林挺偉

(福建省永正工程質(zhì)量檢測有限公司， 福建 福州 350012)

纖維增強磷酸鉀鎂水泥砂漿力學(xué)性能研究

林挺偉

(福建省永正工程質(zhì)量檢測有限公司， 福建 福州 350012)

研究了PVA纖維、 PP纖維、 玻璃纖維三種纖維在不同的wS/C下對磷酸鉀鎂水泥砂漿力學(xué)性能的影響. 結(jié)果表明： 三種纖維都能在一定程度上增強磷酸鉀鎂水泥砂漿的力學(xué)性能， 對磷酸鉀鎂水泥砂漿早期力學(xué)性能的影響比較大， 后期力學(xué)性能的影響會有所降低. 其中， PVA的增強效果最為明顯， PP纖維次之， 玻璃纖維增強效果最弱. 同時得出， 在同種纖維條件下，wS/C不是磷酸鉀鎂水泥砂漿抗折強度的主要影響因素， 但是其抗壓強度均隨著wS/C的增大而增大.

纖維增強; 磷酸鉀鎂水泥砂漿; 力學(xué)性能; 電鏡掃描

0 引言

高韌性纖維水泥基復(fù)合材料(DFRCC)是一種可用于加固領(lǐng)域的高性能水泥基復(fù)合材料， 其中的代表性材料(ECC)有著與金屬材料一樣卓越的抗拉能力， 其極限拉應(yīng)變非常大(～6%)， 基本與鋼材的塑性變形能力等同， 是可以類似于金屬變形的一種水泥材料制品[1]. 往水泥制品中添加纖維形成高韌性材料正逐漸成為修補加固材料領(lǐng)域的主流， 大量研究表明， 纖維可減少混凝土的收縮變形[2-3]. 與傳統(tǒng)纖維聚合物復(fù)合材料加固相比， 水泥基膠凝材料有著自身獨特的優(yōu)勢， 如突出的耐久性能、 卓越的耐火性能、 能與舊混凝土較好結(jié)合、 成本較低等. 所以， 從水泥膠凝材料出發(fā)， 加入各種纖維材料， 制成相應(yīng)的纖維復(fù)合材料對混凝土結(jié)構(gòu)進行修補加固， 已是當(dāng)下修補加固行業(yè)新的出發(fā)點[4].

磷酸鎂水泥(MPC)是由氧化鎂和可溶性磷酸鹽、 緩凝劑按照合適的配比， 通過酸堿中和反應(yīng)生成的磷酸鹽水化物， 并以此為黏結(jié)相的一種新型環(huán)保型膠凝材料， 近幾年受到越來越多的關(guān)注， 尤其是在快速修補領(lǐng)域的應(yīng)用[5-6]. 如今， MPC經(jīng)過數(shù)載研究發(fā)展和積累沉淀， 逐漸可以分為磷硅酸鹽水泥(MPSC)、 磷酸銨鎂水泥(MAPC)和磷酸鉀鎂水泥(MKPC)三大類別， 本次選用磷酸鉀鎂水泥加以研究.

鑒于磷酸鎂水泥的特點和在修補加固領(lǐng)域使用研究的基礎(chǔ)上， 纖維磷酸鉀鎂水泥加固砂漿能更加充分發(fā)揮磷酸鎂水泥在修補加固方面的優(yōu)越性能， 摻入纖維后各方面性能得到提高， 具有較高的抗壓、 抗折強度， 養(yǎng)護時間短， 早期強度高. 與纖維硅酸鹽水泥加固砂漿相比， 纖維磷酸鉀鎂水泥砂漿有更好的力學(xué)性能和耐久性， 且與舊混凝土更好地協(xié)同工作. 趙若紅等[7]對氯氧鎂水泥纖維復(fù)合材料加固混凝土做出了研究， 雖然氯氧鎂水泥與纖維的粘結(jié)強度高于硅酸鹽水泥， 易于制成復(fù)合材料， 但其耐水性能并不好， 而且水泥中包含氯離子， 會對鋼筋造成銹蝕， 耐久性值得商榷. 而磷酸鉀鎂水泥不存在這些問題， 如果用作纖維加固砂漿將會有優(yōu)于氯氧鎂水泥的效果， 可以為混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)提供一種新的加固材料， 為整個加固領(lǐng)域開拓一條新的研究路線. 所以通過加入PVA纖維、 PP纖維、 玻璃纖維三種不同的纖維來研究磷酸鉀鎂水泥砂漿的力學(xué)性能， 對比三種不同纖維對磷酸鉀鎂水泥砂漿力學(xué)性能的影響， 并通過微觀實驗對其粘結(jié)界面進行研究， 以利于纖維增強磷酸鉀鎂水泥基材料的發(fā)展.

