聚丙烯纤维表面改性对水泥土干缩性能的影响

2022-01-27徐亚星胡顺磊董晓强

太原理工大学学报 2022年1期

徐亚星，姚鑫，庄妍，胡顺磊，董晓强

(1.太原理工大学土木工程学院，太原 030024；2.东南大学土木工程学院，南京 211189)

在我国的沿海、沿湖及沿河地区都广泛分布着软土，其具有高含水量、高压缩性、高孔隙比及低承载力的特性。在公路路基施工时，使用这些含水量高于最佳含水量的未经处理的软土可能很难达到目标压实程度，因此在交通荷载下会导致沉降过大或路堤失稳等问题，故有必要采取一定的处理措施。其中，水泥改良技术在路基中应用较广泛，但在竣工后初期，由于外界水分蒸发和水泥的水化作用，水泥土体内的水分不断减少从而产生毛细作用及吸附作用，致使路基干缩开裂，从而降低路基的长期耐用性和结构的适用性。由于路基修复的高成本和不便性，因此控制其干燥收缩具有重要的意义。

有关研究表明水泥基材料中添加纤维不仅能提高其强度、刚度以及延展性等，而且还可以降低试样的平均裂缝宽度，延迟初始开裂时间，故添加纤维是控制收缩和裂纹扩展的有效途径[1-4]。聚丙烯(PP)纤维因具有合理的强度、良好的化学稳定性和相对较低的成本，在路面上得到了广泛的应用，然而PP纤维表面具有疏水性且表面能较低[5]，其与水泥基体的粘结性较差。许多学者发现经NaOH、H2SO4及偶联剂等化学试剂处理后，纤维与基体的弹性模量、拉拔能和粘合强度等性能均有一定程度的提高，因此化学改性方法是增强纤维与水泥基材料界面粘结强度的有效手段[6-9]。

综上所述，目前研究大多是关于纤维表面改性增强塑料复合材料、水泥基复合材料的力学性能，而对于纤维表面处理改善水泥土干缩性能的研究几乎处于空白状态，此外，前人对于土体抗裂性能的研究主要集中于黏土、粉黏及膨胀土[10-11]的定性分析，但由于粉土粒径较单一，持水能力差且在干缩裂缝定量方面的研究不够深入。因此本文共设计13组配比，旨在分析不同的纤维表面改性方法(NaOH、HCl和KH550)和纤维掺量(0%，0.25%，0.5%，1%)对水泥土抗干缩性能的影响，并且运用数字图像相关(DIC)技术分析开裂过程中的试样表面的位移和应变、裂缝长度以及裂缝面积等开裂参数，此外，为更好地揭示干缩开裂的机理，还分析了水分散失对裂缝的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验用土取自山西省太原市某建筑工地，取土深度约为3 m～4 m，根据土工试验方法标准GB/T 50123-2019[12]，测得土的基本物理性质如表1所示。

表1 土的基本物理性质Table 1 Properties of soil

PP纤维采用上海臣启化工科技有限公司生产的束状单丝纤维，纤维长12 mm，纤维的物理力学参数见表2.试验所用水泥为42.5级普通硅酸盐水泥。

表2 纤维的性质Table 2 Properties of fiber

1.2 纤维表面改性

在纤维改性之前，为使其充分浸泡于改性溶液以及均匀分散于试样中，故有必要将纤维进行分散，其方法为将纤维装入带有开口的密封袋中，然后用气枪将束状纤维吹散为根状、蓬松状态，图1为纤维吹散前后对比图。将PP纤维进行预处理能够去除纤维表面的残留物，使纤维与基质能更好地粘接，且CHUN et al[13]的研究表明丙酮洗涤能有效提高界面粘合强度和纤维拔出能量，因此先将纤维在丙酮溶液内浸泡2 h，浸泡完毕后用蒸馏水洗涤3遍，在室内自然晾干。然后运用表3的改性方法对纤维表面进行优化，改性完成后将纤维用蒸馏水洗涤至中性，最后将纤维在80°的烘箱内干燥1 h，将烘干后的纤维放入密封袋后以备后续使用，图2为纤维表面改性流程。

图1 PP纤维Fig.1 PP fiber

图2 纤维表面改性流程Fig.2 Process of fiber surface modification

表3 纤维表面改性方法Table 3 Fiber surface modification methods

1.3 样品制备

将取回的土样烘干、粉碎并过2 mm筛，然后称取一定量的土和水泥干拌均匀后，将处理过的纤维均匀、分批次的掺入到混合物中，最后再加入适量的水配置成水泥浆，手动混合均匀后，将拌制好的水泥浆倒入直径为100 mm的硼硅酸玻璃容器中，样品厚度控制为8 mm，然后振捣约2 min，以排除制作过程中产生的密闭气泡，并用刮刀将试样表面抹平。为探究纤维改性方法以及纤维掺量对水泥土干缩特性的影响，本文共设计了13组配比，其配合比如表4所示。

