短切聚酰亚胺纤维增强混凝土性能*

李 特,田启超

(1.杨凌职业技术学院,陕西 杨凌 712100;2.中国电建集团 北京勘测设计研究院有限公司,北京 100024)

混凝土因具有较高的抗压强度、良好的环境适应性及较低的价格成为应用最广泛的土木工程材料之一[1]。相比于金属和聚合物等其他土木材料,混凝土明显更脆,抗拉强度较差。根据断裂韧性值,钢的抗裂纹扩展能力至少是混凝土的100倍[2]。因此,使用中的混凝土在材料和界面上都会存在缺陷和微裂缝,这为有害物质提供了容易进入的途径,导致过早饱和、冻融损伤、结垢、变色和基材腐蚀。这一点在增强混凝土的应用中尤为突出,因为随着混凝土强度的不断提高,其脆性更加明显,韧性不断降低,抗开裂性能越来越差[3],因此,提高混凝土材料性能的研究尤为重要。通过添加各种合适材料的短而随机分布的纤维可以很大程度提高混凝土的性能。纤维不仅改善了混凝土的抗拉强度和收缩裂缝,还能提高混凝土抗压强度、耐久性、疲劳寿命、抗冲击和耐介质等性能[4]。

聚酰亚胺纤维由于具有优异的热稳定性、良好的化学稳定性和优异的力学性能受到广泛关注,在航空航天、军事和原子能等方面得到了广泛的应用[5]。随着聚酰亚胺合成技术的日趋成熟,其成本大幅度降低,因此得到学者更多的关注。但由于聚酰亚胺纤维的表面光滑,极性较小,不易与基材浸润,因此又限制了聚酰亚胺纤维在先进复合材料领域中的应用[6]。为满足混凝土更高的指标和使用范围,作者对聚酰亚胺纤维增强混凝土进行了研究。通过对聚酰亚胺纤维表面改性,增强聚酰亚胺纤维润湿分散性,并掺杂到混凝土中以提高混凝土的各项性能。

1 实验部分

1.1 原料、试剂与仪器

普通硅酸盐水泥:P.O 42.5,山东东岳泰山水泥有限公司;粉煤灰:Ⅱ级,南京宏乾环保工程有限公司;减水剂:济南山海化工科技有限公司;粗集料(碎石):粒径5～25 mm,连续级配,w(泥)=0.3%,细集料(洗净晾干标准河沙):模数2.25,市售;短切聚酰亚胺纤维:长度20 mm,直径6～8 μm,江苏先诺新材料科技有限公司。

磷酸:质量分数85%,乙醇:上海化学试剂公司;硅烷偶联剂KH-570:阿拉丁生物科技有限公司;丙酮:国药化学试剂;以上试剂均为分析纯;自来水:市售。

扫描电子显微镜:Zeiss Sigma HV,德国蔡司公司;压力机:YAD-3000,长春科新试验仪器有限公司;电子天平:JT1003A,上海精天电子仪器有限公司;数控超声波清洗器:KQ3200DE,昆山市超声仪器有限公司;鼓风干燥箱:DHG-901A,上海一恒科学仪器有限公司;台秤:TCS-W(XSB),上海台迈衡器有限公司;砂浆搅拌器:UJ-15,河北初阳试验仪器有限公司;砼氯离子扩散系数测定仪:RCM-6,振动试验平台:HZJ-A,盛世慧科检测设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 聚酰亚胺纤维酸处理

将短切聚酰亚胺纤维置于丙酮中超声清洗1 h后烘干,置于w(磷酸)=20%溶液中,加热至40 ℃处理4 h。将处理完毕的短切聚酰亚胺纤维用蒸馏水冲洗干净,60 ℃烘干备用。

1.2.2 硅烷偶联剂改性聚酰亚胺纤维

配置w(KH-570-乙醇)=4%溶液,将短切聚酰亚胺纤维加入其中,t=45 ℃超声振荡4 h,取出聚酰亚胺纤维用乙醇溶液冲洗后80 ℃烘干备用。

1.2.3 纤维增强混凝土的制备

不同配方的实验配比见表1。

表1 不同配方的实验配比

根据表1的比例准确称取相关原材料,将水泥、粉煤灰、碎石和河沙依次倒入砂浆搅拌器中,启动电机预拌5 min,以确保原材料混合均匀。在继续搅拌的过程中依次倒入水和减水剂,搅拌至砂浆呈均匀的流动状态。少量多次加入改性后的短切聚酰亚胺纤维并持续搅拌至均匀状态。最后根据实验要求,将搅拌均匀的砂浆制备成相应的试件,并用振动台将试件振动密实排除空气,放入养护箱中标准养护28 d后进行测试。m(水)∶m(胶)=0.4,w(砂)=40%,以此为基础配方设计混凝土配比。

