改性聚丙烯纤维增强水泥基材料的搅拌工艺及弯曲性能研究

2023-05-25吕浩平李艳杰郝元灏朱崇绩刘世玺

工业建筑 2023年2期

吕浩平李艳杰郝元灏朱崇绩刘世玺

(济南大学土木建筑学院,济南 250022)

0 引言

普通混凝土是一种脆性材料,其显著特点是抗拉强度低、断裂韧性差。这一缺陷驱动着纤维材料这一新兴学科的迅速发展。研究者们将具有足够机械性能的分散纤维添加到混凝土中,以改善韧性,增加抗疲劳负荷,提高耐磨性和抗弯、抗剪强度[1-2]。这种具有超高韧性的复合材料通常称为纤维增强水泥基材料(Fiber Reinforced Cement-Based Materials,FRCM),主要由水泥、粉煤灰、细骨料和纤维组成,是一种具有巨大的结构和工程应用潜力的改良混凝土材料[3-4]。

目前可用于加固材料的纤维主要有四种:钢纤维、玻璃纤维、天然纤维和合成纤维。对聚丙烯纤维的表面进行改性处理,使其呈凹凸不平状态,提高了纤维与混凝土的粘结力和摩擦力,改善混凝土的开裂后性能;与钢纤维和玻璃纤维相比,具有很好的抗腐蚀能力;与天然纤维相比,其耐用性较好;与其他合成纤维(PVA、PE等)相比,改性聚丙烯纤维加工简单,成本更低,且更易于分散,安全环保。所以本研究选用改性聚丙烯纤维(Modified Polypropylene Fiber, MPPF)作为MPP-FRCM的加强材料。

近几十年来,对纤维材料的实验研究一直有着不同的方向[2,5-6]。目前,国内外学者对聚丙烯FRCM的各种性能进行了试验研究。王来贵等[7]研究了不同纤维掺入量的聚丙烯FRCM变形破坏规律,解释了其塑性提高的特征;Zhu等研究发现聚丙烯纤维的加入不仅能提高FRCM的强度,而且还表现出更好的抗裂性和弯曲韧性,并提出了一种更合适的抗弯韧性评价方法[8];Jin等研究发现高强聚丙烯纤维制成的轻质FRCM有高强度、高延展性和良好的裂缝控制,具有实际的应用价值[9];张丽哲等用浓硫酸氧化法对聚丙烯纤维进行改性,进行了早期抗裂研究,发现聚丙烯纤维改性能显著增强FRCM的早期抗裂性能[10];靳贺松等以质量损失为评价指标研究了聚丙烯FRCM的抗冻性能,发现其基本性能均保持较高水平[11],为聚丙烯纤维在寒冷地区的应用提供了参考。

然而,有关FRCM搅拌工艺的研究鲜有报道。对于FRCM而言,搅拌工艺对纤维的分散起着重要作用,而纤维的均匀分散对FRCM的工作性和力学性能均有很大的影响。因此,确立一个可靠的搅拌工艺具有十分重要的研究意义和实际应用价值。

弯曲性能是水泥基复合材料的主要力学性能之一,主要通过弯曲强度和弯曲韧性来评价。FRCM的典型特征是在弯曲和拉伸载荷下可以承受较大的变形,具有明显的多次开裂和应变硬化行为。这样,FRCM在大变形情况下可以对裂缝的扩展起限制作用,并保持承载能力[12-14]。因此,有必要了解MPP-FRCM的抗弯性能,为实际应用提供指导。

为了减少搅拌过程的纤维断裂,提高纤维在FRCM中的均匀分布。本研究将通过调整加料顺序和控制搅拌时间,对比不同搅拌工艺的纤维分散效果、拌和物的工作性能和强度,提出适宜的搅拌工艺。同时为了验证了不同直径和不同掺量的改性聚丙烯纤维对MPP-FRCM弯曲性能带来的提升,对MPP-FRCM平板试件进行四点弯曲试验。

1 材料及配比

1.1 原材料

本研究选用标号为P·O 42.5的普通硅酸盐水泥和Ⅰ级粉煤灰作为胶凝材料,水泥和粉煤灰的基本性能如表1、2所示。所有混合物的细骨料均采用石英砂,粒径为0.106～0.425 mm,密度为2 660 kg/m3,含水量≤0.05。试验用水为济南大学土木建筑综合实验楼内的自来水。增强材料选用宁波时科新材料科技有限公司提供的改性聚丙烯纤维,长度分别为6,9,12,16,20 mm,其物理和机械性能指标见表3。如图1所示,改性聚丙烯纤维表面经过压痕处理,呈凹凸不平状态,以改善纤维与基体之间的物理摩擦。采用聚羧酸高效减水剂作为减水剂,羟丙基甲基纤维素作为增稠剂,改善复合材料的工作性能。

