聚甲醛纤维增强地聚物再生混凝土的力学性能研究

2021-06-03杨富花石宵爽栾晨晨张宽裕代金芯王清远

新型建筑材料 2021年5期

杨富花，石宵爽，栾晨晨，张宽裕，代金芯，王清远，3

（1.深地科学与工程教育部重点实验室，四川大学建筑与环境学院，四川成都 610065；2.破坏力学与工程防灾减灾四川省重点实验室，四川大学建筑与环境学院，四川成都 610065；3.成都大学机械工程学院，四川成都 610106）

聚甲醛（Polyoxymethylene，POM）纤维具有高强度、高模量及优异的尺寸稳定性、热稳定性和耐腐蚀、耐光、耐磨等性能，是一种综合性能优异的有机合成纤维，其分子结构中含有大量醚键，与无机材料具有良好的相容性，可用于混凝土的增韧阻裂[1-2]。有研究表明[3-5]，将POM纤维应用于普通混凝土中会极大地改善混凝土的性能。目前，较为常用的混凝土增强纤维有钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维等。与钢纤维相比，POM纤维密度小，在混凝土中的分散性好，价格低；与玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维相比，POM纤维具有一定的延性；与聚丙烯纤维相比，POM纤维的抗拉强度和弹性模量更高[6-7]。

地聚物再生混凝土是利用地聚物替代水泥作为胶凝材料，同时利用再生骨料全部或部分替代天然骨料制成的一种新型绿色混凝土材料。有研究表明[8-9]，将再生骨料应用于地聚物混凝土中，旧砂浆的碱性成分对地聚物有碱激发的作用，可以有效改善界面过渡区，使其更密实，力学性能也比普通再生混凝土好。但和普通混凝土一样，地聚物再生混凝土存在脆性大、抗拉强度低、体积不稳定等缺点。然而聚甲醛纤维增强地聚物再生混凝土（Polyoxymethylene fiber reinforced geopolymer recycled concrete，PRGRC）的性能尚不清楚，因此，本试验研究了POM纤维对PRGRC坍落度、抗压强度、抗折强度及弯曲韧性的影响，并通过扫描电镜对微观结构进行分析。

1 试验

1.1 原材料

粗骨料：再生粗骨料，将建筑废弃混凝土用大型机械破碎后再在实验室中筛分得到，选取5～20mm连续级配，测得其堆积密度为1435kg/m3、表观密度为2715kg/m3、含水率为1.68%、压碎指标为13.03%，符合GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》Ⅱ级要求；细骨料：河砂，细度模数2.3，最大粒径4mm。

胶凝材料：F级低钙粉煤灰，天津筑成新材料有限公司提供，由JL-6000型激光粒度分析仪测得其平均粒径为1.201 μm，采用EDS测试粉煤灰的主要化学成分如表1所示。

表1 粉煤灰的主要化学成分 %

碱激发溶液：由硅酸钠（Na2SiO3）溶液和纯度为98%的氢氧化钠（NaOH）加纯水配制而成。Na2SiO3溶液由佛山中发水玻璃厂提供，为淡黄色胶状液体，模数为3.13；氢氧化钠由科龙化工试剂厂提供。碱激发溶液需在试验前一天配制准备。

POM纤维：重庆云天化天聚新材料有限公司提供，密度1.42 g/cm3，抗拉强度800 MPa，弹性模量10 GPa，断裂伸长率30%，长度分别为6、12 mm。

1.2 试件制备

PRGRC的基准配合比（kg/m3）为：m（再生粗骨料）∶m（细骨料）∶m（粉煤灰）∶m（Na2SiO3）∶m（NaOH）∶m（水）=1200∶540∶460∶133.4∶20.94∶45.76，研究POM纤维长度（6、12 mm）和体积掺量（0、0.25%、0.50%、0.75%、1.00%）对PRGRC坍落度、抗压和抗折强度、弯曲韧性的影响。