1.2.4 性能测试

(1)根据国标GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》[7]开展胶砂流动度的测试。

(2)根据国标GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[8]开展混凝土的抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度的测试。其中抗压强度和劈裂抗拉强度的混凝土试件尺寸均为150 mm×150 mm×150 mm,抗折强度的混凝土试件尺寸均为150 mm×150 mm×600 mm。

(3)按照国标GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[9],采用混凝土氯离子扩散系数快速测定法(RCM法)测试其养护28d的氯离子扩散系数。试件为高50 mm、直径100 mm的圆柱体。

2 结果与讨论

2.1 短切聚酰亚胺纤维表面改性

聚酰亚胺纤维化学稳定性好、强度高、模量高并且耐热性好[10],但其表面光滑、表面能低、分散性较差,需要对其进行化学改性以改善与基材的结合性和分散性[11]。研究表明,聚酰亚胺纤维经过磷酸处理后,在其表面能够生成羟基、羧基及羰基等极性基团[12]。而硅烷偶联剂先在水中水解成硅醇,然后其硅羟基与聚酰亚胺纤维上的羟基脱水生成醚键[13],从而使硅烷偶联剂接枝到聚酰亚胺纤维上,以提高聚酰亚胺纤维的分散性和结合性,机理见图1。

图1 聚酰亚胺纤维接枝改性机理图

不同类型聚酰亚胺纤维SEM图见图2。

a 未改性

由图2a可知,未改性的聚酰亚胺纤维表面光滑,没有刻蚀痕迹;由图2b可知,聚酰亚胺纤维经过磷酸溶液处理后,表面被轻度刻蚀,出现孔洞和沟壑,变得明显粗糙,说明磷酸溶液能够对聚酰亚胺纤维进行有效地刻蚀;由图2c可知,经过硅烷偶联剂KH-570改性后,聚酰亚胺纤维表面被包覆,说明硅烷偶联剂KH-570已经成功改性聚酰亚胺纤维。

2.2 聚酰亚胺纤维对混凝土流动性的影响

不同实验配方混凝土的流动度见图3。

w(聚酰亚胺纤维)/%

由图3可知,未添加纤维的混凝土流动度较大,为221 mm。随着w(聚酰亚胺纤维)增加,未改性及表面改性后的聚酰亚胺纤维混凝土流动度均呈下降趋势。这是因为随着w(聚酰亚胺纤维)增加,阻碍了混凝土颗粒的运动,且在搅拌过程中w(聚酰亚胺纤维)较大时容易引起纤维局部发生缠绕、团聚,降低了混凝土的流动性。由图3还可知,同等质量分数下经过表面改性后的聚酰亚胺纤维混凝土流动度明显高于未改性纤维,这说明改性后的聚酰亚胺纤维在混凝土中具有较好的分散性,能够降低发生缠绕、团聚的可能性。

2.3 聚酰亚胺纤维对混凝土抗压强度的影响

不同实验配方混凝土的抗压强度见图4。

w(聚酰亚胺纤维)/%

由图4可知,未添加纤维的混凝土抗压强度约为45 MPa,随着w(聚酰亚胺纤维)增加,抗压强度呈先增加后降低的趋势。w(聚酰亚胺纤维)=0.8%,混凝土的抗压强度均达到最高,未改性为60 MPa,改性后为73 MPa。由此得出,聚酰亚胺纤维的添加提高了混凝土的抗压强度,这是因为其阻碍了混凝土裂缝的发展,混凝土在受到较大的压缩载荷时会产生一个横向的力,使混凝土产生微裂缝并发展为大裂缝,当裂缝的扩展碰到混凝土内的纤维,纤维与混凝土之间的结合力会降低裂缝尖端的应力集中[14],降低裂缝发展。改性后的聚酰亚胺纤维与混凝土之间的结合力和分散性更好,因此抗压强度要优于未改性的聚酰亚胺纤维。