表1 P·O 42.5普通硅酸盐水泥物理性能指标Table 1 Physical property indexes of P·O 42.5 ordinary portland cement

表2 Ⅰ级粉煤灰基本性能指标Table 2 Basic performance indexes of grade Ⅰ fly ash

表3 改性聚丙烯纤维基本性能指标Table 3 Basic performance indexes of modified polypropylene fiber

图1 改性聚丙烯纤维Fig.1 Modified polypropylene fiber

1.2 搅拌工艺

为测试纤维掺加顺序、搅拌方式和搅拌时间对改性聚丙烯纤维增强砂浆的工作性和力学性能的影响,选择四种不同的搅拌工艺进行试验,以确定最佳的搅拌工艺,使后续试验更加合理可行。改性聚丙烯纤维搅拌工艺如图2所示。纤维先掺法为先将水泥、粉煤灰、石英砂和纤维进行干拌,随之将混合有外加剂的水加入到干料中进行湿拌。纤维后掺法为先将水泥、粉煤灰和石英砂进行干拌,随之将混合有外加剂的水加入到干料中进行湿拌,纤维在湿拌30 s后加入。

图2 纤维搅拌工艺Fig.2 Fiber mixing process

1.3 配合比

为研究搅拌工艺对力学性能的影响,根据GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》中的规定,试样尺寸确定为40 mm×40 mm×160 mm。对于3 d、7 d、28 d不同的养护周期,每种搅拌工艺制作3组9个试样,共36个棱柱试样。为测试改性聚丙烯纤维对水泥基材料弯曲性能的影响,采用尺寸为 400 mm×100 mm×15 mm的平板试样进行研究。针对于纤维长度和纤维掺量,制作了11组33个平板试样。平板试样标识符的含义:第1个字母代表试样的用途,W代表用来研究改性聚丙烯对弯曲性能的影响;第2个字母L和第1个数字代表纤维的长度;第3个字母C和第2个数字代表纤维的掺量。例如,WL12C2代表用12 mm的改性聚丙烯纤维,掺量为2%制造的平板试样。棱柱试样和平板试样的基体配合比见表4。

表4 纤维增强胶凝材料的基体配合比Table 4 Matrix mix proportion of fiber reinforcedcementitious materials kg/m3

1.4 试件制备

为确保一致性,所有试样均按照以下统一程序制造。首先按照图2所示纤维搅拌工艺将材料用JJ-5型号水泥胶砂搅拌机进行搅拌;然后将拌和物倒入对应的模具中;最后,将充满混合物的钢模在振动台上振动30 s。试样在室中固化 24 h然后脱模。脱模后,将试件放入标准固化室中养护至规定龄期。标准固化室内温度为(20±2)℃,相对湿度为98%。棱柱试样根据需要进行3 d、7 d、28 d的养护,平板试件进行28 d的养护。

2 测试方法

2.1 纤维分散性能

根据GB/T 21120—2018《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》,采用水洗分析法作为表征改性聚丙烯纤维分散性的评价方法。每次浆体搅拌完成后,立刻取2 kg新鲜浆体各3组,使用75 μm方孔筛反复清洗新鲜拌和物并分离出纤维,将其放到(105±5)℃干燥箱中烘干至恒重,冷却至室温后称出纤维质量,精确至0.01 g,与理论值比较。若理论值与试验纤维含量的算数平均值的误差范围不超过±10%,则认为纤维在基体中分散性良好。

2.2 工作性能

工作性指混凝土在操作过程中必须具有良好的施工性能,避免发生泌水、离析和分层等现象。良好的工作性能够确保获得均匀密实的拌和物,所以根据GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》、GB/T 15231—2008《玻璃纤维增强水泥性能试验方法》和GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》规定方法对不同搅拌工艺的拌和物测试流动度、体积密度、含水量、吸水率和凝结时间等工作性能参数,以验证其工作性能。