表4 试验配合比Table 4 Mixture proportions

其中：1) 含水量为试验用土的液限加0.5水灰比，为32.75%，取33%；2) 纤维掺量的百分比为纤维质量占干土质量的比值；3) PC代表水泥土，PP指未改性纤维，PN指NaOH改性，PH指HCl改性，PK指KH550改性。

1.4 测试方法

因新制水泥土浆液表面水分散失易导致试样的散斑颜色变浅，降低图像的对比度，故本试验将新制备的浆液在室内干燥0.5 h后喷洒黑色油漆斑点，并保证散斑大小不一，层次分明且清晰可见，图3为试样表面的散斑图案。

图3 散斑图案Fig.3 Speckle pattern

DIC数据采集设备采用分辨率为3 840×2 748的电荷耦合元件(CCD)工业相机，试样采集帧率为7帧/s，通过红外线温枪将试样表面的温度控制为50 ℃，加热装置采用陶瓷加热灯，并在试验装置两侧放置一对LED光源以获取高对比度的图像，测试过程中每间隔3 min拍摄一张试样表面的散斑图像，直至t=480 min.此外，为了分析试样在干燥过程中的水分蒸发情况，利用精度为0.1 g的电子天平对其进行称重，基于获得的质量损失评估试样的含水率变化，图像后处理采用软件GOM Correlate 2020.试验装置示意图如图4所示。

图4 干缩试验装置示意图Fig.4 Schematic diagram of test device

2 结果和讨论

2.1 试样水分散失

因水泥土试样裂缝发育与其内部水分的散失存在密切的耦合关系，水分蒸发的快慢直接影响裂缝的萌生、扩展和裂缝网络的几何形态[14]，因此有必要对试样的含水率进行研究。从图5可看出试样水分散失曲线的斜率趋于一致，这表明试样的水分散失过程不受纤维改性方法及纤维掺量的影响。试样的干燥收缩过程可分为3个阶段，分别为常速率阶段、减速率阶段和残余阶段[15]。在常速率阶段，含水率随干燥时间呈线性递减，结合DIC所拍摄的裂缝演化图像发现含水率约为30%时，试样表面出现裂缝；当含水率为25%时(t=60 min)，发现裂缝网络的几何形态基本定型，随着失水时间的增加，裂缝只是在宽度和长度上增加，不会再出现新的裂缝，曾浩等[16]也在试验中发现了类似的现象。随着干燥时间的进一步延长，干燥收缩曲线几乎趋于平缓，最终达到平稳。

图5 不同纤维改性方法和纤维掺量的试样含水率随时间的变化曲线Fig.5 Curve of moisture content of the specimens with different fiber modification methods and fiber content changing with time

2.2 试样表面应变分布

基于DIC原理可知应变是位移偏导数的近似值，而位移的突变(即表面裂纹)可用应变的局部极值来表示，且受纤维分散的不均匀性、水泥土基质内部结构的各向异性以及外界条件的影响，试样表面的收缩呈现不均匀性，故试样表面应变场对于说明裂纹的萌生与位置以及提前预测试样局部区域的干缩开裂特性是非常有用的，因此有必要运用DIC技术对试样表面的应变场进行深入的研究。

图6是通过DIC技术得到的试样沿X方向60 min的应变分布。从图6中可看出试样表面应变分布呈现不均匀性，观察到明显的应变集中带，裂纹主要集中于高拉伸区域，细微裂纹边缘具有较高的拉伸应变(应变场为正，显示为红色)，且试样表面黄色或橙色区域表示拉伸应变较大，为即将出现裂纹的区域。由于干缩裂纹的产生，导致应力重新分布，在裂纹的相邻区域产生较高的压缩应变(应变场为负，显示为深蓝色)。当纤维掺量为0.25%时，经NaOH、HCl和KH550改性后的试样表面最大拉伸和压缩应变相较于改性前分别降低了17.1%和15.1%、6.0%和9.2%以及24.0%和5.9%，因此改性后的纤维能有效降低试样表面的应力集中，从而延缓干缩裂纹的发展，提高试样的抗应变能力和抗变形能力。

从图6可看出添加0.5%和1%未改性的纤维在试样中部出现数条长度较短且不相交的非贯穿的细微裂缝，改性后试样表面的最大拉伸和压缩应变、裂缝条数、长度均明显小于改性前，其中经KH550改性掺量为1%的试样表面未出现细微裂缝。可见，纤维掺量的增加可明显减少裂缝的长度和宽度，且改性后的试样均能降低试样表面的应力分布，从而有效地抑制水泥土干缩过程中裂缝的萌生与扩展。测试结果可以更好地了解水泥土试样干缩-开裂过程中的变形发展情况，通过DIC技术获得的完整应变场数据对于检测裂缝的动态发展过程非常有价值。

NAHLAWI et al[16]的研究表明干缩裂缝按照产生的先后顺序可分为主裂缝、次级裂缝以及3级裂缝。由图7可看出，当未添加纤维时，试样裂纹网络由1条贯穿于中部的宏观主裂缝(长度和宽度均较大)，垂直于主裂缝某一位置的3条相对较短的次级裂缝，以及由于边界效应的影响沿容器壁边缘产生了一条明显的环状裂缝和数条延伸至容器壁的3级裂缝组成。当纤维掺量为0.25%时，未改性的试样出现3条互不相交肉眼可见的宏观主裂缝，经NaOH、HCl和KH550改性后的试样表面出现数条互相连通的细裂纹，相互交织成网从而将试样表面划分为多个面积较小的块区，且每条裂缝的长度和宽度明显小于改性前。