1 試驗

1.1 試驗材料

1) 氧化鎂粉(MgO， 縮寫成M). 采用遼寧省海城市群利礦業(yè)有限公司生產(chǎn)的燒結(jié)氧化鎂粉， 顏色為棕黃色， MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥90%， 平均粒徑dM為33.292 μm， 并經(jīng)900 ℃高溫爐煅燒1.5 h而成.

2) 磷酸二氫鉀(KH2PO4， 縮寫成P). 工業(yè)級， KH2PO4含量≥98%， 由福州臺江區(qū)品杰實驗儀器有限公司提供.

3) 纖維聚乙烯醇纖維(PVA)和聚丙烯纖維(PP)由上海影佳實業(yè)發(fā)展有限公司生產(chǎn)； 玻璃纖維采用陜西華特玻纖有限公司生產(chǎn)的水分散型短切絲玻璃纖維， 由耐堿玻璃纖維原絲或無捻粗絲短切而成. 以上三種纖維的各項性能指標(biāo)如表1所示.

4) 砂子(縮寫成S). 采用福州閩江河砂， 按照《建筑用砂(GB/T 14684-2011)》[8]規(guī)定的方法對砂子的各項指標(biāo)進行測定， 其中細度模數(shù)為2.5， 堆積密度為1 480 kg·m-3， 表觀密度為2 591 kg·m-3， 比表面積為90.71 kg·m-3， 吸水率為0.1%， 含泥量為3.53%.

表1 PVA纖維、 PP纖維、 玻璃纖維性能指標(biāo)

1.2 試驗配合比

鑒于纖維增強機理理論的繁多， 包括纖維間距理論、 復(fù)合材料理論和微觀斷裂力學(xué)理論以及大量研究結(jié)果， 纖維對基體的增強作用關(guān)鍵取決于基體本身的強度、 纖維本身的性質(zhì)、 纖維的摻量、 纖維與基體的相容性和纖維在基體中的分散性和方向性的影響. 試驗采用的基準(zhǔn)配方由磷酸鉀鎂水泥+砂子+纖維組成， 取wP/M= 1/3，wW/C=0.28，wS/C=(0.6、 0.8、 1.0)，φ纖維摻量=2%， 分別對PVA纖維、 PP纖維、 玻璃纖維三種不同纖維進行基本力學(xué)性能試驗. 通過試驗， 對比三種纖維砂漿的力學(xué)性能. 試驗配合比如表2所示， N組表示沒加纖維的對比組， V組表示加入PVA纖維的組別， B組表示加入PP纖維的組別， G組表示加入玻璃纖維的組別.

按照表2的配合比制作成40 mm×40 mm×160 mm的試件， 室內(nèi)養(yǎng)護1 h脫模， 然后置于溫度為(20±2)℃， 相對濕度70%以下的養(yǎng)護室養(yǎng)護至相應(yīng)齡期測試強度， 因為磷酸鉀鎂水泥是一種早強快硬水泥， 14 d凝期之后強度變化不明顯， 綜合考慮試驗的快捷性， 所以本試驗最多測到14 d齡期.

表2 優(yōu)選纖維配合比

2 試驗方案

圖1 電液式壓力試驗機Fig.1 Electro-hydraulic pressure testing machine

2.1 宏觀試驗

試驗采用北京中科路建儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的DYE-2000型電液式壓力試驗機， 如圖1所示， 其精度等級為Ⅰ級， 最大荷載為2 MN. 在本試驗中， 抗折試驗采用40 mm×40 mm×160 mm的長方體試件， 試件成型一天后拆模， 然后置于自然養(yǎng)護室中養(yǎng)護至規(guī)定齡期后進行試驗.