2.4 聚酰亚胺纤维对混凝土劈裂抗拉强度的影响

不同实验配方混凝土的劈裂抗拉强度见图5。

w(聚酰亚胺纤维)/%

由图5可知,未添加纤维的混凝土劈裂抗拉强度为3.2 MPa,随着w(聚酰亚胺纤维)增加,混凝土的劈裂强度呈先上升后下降的趋势。w(聚酰亚胺纤维)=0.8%,混凝土的劈裂强度均达到最高,未改性为5.9 MPa,改性后为6.3 MPa。这是因为随着w(聚酰亚胺纤维)增加,在混凝土内的分散程度和结合力增加。w(聚酰亚胺纤维)达到一定数值,纤维在混凝土内的分散程度达到最佳,从而使裂缝产生的数量显著降低,因此劈裂强度达到最高值。w(聚酰亚胺纤维)继续增大,混凝土的部分纤维发生缠绕、团聚,产生部分微小空隙,增加了裂缝产生的几率,使劈裂强度降低。而经过表面改性后的聚酰亚胺纤维在混凝土内的分散效果更优,因此劈裂抗拉强度高于未改性纤维的混凝土。

2.5 聚酰亚胺纤维对混凝土抗折强度的影响

不同实验配方混凝土的抗折强度见图6。

w(聚酰亚胺纤维)/%

由图6可知,未添加纤维的混凝土抗折强度为3.7 MPa,随着w(聚酰亚胺纤维)增加,混凝土的抗折强度逐渐增加并趋于平缓上升。这是由于当混凝土受力发生弯折时,会有大量的单元发生损伤、破坏并发展成裂纹,同时分散在混凝土内的纤维受力被拔出[15]。这不仅延长了裂缝扩散路径,并且纤维在拔出的过程中吸收了大量的能量,使混凝土的韧性提高,增加了混凝土的抗折强度。随着w(聚酰亚胺纤维)增加,混凝土与之的结合力增加,从而使混凝土的抗折强度随之增加。

2.6 聚酰亚胺纤维对混凝土Cl-扩散系数的影响

Cl-扩散系数表示Cl-从混凝土孔隙溶液中扩散出去的能力,对于评价混凝土的耐久性有重要意义[16]。不同实验配方下混凝土的Cl-扩散系数见图7。

w(聚酰亚胺纤维)/%

由图7可知,随着w(聚酰亚胺纤维)增加,Cl-扩散系数表现为先下降后上升的状态,w(聚酰亚胺纤维)=0.8%,混凝土的Cl-扩散系数均达到最低,未改性为2.3×10-15m2/s,改性后为2.2×10-15m2/s。明显小于常规混凝土Cl-扩散系数(10-12)的级别[17],这是由于纤维的掺杂使Cl-扩散通道变得更为复杂,从而降低了Cl-扩散的能力。纤维在混凝土达到最佳分布状态时,Cl-的扩散系数也达到了最小,随着w(聚酰亚胺纤维)的继续增加,纤维在混凝土内出现了部分团聚现象,反而增加了部分孔隙,提高了Cl-的扩散能力。

3 结 论

在混凝土中添加不同质量分数的短切聚酰亚胺纤维,通过测试混凝土的流动度、抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度和Cl-扩散系数等研究聚酰亚胺纤维对混凝土力学性能的影响。通过分析,得出以下结论。

(1)短切聚酰亚胺纤维通过磷酸酸洗、硅烷偶联剂KH-570的表面改性,能够有效增加聚酰亚胺纤维在混凝土内的分散性和结合力。改性后的聚酰亚胺纤维增强混凝土的效果要明显优于未改性聚酰亚胺纤维增强混凝土的效果。

(2)随着w(聚酰亚胺纤维)增加,无论是未改性还是表面改性后的纤维,混凝土的流动度均呈下降趋势。

(3)随着w(聚酰亚胺纤维)增加,混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度均呈现先增加后降低的趋势,w(改性聚酰亚胺纤维)=0.8%,抗压强度为73 MPa、劈裂抗拉强度为6.3 MPa,均为最高值;抗折强度逐渐增加并趋于平缓上升状态。

(4)随着w(聚酰亚胺纤维)增加,Cl-扩散系数呈先降低后增加状态,w(改性聚酰亚胺纤维)=0.8%,混凝土Cl-扩散系数最低为2.2×10-15m2/s,明显低于常规混凝土的Cl-扩散系数。

综上所述,w(改性聚酰亚胺纤维)=0.8%,混凝土的综合力学性能及耐久性达到最优状态。