2.3 砂浆强度

不同的搅拌工艺对硬化后的FRCM的力学性能会有一定程度的影响。参照GB/T 17671—1999,棱柱试件成型3 d、7 d和28 d后,用抗折抗压一体机测得不同搅拌工艺下制备的MPP-FRCM试件的抗折抗压强度。

2.4 弯曲性能

为了研究改性聚丙烯纤维长度和掺量对MPP-FRCM弯曲性能的影响,采用四点弯曲试验对平板试件进行试验研究。试验在美斯特微机控制电子万能试验机上进行,以0.5 mm/min 的位移速率来控制加载过程。两个线性可变位移传感器 (LVDT) 安装在跨中以测量挠度,如图3所示。

图3 四点弯曲试验装置Fig.3 Four-point bending test device

3 试验结果与分析

3.1 搅拌工艺对改性聚丙烯纤维分散性影响

表5为本次试验测得的改性聚丙烯纤维增强砂浆拌和物中的纤维含量结果。由表可知,不同搅拌工艺得到的新鲜拌和物中纤维含量测量值与理论值的偏差均不超过±10%,并且后掺纤维法的偏差小于先掺纤维法,说明其纤维分散性更好。在相同的搅拌方式和搅拌时间下,测量值与理论值的偏差随着搅拌速度的提高而增大,说明慢速搅拌更加有利于纤维在基体中的均匀分散。

表5 新鲜拌和物中纤维含量Table 5 Fiber contents in fresh mixture

3.2 搅拌工艺对纤维增强砂浆工作性的影响

表6为本次试验测得的改性聚丙烯纤维增强砂浆拌和物的工作性性能。在所有不同搅拌工艺得到的新鲜拌和物均未观察到离析现象,说明搅拌工艺对纤维增强砂浆的抗离析性能影响不大。可知,搅拌工艺对纤维增强砂浆的体积密度、含水率和吸水率没有明显影响。当采用纤维后掺法和快速搅拌时(B2),纤维增强砂浆拌和物的初、终凝时间较快。已有研究表明,良好的流动度是保证纤维在基体拌和物中均匀分散的重要影响因素[15]。由图4可知,拌和物的流动性会随着搅拌速度的加快而降低,对纤维的均匀分散产生不利影响。采用后掺纤维法和慢速搅拌时(B1),拌和物流动性最好,为180 mm。这与3.1节中现象一致,拌和物良好的流动性有助于纤维的均匀分散。

表6 改性聚丙烯纤维增强砂浆拌和物性能Table 6 Properties of modified polypropylene fiber reinforced mortar mixture

图4 不同搅拌工艺制备拌和物流动性Fig.4 Fluidity of mixture prepared by different mixing processes

3.3 搅拌工艺对纤维增强砂浆力学性能的影响

图5为本次试验测得不同搅拌工艺的改性聚丙烯纤维增强砂浆拌和物的抗压抗折强度。由图可知,与先掺纤维法相比,采用后掺纤维法搅拌工艺制作的MPP-FRCM试件在相同龄期下(3 d、7 d和28 d)具有更高的抗压强度和抗折强度。这是因为采用后掺纤维法时,纤维在砂浆拌和物中的分散更加均匀,大量的短切纤维在基体内相互交错形成网状结构,增强了纤维与基体之间的黏结力,避免了纤维结团、成絮等造成的基体内部缺陷。与快速搅拌工艺(A2和B2)相比,采用慢速搅拌工艺(A1和B1)制备的试件强度均表现出更高的力学性能,因为过快的搅拌速度可能会损伤纤维表面,甚至会使部分纤维弯曲或折断,进而影响试件强度。

综上所述,纤维后掺和慢速搅拌时的纤维分散更均匀,工作性能更好,制备的试件强度更高,所以认为B1为适宜的搅拌工艺,后续试验均采用此种搅拌工艺。

a—抗压强度; b—抗折强度。图5 不同搅拌工艺强度对比Fig.5 Strength comparison of different mixing processes

3.4 改性聚丙烯纤维增强砂浆拌和物弯曲性能评价

本节将根据荷载-挠度曲线、抗弯比例极限强度(初裂强度)、抗弯破坏强度(峰值强度)、延性比、韧性和残余强度等分析纤维长度和掺量对MPP-FRCM弯曲性能的影响。

根据ASTM-C1018确定开裂荷载、初裂挠度、峰值载荷和峰值挠度。弯曲载荷由式(1a)转换为弯曲应力,得到初裂强度σc和峰值强度σP。峰值挠度δP与初裂挠度δC的比值被定义为延性比βD,用于评估试样的延性,如式(1b)所示。试件弯曲应力和延性比的计算结果见表7。

