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        纖維-基體早齡期界面性能的影響因素

        2012-08-28 08:37:56陽知乾李長(zhǎng)風(fēng)劉建忠
        關(guān)鍵詞:黏結(jié)性水膠齡期

        陽知乾,李長(zhǎng)風(fēng),劉建忠

        (江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司高性能土木工程材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210008)

        塑性收縮開裂是混凝土結(jié)構(gòu)中常見的問題,三維隨機(jī)分散的合成纖維,可有效控制水泥基復(fù)合材料(Fiber Reinforced Cementitious Composites,F(xiàn)RCC)的塑性收縮開裂,這些纖維產(chǎn)生橫跨裂縫的橋接力,并阻止裂縫的發(fā)展[1].而纖維抗裂效果的充分發(fā)揮,在很大程度上與纖維-基體的界面性能密切相關(guān).

        纖維剝離和滑動(dòng)等界面黏結(jié)性能對(duì)水泥基復(fù)合材料的承載和變形能力有顯著的影響.因此,研究纖維與基體之間的界面黏結(jié)性能,有利于獲得綜合性能更好的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料.許多研究人員研究和模擬界面黏結(jié)性能對(duì)抗裂[2]及耐久性[3]的影響.單纖維拉出試驗(yàn)是界面黏結(jié)性能最常用的評(píng)價(jià)方法,已有單絲拔出試驗(yàn)的研究基本集中在使用高強(qiáng)度纖維、非微細(xì)合成纖維及硬化基體中[4-6].對(duì)微細(xì)合成纖維而言,還存在難以固定、拔出載荷非常小而難以測(cè)定、纖維被拉斷而不能獲得相應(yīng)的載荷-位移全曲線等問題,相關(guān)報(bào)道甚少.

        筆者利用自行改造的設(shè)備,評(píng)估微細(xì)合成纖維從塑性狀態(tài)的水泥基體中的單絲拔出行為,重點(diǎn)考察齡期、埋入深度、基體特征、纖維種類及是否改性之間的差異對(duì)界面性能的影響規(guī)律,相應(yīng)的研究結(jié)果可以更好地了解合成纖維在早齡期水泥基復(fù)合材料中的界面性能及抗裂作用機(jī)理.

        1 試驗(yàn)

        1.1 試驗(yàn)原材料與配合比

        P·Ⅱ 52.5普通硅酸鹽水泥,江南小野田有限公司生產(chǎn);PCA-IV聚羧酸系高性能減水劑,江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn),固含量30%;普通及改性聚丙烯與聚乙烯醇纖維,江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn),其基本性能參數(shù)見表1,單絲拔出試驗(yàn)用漿配合比見表2.

        表1 纖維的基本性能

        表2 配合比

        1.2 測(cè)試與表征

        在自行改造的測(cè)試裝置[7]上開展單絲纖維拔出試驗(yàn),用以評(píng)價(jià)纖維與基體的界面黏結(jié)性能.該測(cè)試裝置如圖1所示,采用計(jì)算機(jī)程序控制傳動(dòng)系統(tǒng),帶動(dòng)合成纖維從水泥基體中拔出;通過測(cè)試傳感器實(shí)時(shí)感應(yīng)纖維拔出端的力,獲得完整的合成纖維拔出荷載-位移曲線,整個(gè)過程由計(jì)算機(jī)操作完成,保證了測(cè)試結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性.將材料按相應(yīng)比例混合攪拌后,測(cè)定容重,然后在固定好纖維的塑料模具中裝入相應(yīng)重量的漿體,振動(dòng)使之密實(shí),從加水起開始計(jì)算齡期,然后置于溫度為20℃ ±2℃,濕度為65%±5%的試驗(yàn)條件下,到相應(yīng)的齡期時(shí)進(jìn)行測(cè)試,單絲拔出速度為0.5 mm/min,纖維埋入長(zhǎng)度(Embedment Length,EL)為3~9 mm,為保證纖維從塑性基體中拔出而不被拉斷,每組試樣數(shù)為6個(gè),測(cè)試的6個(gè)結(jié)果數(shù)據(jù)中,去掉偏差最大的2個(gè)結(jié)果,然后通過origin軟件將剩下的4條曲線進(jìn)行平均,以獲得最終的曲線.載荷峰值可以從拔出載荷-位移曲線中獲得,界面黏結(jié)強(qiáng)度的計(jì)算參考文獻(xiàn)[8].