制备试件时，先将粉煤灰与粗、细骨料搅拌3 min，然后加入POM纤维搅拌2 min，最后加入碱激发溶液搅拌均匀，在模具中浇筑成型后在振动台上振捣密实，试件浇筑完成后盖上塑料薄膜防止水分蒸发，放入温度为80℃的HN101-4A型鼓风干燥箱中养护24 h后取出脱模，编号后再放入温度为20℃的HBY-40A型标准养护箱中继续养护至28 d龄期。抗压强度试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，抗折强度试件尺寸为100 mm×100mm×400 mm。

1.3 试验方法

根据GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》和GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试新拌混凝土的坍落度及28 d龄期标准试件的抗压和抗折强度。采用AW-5000型电液伺服压力试验机进行立方体抗压试验，加载过程采用荷载控制，加载速率为0.5MPa/s。采用M-4300型万能试验机进行四点弯曲试验，加载过程采用位移控制，加载速率为0.2 mm/min。采用四川大学分析测试中心SU3500型号扫描电子显微镜（SEM）进行微观结构观测。

2 结果与讨论

2.1 POM纤维对PRGRC坍落度的影响（见图1）

图1 POM纤维对PRGRC坍落度的影响

由图1可见，随着POM纤维掺量的增加，PRGRC的坍落度降低，其中长度为12 mm的POM纤维对PRGRC坍落度的影响更显著。当POM纤维长度为6 mm时，掺量分别为0.25%、0.50%、0.75%、1.00%的PRGRC坍落度较对照组分别减小了10%、25%、40%、55%；当POM纤维长度为12 mm时，掺量分别为0.25%、0.50%、0.75%、1.00%的PRGRC坍落度较对照组分别减小了60%、75%、80%、80%。乱向分布的纤维取向趋于垂直流动方向，且纤维长径比越大，取向更易趋于垂直流动方向，降低了混凝土的流动性[10]，所以掺加了长度为12 mm POM纤维的PRGRC坍落度更小。随POM纤维掺量的增加，更多的浆体包裹在纤维表面，使得包裹骨料以及起润滑作用的浆体相应变少，同时POM纤维可以很好地分散在混凝土中形成网状结构，限制了新拌混凝土的流动性，从而导致PRGRC的坍落度减小。所以为了保证PRGRC的工作性能，应选择长度为6 mm的POM纤维，且掺量不宜大于0.75%。

2.2 POM纤维对PRGRC抗压强度的影响

2.2.1 破坏形态

PRGRC试件的抗压破坏形态如图2所示，图2（a）为对照组试件，图2（b）为POM纤维长度6 mm、掺量为1.00%组。

图2 PRGRC试件的抗压破坏形态

由图2可见，与对照组相比，掺加POM纤维的PRGRC试件表面混凝土无明显的剥落现象，试件在受压破坏后仍然保持较好的整体性。这是因为POM纤维在混凝土基体中的桥接作用，抑制了裂缝的产生和发展，提高了混凝土的韧性[11]，降低了混凝土的损伤破坏程度，有效提高了混凝土的抵抗变形能力。

2.2.2 抗压强度

POM纤维对PRGRC抗压强度的影响如表2所示。

表2 POM纤维对PRGRC抗压强度的影响

由表2可见，随着POM纤维掺量的增加，PRGRC的抗压强度先提高后降低。长度为6 mm和12 mm的POM纤维最优掺量分别为0.75%和0.50%，最高抗压强度分别为60.48、54.62 MPa，较对照组分别提高了16.28%、5.02%，长度为6 mm的POM纤维增强效果更优。根据以断裂力学为基础的纤维阻裂理论[12-13]，加载过程中试件纵向受压，由于泊松效应体积横向膨胀，均匀分布在混凝土中的POM纤维形成网状结构，有一定的阻裂作用，抑制了混凝土的横向变形；当POM纤维掺量继续增大时，包裹骨料的胶凝材料相应变少，且过量纤维容易使混凝土产生微裂缝，所以PRGRC试件的抗压强度开始逐渐降低。对于长度为6 mm的纤维增强效果优于长度为12 mm的纤维的现象，一方面是因为相同体积掺量下，纤维的根数随长度的增大而减少，抗压强度也随之降低，另一方面，PRGRC的流动性随纤维长度的增大而降低，导致试件内部气孔增多，抗压强度降低。