根據(jù)《水泥膠砂強度檢驗方法(GB/T 17671-1999)》[9]對試件進行抗折、 抗壓強度試驗， 其中抗壓試驗采用抗折試驗結(jié)束后的斷裂試件進行測試. 具體計算公式詳見文[9]中9.2和9.3章節(jié).

2.2 微觀試驗

電鏡掃描： 取抗折試驗的破壞面附件的試件， 保留破壞面， 處理成大約1 cm3的立方體試件， 并將斷面清理干凈， 然后把試件置于無水乙醇中終止水化反應(yīng)， 試驗前在60 ℃下烘干至恒質(zhì)量， 用高壓離子濺射儀對斷面鍍金膜后進行試驗觀測. 采用S-3400N型掃描電子顯微鏡對測試樣品進行微觀測試及掃描分析.

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 力學(xué)性能試驗結(jié)果及分析

纖維在砂漿中主要的作用是當(dāng)砂漿內(nèi)部形成微裂縫的時候能夠起到抑制和傳遞應(yīng)力. 摻入不同種類纖維的磷酸鉀鎂水泥加固砂漿, 在相同砂膠比下其基本力學(xué)性能隨齡期的發(fā)展規(guī)律如圖2所示.

1) 抗折強度如圖2(a)、 (c)、 (e)所示. 與未加入纖維的對比組相比， 加入纖維后都能在不同程度上提高磷酸鉀鎂水泥砂漿的抗折強度， 在相同的wS/C下， 摻入PVA纖維的組別抗折性能最好.

當(dāng)wS/C=0.6時， V-1、 B-1、 G-1的3 d抗折強度分別比N-1提高了23%、 13%、 7%， 纖維的提升效果非常顯著. 當(dāng)齡期達到14 d時， V-1的抗折強度比N-1提高了15%， 而B-1、 G-1的抗折強度分別比N-1提高了3%、 2%， 可以看出PVA纖維組別對抗折強度的提升比另外兩種纖維高.

當(dāng)wS/C=0.8時， 對于3 d抗折強度， V-2與B-2均為2.90 MPa， G-2為2.40 MPa， V-2、 B-2、 G-2的抗折強度分別比N-2提高了34%、 34%、 11%. 當(dāng)齡期為14 d時， V-2的抗折強度比N-2提高了12%， B-2、 G-2的抗折強度比N-2分別提高了4%、 1%， 同樣可以看出PVA纖維組別對抗折強度提升最明顯.

當(dāng)wS/C=1.0時， V-3、 B-3、 G-3的3 d抗折強度相比N-3分別提高了38%、 12%、 8%， 而14 d抗折強度提升的幅度有所減少， 但是PVA纖維組別對抗折強度的提升還是優(yōu)于PP纖維和玻璃纖維組別.

圖2 不同的wS/C下砂漿的抗折、 抗壓強度隨齡期變化規(guī)律Fig.2 Flexural and compressive strength variation with curing time of mortar under the same wS/C

2) 抗壓強度如圖2(b)、 (d)、 (f)所示. 與未加入纖維的對比組相比， 加入纖維后都能在不同程度上提高磷酸鉀鎂水泥砂漿的抗壓強度， 在相同的wS/C下， 摻入PVA纖維組別的抗壓強度最高， 14 d抗壓強度比對比組提高了20%～35%； 摻入PP纖維的14 d抗壓強度比基準(zhǔn)組提高5%～15%； 而加入玻璃纖維對磷酸鉀鎂水泥砂漿抗壓強度的影響最小， 但14 d抗壓強度也比對比組提高2%～5%. 可見三種纖維都能提高磷酸鉀鎂水泥砂漿的抗壓強度， 但是PVA纖維提升最明顯.

三種纖維砂漿的基本力學(xué)性能在相同齡期下隨著不同的砂膠比(wS/C=0.6、 0.8、 1.0)變化， 3、 7、 14 d的基本力學(xué)性能發(fā)展規(guī)律如圖3所示.