σ=PL/(bh2)

(1a)

βD=δP/δC

(1b)

式中:σ为弯曲应力,MPa;P为外加荷载,N;L为跨度,mm;b和h分别为试件的宽度和厚度,mm。

为了评估MPP-FRCM的弯曲韧性和能量吸收能力,本研究依据ASTM-C1018标准引入韧性指数来对其弯曲韧性进行分析。ASTM-C1018韧性指数法为能量比值法,荷载-挠度曲线下的面积越大,能量吸收能力越强,材料的韧性越好。ASTM-C1018韧性指数法基本原理如图6所示,其中A为初次开裂点,δ为初裂挠度,选取初裂挠度的3倍(3δ)、5.5倍(5.5δ)、10.5倍(10.5δ)和15.5倍(15.5δ),根据式(2)计算相应的韧性指数I5、I10、I20和I30。剩余强度系数表示在特定区间内后开裂阶段保留的强度占第一次开裂强度的百分比。它是衡量梁或板在特定加载阶段的可持续性的指标。剩余强度系数由式(7)计算。弯曲韧性和残余强度的计算结果见表8。

I5=(T1+T2)/T1

(2a)

I10=(T1+T2+T3)/T1

(2b)

I20=(T1+T2+T3+T4)/T1

(2c)

I30=(T1+T2+T3+T4+T5)/T1

(2d)

(2e)

式中:T1、T2、T3、T4、T5分别表示区域Ωc、Ω3、Ω5.5、Ω10.5、Ω15.5的面积。

图6 基于ASTM C1018的韧性指数的基本原理Fig.6 Basic principle of toughness indexes based on ASTM C1018

表7 四点弯曲试验弯曲应力和延性比计算结果Table 7 Calculation results of bending stress and ductility ratio of four-point bending test

表8 四点弯曲试验弯曲韧性和剩余强度的计算结果Table 8 Calculation results of bending toughness and residual strength of four-point bending test

未掺加和掺加纤维的试件表现出两种不同的弯曲破坏模式,破坏后试件底面的裂纹分布如图7所示。不同纤维长度和纤维掺量的FRCM试件的荷载-挠度曲线如图8所示。图7a所示,未掺加纤维的平板试件为单裂缝开裂模式。如图8中附图所示,当荷载达到基体开裂强度时,未掺加纤维的平板试件直接断裂,即脆性破坏。对于最终弯曲挠度而言,未掺加纤维试件为纤维增强试件的几十分之一。如图7b所示,掺加纤维的平板试件为多重裂缝开裂模式,具有良好的延性和韧性,即延性破坏。如图8所示,掺加纤维的平板试件荷载-挠度曲线大体可划分为4个阶段:1)线弹性阶段:纤维和基体共同承担应力,表面无裂缝产生;2)开裂阶段:当外加荷载达到弹性阶段极限时,荷载突降,第一条裂缝出现在平板弯曲段的薄弱界面或两个加载点附近区域,随之外部荷载由基体传递至横跨裂缝处的纤维,板中纤维作为微筋材桥接着水泥基体,承受外部荷载作用并吸收能量,提供了一定的应力支撑,避免了水泥基体一裂即坏;3)应变硬化阶段:继续加载,试件承载力会逐渐增加,也会有新的裂缝产生,不同的是,当纤维长度小于12 mm时(6,9 mm),试件开裂后仍具有一定的承载能力,但荷载-挠度曲线表现为应变软化行为,荷载-挠度曲线出现了2～3次荷载突降,是因为平板试件的多重裂缝开展模式;4)应变软化阶段:大量纤维被拔出,在某一条裂缝发生破坏(破坏截面纤维均为拔出破坏,因为基体-纤维界面的最大粘结力小于纤维极限抗拉强度),裂缝宽度越来越大,试件承载能力缓慢下降。

a—未掺加纤维增强试件; b—掺加纤维增强试件。图7 试件底面的裂纹分布Fig.7 Crack distribution on the bottom surface of the specimen

a—不同纤维长度; b—不同纤维掺量。图8 不同类型试件四点弯曲试验荷载-挠度曲线Fig.8 Load-deflection curves of four-point bending test of different types of specimens