        圖1 單根纖維拔出測(cè)試裝置

        掃描電鏡(SEM)附帶X射線能譜儀(EDS)功能,JSM-5900,用來確認(rèn)二氧化硅的存在、表征纖維的表面形貌.

        2 結(jié)果與討論

        2.1 齡期的影響

        圖2給出了齡期對(duì)纖維-水泥基體界面的影響,從圖2可以看出,不論是聚丙烯(Polypropylene,PP)纖維還是聚乙烯醇(Polyvingl Alcohol,PVA)纖維,隨著齡期的增加,纖維與基體之間的界面黏結(jié)強(qiáng)度逐漸增加.存在差異的是,PP纖維在5~9 h的早齡期階段,界面黏結(jié)強(qiáng)度增加相對(duì)平穩(wěn)、緩慢;在齡期為7 h以前,PVA纖維與基體的黏結(jié)強(qiáng)度與PP纖維相差無幾;當(dāng)齡期達(dá)到8 h以上,PVA纖維和基體界面黏結(jié)強(qiáng)度迅速增加,遠(yuǎn)大于相應(yīng)齡期的PP纖維.出現(xiàn)前述情況,其主要原因可能是隨著齡期的增加,PVA纖維表面的親水性羥基能更好地改善界面性能.

        圖2 齡期對(duì)纖維-水泥基體界面性能的影響

        2.2 基體特征的影響

        研究基體性能(水膠比分別為 0.30,0.25,0.20)對(duì)纖維(PVA-1)與水泥基體界面黏結(jié)性能的影響,測(cè)試結(jié)果如圖3所示.從圖3可以看出,隨著水膠比的降低,不僅表現(xiàn)為界面黏結(jié)強(qiáng)度的提高,纖維的拔出荷載-位移曲線也存在著很大的差異,主要表現(xiàn)為2方面:①物理摩擦力的增加.一般情況下,纖維在很小的位移下就完成了化學(xué)脫黏,之后主要靠物理摩擦力起作用.水膠比為0.30的條件下,纖維的拔出荷載較快達(dá)到峰值后一直保持平穩(wěn)變化的特征.而隨著水膠比的降低,拔出荷載隨拔出位移的增加而增加的趨勢(shì)愈加明顯,這主要?dú)w功于物理摩擦力的增加.②拔出位移的降低.水膠比為0.30時(shí)拔出位移最大,由于水膠比降低,纖維-基體界面處的水分減少,不利于水化產(chǎn)物的形成及物理摩擦力的保持,導(dǎo)致拔出位移降低.

        圖3 水膠比對(duì)PVA纖維與基體界面黏結(jié)性能的影響

        2.3 埋入深度的影響

        埋入深度對(duì)早齡期界面性能也有影響.圖4—5給出了纖維(PVA-1)埋入深度(3,6,9 mm)對(duì)拔出荷載-位移及黏結(jié)強(qiáng)度的影響.纖維拔出荷載-位移曲線存在如下特征:①相同之處是隨著埋入深度的增加,物理摩擦力逐漸增加,在纖維拔斷之前到達(dá)峰值,然后力全部卸載,這主要?dú)w功于相同的水膠比.②不同之處是拔出位移與埋入深度的比例.隨著纖維埋深的增加,雖然拔出位移略有增加,但幅度有限,拔出位移與埋入深度的比值逐漸減小,這說明埋入深度增加,并沒有帶來明顯的正效應(yīng).而拔出力也較為相近,因此,隨著埋入深度的增加,纖維-基體的界面黏結(jié)強(qiáng)度降低.

        圖4 纖維埋入深度對(duì)PVA纖維拔出荷載-位移曲線的影響

        圖5 纖維埋入深度對(duì)PVA纖維-基體界面黏結(jié)強(qiáng)度的影響

        2.4 纖維截面形狀

        考察了2種纖維(PP-1,PP-3)的截面形狀對(duì)纖維與水泥基體界面黏結(jié)性能的影響.圖6為水泥基材料成型后,纖維與基體界面黏結(jié)強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律.