从图7中可发现表面裂纹网络几何形态与图6观察到的高拉伸应变区域具有良好的对应关系，此外，发现裂纹网络主要由3种类型的多边形组成，即三角形、四边形和五边形，裂纹段彼此相交，其相交角度大约为90°到150°，超出此范围的角度很小。这种现象可用最大应力释放准则来解释：当裂缝产生后，周围的张拉应力逐渐释放，此时最大张拉应力的方向为平行于裂缝的方向，裂缝的扩展倾向于沿着垂直于局部最大主应力的方向发育，因此次级裂缝与主裂缝垂直，与3级裂缝相交，裂缝数量在扩展到稳定[17]。

图6 试样X方向60 min表面应变场分布Fig.6 Surface strain field along the X-direction of the specimens at 60 min

2.3 试样表面裂纹的量化

为探究纤维改性方法以及纤维掺量对水泥土试样干缩裂缝的影响，通过DIC数据得出试样表面裂纹长度和裂缝面积与裂缝宽度分布之间的直方图，从而评估纤维改性方法与掺量在控制干燥收缩裂纹方面的效果。当纤维掺量为0.25%时，未改性纤维的宽度大多集中于0.6 mm～0.8 mm，而经过NaOH、HCl及KH550改性的试样宽度范围为0.1 mm～0.5 mm，可见不同改性方法处理的纤维均能降低试样表面裂缝长度和裂缝面积，并且将相对集中的短而宽的宏观裂缝分散为数条长而窄的细微裂缝。

为更好地分析不同改性方法和纤维掺量对裂纹网络几何形态的影响，本文引入裂纹强度因子(CIF)和裂纹减少率(CRR)[18]对试样的开裂程度进行了量化，将CIF和CRR定义如下：

(1)

(2)

式中：Ac为裂纹总面积，At为试样总面积，CIFn为未加筋试样的裂纹强度因子，CIFf为纤维加筋试样的裂纹强度因子。

从图9可看出当纤维掺量为0.25%时，改性后试样的裂纹强度因子(即裂纹总面积)相比于改性前均有一定程度的降低，与图7的结果相对应，而经NaOH、HCl和KH550改性后的试样裂纹减少率相比于改性前分别提高了27.64%，28.10%和2.42%，值得注意的是经过KH550改性且掺量为1%的试样裂纹减少率为100%，因此纤维改性能有效抑制干缩裂纹的萌生与扩展，从而提高了试样的抗干缩能力。

图7 0.25%纤维掺量的试样表面最终裂纹网络几何形态Fig.7 Geometry of final crack network of the specimen surface with 0.25% fiber content

图8 不同改性方法与纤维掺量的试样表面裂纹参数分布直方图Fig.8 Histogram of surface crack parameters distribution of the specimens with different modification methods and fiber contents

图9 各组试样的裂纹强度因子Fig.9 Crack intensity factors of the specimens

图10 各组试样的裂纹减少率Fig.10 Crack reduction ratio of the specimens

3 机理研究

图11显示了改性前后PP纤维的表面形态，可以发现改性前PP纤维表面非常光滑和平坦，这表明PP纤维和水泥土之间的粘合较差，对水泥土基体变形的限制作用较小，然而经NaOH和HCl改性后的纤维表面较粗糙、凹凸不平，同时还可以观察到半剥落的纤维附着在表面，而经KH550改性的试样相对光滑但表面也伴随着数条长划痕，从而使纤维与水泥土基质之间在水化及固化过程中具有更好的界面粘结力[19]，提高了试样的抗变形能力。

图11 改性前后PP纤维表面形态Fig.11 Surface morphology of PP fiber before and after modification

由于PP纤维表面具有疏水性且表面能较低，不利于水泥颗粒的水化以及与水泥土基质的粘结，因此有必要通过压汞法测量试样的孔径分布以及孔结构特征参数来评估纤维的改性效果，结果如图12和表5所示。因较粗的孔隙会促进裂纹的萌生与发展，为了进一步研究水泥土基质孔隙结构，将试样孔径分为4个尺寸范围，分别为微孔(小于10 nm)、小孔(10～100 nm)、中孔(100～1 000 nm)和大孔(大于1 000 nm).从图12中可看出改性后水泥土基质中小孔所占的比例有所提高，同时减少了中孔的体积[20-21]，这表明纤维改性使孔隙的局部结构得到细化，且通过表6可知改性后试样的孔隙率相比于改性前分别减少了4.87%、4.8%和5.83%，这表明纤维改性提高了纤维水泥土的密实度，导致了更致密的微观结构和更好的粘结性能，从而有效减少了试样的干燥收缩变形，这与之前的裂缝量化结果非常吻合。