3.4.1不同纤维长度对弯曲性能的影响

采用五种不同长度的改性聚丙烯纤维制作平板试样,以研究纤维长度对MPP-FRCM弯曲性能的影响。不同纤维长度的FRCM试样的弯曲性能指标如图9所示。当纤维掺量为2.0%时,不同纤维长度FRCM平板试件的平均初裂强度在5.40～7.87 MPa之间,均值6.60 MPa;平均初裂挠度在0.639～0.822 mm之间,均值0.736 mm;平均峰值强度在6.08～8.27 MPa之间,均值6.9 MPa;平均峰值挠度在0.639～8.712 mm之间,均值3.612 mm。由图9a可以看出,当纤维掺量相同时,12 mm长的改性聚丙烯纤维对试样的增强效果最好,WL12C2.0的σC和σP比对照试件WL0C0高26.12%和32.53%。这与文献[16-17]用聚乙烯醇纤维观察到的结果相一致。同时,图9b显示,WL20C2.0试件的δP和βD分别比对照试件WL0C0高1 240%和1 079%,比WL12C2.0高509.09%和555%,表明采用20 mm长的纤维试样的延展性最高。此外,图9c显示,随着纤维长度的增加,韧性指标随之增加,表明纤维长度的增大能够提高材料的韧性和能量吸收能力。WL20C2.0试件的I5、I10、I20和I30为所有试件最高,与WL6C2.0相比分别从3.33、6.25、10.38和11.30分别增加到6.32、13.12、29.33和44.93,分别增大了89.79%、109.92%、480.43%和297.61%。同时图9d显示,WL12C2.0的残余强度R5,10、R10,20和R20,30分别比WL6C2.0高132.88%、292.49%和1 595.65%,反映了试样的最佳能量吸收和承载能力。

3.4.2不同纤维掺量对弯曲性能的影响

采用六种不同掺量的改性聚丙烯纤维制作平板试样,以研究不同掺量对MPP-FRCM弯曲性能的影响。纤维掺量对峰值应力和延性的影响如图10a和图10b所示。当纤维长度固定为12 mm时,不同纤维掺量MPP-FRCM平板试件的平均初裂强度在6.71～9.13 MPa之间,均值7.71 MPa;平均初裂挠度在0.740～0.987 mm之间,均值0.874 mm;平均峰值强度在7.00～9.33 MPa之间,均值8.01 MPa;平均峰值挠度在0.927～2.082 mm之间,均值1.459 mm。由图10a中可以看出,随着纤维掺量从0.5%增加到3.0%,σC和σP分别从6.81和7增加到了9.13和9.33,分别增加了34.07%和33.29%。由图10b中可以看出,试件WL12C3.0的δP和βD最高,即改性聚丙烯纤维的高掺量会对FRCM的延性起着积极的作用。但是对于试件WL12C2.5,出现了局部下降,是试件局部缺陷所导致。

a—初裂强度和峰值强度; b—峰值挠度和延性比; c—弯曲韧性; d—残余强度。图9 不同纤维长度FRCM试件弯曲性能Fig.9 Bending properties of FRCM specimens with different fiber lengths

a—初裂强度和峰值强度; b—峰值挠度和延性比; c—弯曲韧性; d—残余强度。图10 不同纤维掺量FRCM试件弯曲性能Fig.10 Bending properties of FRCM specimens with different fiber contents

纤维掺量对韧性指数和残余强度的影响见图10c和图10d。由图10c中可以看出,当纤维掺量从0.5%增加到3.0%时,I5呈先增加后减少的趋势;在纤维掺量为2.0%时最大,但I10、I20和I30都伴随纤维掺量的增加而增大。这说明当纤维掺量为2.0%时,FRCM试件的早期耗能能力强。对于后期耗能能力而言,是WL12C2.0较强。由图10d中可以看出,WL12C2.5试件的R5,10是最大的,比WL12C0.5试件提高了50.34%。但是对于R10,20和R20,30,都是随着纤维掺量的增大而增大。WL12C3.0的R10,20和R20,30相比WL12C0.5分别提高了77.70%和120.95%。由此可见,WL12C3.0试件具有较好的承载能力,这与峰值强度的变化规律基本一致。

综上,MPP-FRCM具有较高的延性、优越的裂缝控制能力和极高的吸能能力。由于这些优点,改性聚丙烯纤维增强水泥基材料非常适合作为损伤结构的修补材料、产生大变形的桥面板、恶劣环境下钢筋混凝土结构的保护层,提高建筑物和构筑物的使用寿命。