侵蚀性离子对PE纤维与水泥基材料界面黏结性能的影响
2023-05-05李格格崔东波孙晓光王鹏刚
李格格,田 砾,崔东波,孙晓光,王鹏刚,*
(1.青岛理工大学 土木工程学院,青岛 266525;2.山东京博环保材料有限公司,滨州 256500)
纤维增强水泥基复合材料具有良好的抗裂性能和耐久性能,可以弥补普通混凝土易开裂、耐久性差的缺陷[1-2]。近年来,纤维增强水泥基复合材料在滨海环境和西部盐渍土环境中的应用越来越广泛。然而,环境中的侵蚀性离子会影响纤维增强水泥基复合材料的力学性能[3-4]。张晶[5]发现侵蚀后的水泥基材料表面出现了多条竖向斜裂缝。马颖彪[6]发现纤维混凝土经过硫酸盐侵蚀后其抗压强度和劈裂强度出现了下降的现象。王振波等[7]研究发现ECC的力学性能随着侵蚀龄期的增长出现应变软化现象。谈亚文等[8]研究发现硫酸盐侵蚀会降低纤维混凝土的弯曲韧性。应变硬化和弯曲韧性降低的根本原因是纤维与水泥基复合材料界面性能的降低。所以,有必要开展侵蚀性离子对纤维与水泥基复合材料界面性能的影响机制研究,揭示侵蚀环境下纤维增强水泥基复合材料力学性能演变规律。随着装配式建筑的发展,混凝土制品的应用越来越广泛。混凝土制品大多采用蒸汽养护的方式在工厂预制,生产周期短,质量易于控制[9-10],然而养护温度的提高会影响制品的抗侵蚀性能[11-13]。众多学者发现养护方式会影响钢纤维与水泥基材料界面黏结性能[14-16]。蒸汽养护对PVA,PE等合成纤维与水泥基复合材料界面性能的影响,以及侵蚀溶液对界面性能的影响尚不完善。本文通过单纤维拉拔试验系统研究侵蚀性离子和养护方式对PE纤维与水泥基材料界面黏结性能的影响,研究结果可为耐腐蚀纤维增强水泥基复合材料设计与制备提供理论依据。
1 试验概况
1.1 试验原材料与水泥基复合材料配合比
试验原材料包括:P·O42.5硅酸盐水泥;Ⅰ级粉煤灰;石英砂,平均粒径为96 μm,最大粒径为200 μm;聚羧酸高效减水剂,减水率为40%;PE纤维,直径为24 μm,弹性模量为110 GPa;NaCl,Na2SO4化学分析纯试剂。水泥基复合材料配合比如表1所示。
表1 水泥基复合材料配合比 kg/m3
1.2 试件制备
采用硬卡纸制作尺寸为10 mm×10 mm×10 mm的试验模具,并且在相应位置预留出3 mm深的卡槽以便固定PE纤维,如图1(a)所示。纤维插入卡槽,在模具外部预留出至少10 cm的长度。将拌和好的水泥基复合材料浇入模具中。部分试件放入混凝土标准养护室标准养护至28 d,其他试件终凝后放入85 ℃蒸汽养护箱中高温养护3 d。标准养护用S表示,高温养护用H表示。试验试件达到上述养护龄期后,使用锯条在PE纤维埋入深度2 mm位置处锯断纤维,且锯入深度为6 mm左右时停止动作以免锯断试件。将露出的PE纤维缠绕在带有贯通孔的小球上,同时确保小球与试件端部之间预留10 mm的PE纤维,并在小球贯通孔中滴入502胶水,使PE纤维与小球牢固地黏结在一起,如图1(b)(e)所示。采用热熔胶将试件表面进行密封,仅留2个平行侧面作为暴露面,以确保侵蚀性离子的一维渗透。为防止PE纤维受到侵蚀,影响PE纤维的拉拔性能,用热熔胶将连接小球的PE纤维挡住,如图1(c)所示。将处理好的试件分别放入0%,5%,10%的NaCl和Na2SO4溶液中,试件放置方向如图1(d)所示。侵蚀14,42,70 d后,取出试件并小心去除试件上的热熔胶。试件自然晾干后,在万能试验机上进行单纤维拔出试验,加载速率为0.5 mm/min,如图1(f)所示。纤维拔出试验后试件如图1(g)所示。
图1 试件成型与单纤维拔出试验
2 结果分析与讨论
2.1 侵蚀溶液浓度对PE纤维与水泥基复合材料界面黏结性能的影响
图2 氯盐和硫酸盐侵蚀14 d后PE纤维拔出荷载-位移曲线
图3 氯盐和硫酸盐侵蚀42 d后PE纤维拔出荷载-位移曲线
图4 氯盐和硫酸盐侵蚀70 d后PE纤维拔出荷载-位移曲线
2.2 高温蒸汽养护对PE纤维与水泥基复合材料界面黏结性能的影响
水中浸泡试件的PE纤维拔出荷载-位移曲线如图5所示。由图5可知,试件在水中浸泡14和42 d后,85 ℃高温蒸汽养护试件的PE纤维拔出荷载-位移曲线略低于标准养护试件。这是因为,提高养护温度会加速水泥颗粒的水化速率,短时间内大量水化产物无序沉淀搭接[19]。因此,85 ℃高温蒸汽养护会粗化水泥基复合材料内部孔隙,造成水泥基复合材料强度损失。此外,随着试件浸泡时间的增加,PE纤维的最大拔出荷载逐渐增大。这主要来源于试件内部未水化水泥颗粒的继续水化。然而,85 ℃高温蒸汽养护3 d的试件内部未水化水泥颗粒多于标准养护28 d的试件,蒸汽养护试件继续水化程度略大于标准养护,从而使得试件在水中浸泡70 d后,85 ℃高温蒸汽养护试件的PE纤维拔出荷载-位移曲线与标准养护试件曲线基本吻合。
3 结论
1) 氯盐或硫酸盐侵蚀14 d后,PE纤维与水泥基材料界面最大拔出荷载随着侵蚀离子浓度的增加而增大。侵蚀42 d后,PE纤维与水泥基材料界面最大拔出荷载随着侵蚀溶液浓度的增大先增大后减小。侵蚀70 d后,PE纤维与水泥基材料界面最大拔出荷载随着侵蚀溶液浓度的增大而减小。
3) 养护方式、侵蚀龄期和溶液浓度对PE纤维拔出能的影响规律与对PE纤维与水泥基材料界面最大拔出荷载影响规律基本一致。