        圖6 纖維截面形狀對(duì)基體界面黏結(jié)強(qiáng)度的影響

        與截面形狀為圓形的PP纖維相比,截面形狀為三角形的PP纖維與水泥基體的界面黏結(jié)性能略有優(yōu)勢(shì).這可能主要?dú)w功于2方面:①三角形截面的纖維具有更大的比表面積;②通過抗彎剛度的計(jì)算,三角形截面的纖維剛度要大于等效直徑的圓形截面纖維.

        2.5 纖維種類及改性

        通過對(duì)常規(guī)纖維進(jìn)行了化學(xué)沉積改性,并采用掃描電鏡對(duì)其表面進(jìn)行表征,其改性后纖維表面微觀形貌如圖7所示.從圖中可以看出,纖維表面附著大量納米級(jí)別的二氧化硅.二氧化硅具有水化活性,具備改善纖維與基體界面性能的潛在作用.為了確定纖維表面的顆粒為二氧化硅,選擇了圖7中的微區(qū)進(jìn)行了X射線能譜 (EDS)測(cè)試,結(jié)果如圖8所示.從圖8可見,非顆粒區(qū)域只顯示出碳元素圖8(a);而纖維表面的顆粒中含有較高濃度的氧元素與硅元素圖8(b),這從側(cè)面確定了納米二氧化硅在改性纖維表面上的存在.

        圖7 改性纖維的表面微觀形貌

        圖8 纖維表面微區(qū)EDS能譜圖

        采用掃描電鏡表征了納米二氧化硅在纖維表面的分布形態(tài),具體如圖9所示.從圖中可以看出,未改性的PP纖維(PP-1)的表面相對(duì)光滑,而化學(xué)沉積改性的PP-2纖維表面可以看到較多的粒徑為數(shù)百納米尺寸的不均勻二氧化硅顆粒.納米二氧化硅在PVA-2的表面幾乎無空隙地非單層密實(shí)沉積,其原因可能是納米二氧化硅含有羥基,從而更容易沉積到極性親水的PVA纖維表面.

        未改性及改性纖維的拔出荷載-位移曲線如圖10所示.從圖10可以看出,改性纖維的載荷峰值均大于未改性纖維的性能.PP纖維不論是否改性,其拔出-載荷峰值均在位移較小時(shí)出現(xiàn),且以相對(duì)較快的速度下降.與PP纖維不同的是,PVA纖維的拔出行為特征存在顯著差異.當(dāng)齡期為9 h時(shí),未改性PVA纖維的拔出載荷在脫黏后迅速下降,而改性PVA纖維的拔出載荷在達(dá)到第一個(gè)峰值后,后續(xù)能再次出現(xiàn)多個(gè)峰值,其原因可能是脫黏時(shí)形成首個(gè)峰值,由于化學(xué)鍵與滑移摩擦導(dǎo)致更多的峰值出現(xiàn).由此可見,化學(xué)沉積方法能有效地增加纖維-基體的界面黏結(jié)強(qiáng)度,且對(duì)PVA纖維的作用更為明顯.

        圖9 未改性及改性纖維的表面形貌

        圖10 未改性及改性纖維的拔出荷載-位移曲線

        3 結(jié)語

        在自行改造的設(shè)備上,獲得了微細(xì)合成纖維與水泥基體的單絲拔出載荷-位移曲線,并計(jì)算了相應(yīng)的界面黏結(jié)強(qiáng)度,獲知了多種因素對(duì)界面性能的影響規(guī)律.

        1)隨著齡期的增加,各種纖維與基體之間界面黏結(jié)強(qiáng)度逐漸增加,且當(dāng)齡期達(dá)到8 h以上,聚乙烯醇纖維的界面黏結(jié)強(qiáng)度迅速增加,遠(yuǎn)大于相應(yīng)齡期的聚丙烯纖維.

        2)降低基體的水膠比,使基體的密實(shí)程度增加,從而提高了界面黏結(jié)強(qiáng)度.

        3)隨著埋入深度的增加,物理摩擦力逐漸增加,拔出位移略有增加,但拔出位移與埋入深度的比值逐漸減小.因此,隨著埋入深度的增加,界面黏結(jié)強(qiáng)度降低.

        4)三角形截面纖維具有更大的比表面積與硬挺性,表現(xiàn)出更高的界面黏結(jié)強(qiáng)度.

        5)改性纖維的載荷峰值均大于未改性樣品的性能,化學(xué)沉積方法能有效地提高纖維-基體的界面黏結(jié)強(qiáng)度,且對(duì)PVA纖維的作用更為有效.

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