2.3 抗弯性能

2.3.1 破坏形态及荷载-挠度曲线

PRGRC试件的抗折破坏形态如图3所示，荷载-挠度曲线如图4所示。

图3 PRGRC试件的抗折破坏形态

图4 PRGRC试件的荷载-挠度曲线

由图4可见，对照组试件在达到极限荷载之前，荷载-挠度曲线呈线性，这一阶段的荷载-挠度关系服从胡克定律，为弹性变形阶段，在达到极限荷载之后，试件瞬间失去承载能力。由图3可知，对照组试件在达到极限荷载后直接断裂成两部分，表现出明显的脆性破坏。掺加了POM纤维的PRGRC试件在加载过程中表现为3个阶段[14]：弹性变形阶段、应变急速软化阶段和破坏阶段。达到极限荷载之前荷载-挠度曲线呈线性，为弹性变形阶段，此时混凝土基体与纤维共同受力。达到极限荷载之后，试件出现宏观裂缝，桥接在裂缝中间的纤维约束了裂缝的发展，并且将荷载传递给了混凝土基体，试件仍具有一定承载力，随着裂缝继续发展，中和轴以下受拉区纤维被不断拨出，中和轴上移，试件承载力随之下降，表现为延性破坏。PRGRC的极限承载力与对照组相比显著提高，而且荷载-挠度曲线包围的面积也增大，POM纤维增强了PRGRC的抗折强度和韧性。

2.3.2 抗折强度

POM纤维对PRGRC抗折强度的影响如表3所示。

表3 POM纤维对PRGRC抗折强度的影响

由表3可见，POM纤维对PRGRC试件抗折强度的增强效果显著，随着POM纤维掺量的增加，抗折强度先提高后降低。长度为6 mm和12 mm的POM纤维最优掺量分别为0.50%和0.25%，最高抗折强度分别为6.16、5.13 MPa，较对照组分别提高了51.35%和26.04%，长度为6 mm的POM纤维增强效果更优。POM纤维的掺入可以减少由收缩形成的微裂缝，在试件加载过程中POM纤维在骨料之间起到桥接作用，抑制了裂缝的出现和发展，同时纤维的拉断和拨出分摊了部分能量，从而提高了混凝土的抗折强度[11]。然而，当POM纤维掺量过高时，虽然增强了纤维对混凝土的桥接作用，但同时过多的纤维造成更多微裂缝的产生，初始缺陷造成的不利效果超过纤维桥接的有利效果，抗折强度随之降低。长度为6 mm纤维的增强效果优于长度为12 mm纤维的原因与抗压强度的一致，一方面是纤维的根数随长度的增大而减少，另一方面是初始缺陷随长度的增大而增多，导致抗折强度降低。

2.3.3 弯曲韧性

弯曲韧性是纤维混凝土的重要特性，用于考察纤维对混凝土开裂后的增韧效果。目前计算纤维混凝土弯曲韧性指标的常用方法是测试混凝土试件在弯曲过程中的荷载-挠度曲线，并对该曲线积分求得混凝土在破坏过程中所吸收的能量，然后基于该能量计算弯曲韧性指标，依据的标准主要有美国材料协会的ASTMC1018标准、日本的JSCE-SF4标准以及CECS13—2009《纤维混凝土试验方法标准》。根据CECS13—2009计算抗折初裂强度fcr、弯曲韧性指数I5和I10、等效弯曲强度fe及弯曲韧性比Re，结果如表4所示。

由表4可知：

（1）抗折初裂强度反映混凝土抵御初期裂缝荷载的能力，POM纤维对抗折初裂强度fcr的增强效果显著，长度为6 mm和12 mm的POM纤维最优掺量分别为0.50%和0.25%，最高抗折初裂强度分别为7.25、6.04 MPa，较对照组分别提高了51.04%和25.83%。

