很高，约30GPa，若2种纤维与基体的黏结均良好时，高于水泥基材料弹性模量的纤维在共同受力时因变形小可以约束基体的变形，而弹性模量低于基体自身的纤维则不能起到约束基体变形的作用.因此，纤维在此阶段性能越高，对水泥基材料的减裂效果越好.PP纤维的弹性模量为 3.5GPa 左右，远小于水泥基材料的硬化弹性模量，而PVA1纤维的弹性模量为42GPa，高于硬化阶段水泥基材料的弹性模量.因此，高弹性模量的PVA1纤维表现出更好的减裂效果.另一方面，如果2种纤维与基体的黏结情况有差异，极端地考虑高性能PVA纤维与基体的界面结合力为零，而PP纤维与基体的黏结良好，则可能出现弹性模量较低的PP纤维反而表现出更好的减裂效果.对于2种纤维与基体的界面结合力不同的其他情况，则相对复杂，应结合材料弹性模量进行综合分析，笔者后续会开展此方面的研究.