表4 PRGRC的弯曲韧性指标

（2）弯曲韧性指数为混凝土试件在指定挠度时吸收的能量与试件初裂时吸收能量的比值，充分反映试件开裂后的耗能大小，弯曲韧性指数越大说明试件的韧性越好。掺入POM纤维可以提高PRGRC的弯曲韧性，长度为6mm的POM纤维最佳掺量为0.50%，弯曲韧性指数I5和I10分别为对照组的4.44倍和4.79倍；长度为12 mm的POM纤维最佳掺量为1.00%，弯曲韧性指数I5和I10分别为对照组的2.84倍和3.37倍。

（3）等效弯曲强度和弯曲韧性比可以用来评价混凝土的弯曲韧性和能量吸收能力，POM纤维对等效弯曲强度及弯曲韧性比的增强效果显著，长度为6 mm和12 mm的POM纤维最优掺量均为1.00%，等效弯曲强度分别为对照组的3.96倍和2.78倍，弯曲韧性比均为对照组的2.64倍。

关于POM纤维增强弯曲韧性的机理，有研究表明[15]，POM纤维不会与地聚物发生反应生成新的物质。纤维的拔出、断裂与剥离消耗了部分能量，而且纤维在断裂处出现了扭曲和缩颈行为，这是因为POM纤维和基体之间的相容性很好，试件内部的纤维在外力作用下拨出时发生了取向变形，消耗了一部分断裂能，从而达到了增韧的效果[16]。另一方面，当试件发生破坏时，POM纤维会因为形成了无规则网状结构，而发生桥联搭接作用，降低裂纹处的应力并且阻止裂纹继续扩张，从而提高试件的弯曲韧性[15]。POM纤维的桥联搭接作用与其长度及含量有关，纤维长度越长、掺量越大时形成的桥联搭接越多，但是随着纤维长度和掺量的增加，试件中的初始缺陷增多，所以PRGRC的弯曲韧性并不与纤维长度及掺量成正比。本试验条件下，长度为6 mm的POM纤维的增强效果优于长度为12 mm的POM纤维，最佳体积掺量为0.50%，其弯曲韧性指标为对照组的1.25～4.47倍。

2.4 PRGRC的微观结构分析（见图5）

图5 PRGRC的SEM照片

由图5（a）和图5（b）可见，混凝土基体结构致密，反应产物主要为N-A-S-H凝胶，凝胶排列紧密，有未反应的表面光滑的粉煤灰（FA）颗粒填充在基体孔隙中，再生骨料与基体之间的界面过渡区（ITZ）仍然密实地分布了N-A-S-H凝胶，混凝土受外部荷载时，致密的内部结构会延缓裂缝的产生，提高混凝土强度。由图5（c）和图5（d）可见，POM纤维与混凝土基体粘结紧密，POM纤维与基体之间的界面过渡区结构密实，微裂缝和孔洞较少，这是因为POM纤维分子结构中含有大量醚键，与混凝土基体的相容性很好。由图5（e）和图5（f）可以观察到均匀分布在混凝土中的POM纤维形成了网状结构，起到桥联搭接的作用，可以有效抑制混凝土塑性收缩变形引起的收缩应力和内部拉应力，而且POM纤维有拔出、断裂及剥离的现象，纤维的拔出、断裂与剥离可以消耗施加在混凝土上的作用力的断裂能，进而达到增强混凝土的效果。由图5（g）和图5（h）可见，POM纤维可以阻止混凝土基体中的裂纹继续扩张，延缓破坏过程，进而提高试件的弯曲韧性。

混凝土基体承受外部荷载时，薄弱区域会发生应力集中现象，出现裂缝，裂缝不断扩展，最终发生破坏。而在PRGRC中，骨料和网状结构的POM纤维构成一个新的支撑体系，有效限制了微裂缝的产生与扩展，从而更高效的发挥阻裂效果，宏观上表现为混凝土的抗压强度、抗折强度和弯曲韧性提高。当纤维掺量过大时，内部孔隙与微裂缝增多，混凝土密实性降低，宏观表现为强度降低。