1) 抗折強度如圖3(a)、 (c)、 (e)所示. 對于不同齡期，wS/C對磷酸鉀鎂水泥砂漿抗折強度的影響不是非常統(tǒng)一. 當(dāng)齡期為3 d時， 加入纖維的三組抗折強度均隨著wS/C的增大而增大， 而N組在wS/C=0.8時出現(xiàn)了小幅度的下降. 當(dāng)齡期為7 d時， N組、 B組、 G組均隨著wS/C的增大而增大， 而V組在wS/C=0.8時略有降低. 當(dāng)齡期為14 d時， V組在不同wS/C下抗折強度都領(lǐng)先于其他兩種纖維和對比組. 雖然wS/C不是抗折強度的主要影響因素， 但是分別加入三種纖維后磷酸鉀鎂水泥砂漿的抗折強度還是體現(xiàn)了層次性： PVA纖維>PP纖維>玻璃纖維.

2) 抗壓強度如圖3(b)、 (d)、 (f)所示. 在不同的齡期下(3、 7、 14 d)， 三種纖維砂漿的抗壓強度均隨著wS/C的增大而增大， 其中: PVA纖維增大幅度最大， PP纖維次之， 玻璃纖維最后. 在一定范圍內(nèi)， 砂子含量的提高， 對抗壓強度是有利的， 這是因為砂子在漿體里面充當(dāng)了骨架， 磷酸鉀鎂水泥與砂子共同構(gòu)成一個堅實的結(jié)構(gòu).

從以上對圖2、 圖3的分析可以看出, 三種纖維都能提高磷酸鉀鎂水泥砂漿的抗折、 抗壓強度， 而且纖維對磷酸鉀鎂水泥砂漿早期強度的影響比較大， 后期強度的影響會有所降低. 其中PVA纖維組別的強度最高， PP纖維組別次之， 玻璃纖維組別最差， 這是因為PVA纖維與無機水泥基材料結(jié)合能力比較好， 二者能共同受力， 改善效果比較明顯. 公成旭[10]將PP-ECC跟PVA-ECC對比研究， 得出了PVA纖維受力呈現(xiàn)應(yīng)變硬化特性， 而PP纖維是應(yīng)變軟化， 同樣說明了PVA纖維性能比較優(yōu)越. 而玻璃纖維本身脆性較大， 存在著微裂縫， 從表2可知其抗拉強度不高， 所以對于導(dǎo)致磷酸鉀鎂水泥砂漿強度的提升效果排在最后.

圖3 不同齡期下砂漿的抗壓、 抗折強度隨wS/C的變化規(guī)律Fig.3 The flexural and compressive strength variation with wS/C of mortar under the same curing time

3.2 SEM試驗結(jié)果及分析

在抗折試驗過程中， 會發(fā)現(xiàn)加入三種不同纖維的試樣斷面是不一樣的. 所以通過電鏡掃描試驗， 對三種不同纖維的斷面進行微觀分析， 如圖4～圖6所示， 局部放大圖如圖7所示.

由圖4可見， PVA纖維從磷酸鉀鎂水泥砂漿拔出后在基體中留下的孔洞周邊較為密實， 可以看到在孔洞內(nèi)壁留下較多的磨損下來的纖維碎屑， 這說明PVA纖維與漿體之間的粘結(jié)力比較大， 結(jié)合得比較緊密， 接觸界面密實. 這是因為PVA纖維屬于親水性纖維， 具有良好的保水性， 能夠在因水泥水化或外界環(huán)境因素影響造成漿體內(nèi)部相對濕度降低的情況下， 釋放其儲存的水分， 進一步促進水泥水化， 所以二者能很好地形成整體， 共同受力. 從圖4(b)中可以看出， 當(dāng)試件受力破壞， 斷面上纖維會與基體分離， 磨損嚴(yán)重， 端部有明顯削剝， 這可以從側(cè)面說明PVA纖維加入磷酸鉀鎂水泥砂漿后可以很好地共同受力， 兩種材料之間的粘結(jié)較為牢固， 摩擦力大， 才會造成纖維表面的磨損和端部斷裂， 而PVA纖維的抗拉強度是比較大的， 造成這樣的現(xiàn)象也說明了纖維與基體的粘結(jié)效果是很好的. 反應(yīng)到宏觀現(xiàn)象， PVA纖維的漿體的抗折、 抗壓強度會比較高.

由圖5(a)可以看出， PP纖維從磷酸鉀鎂水泥砂漿拔出后留下的孔洞界面周邊有較多孔隙， 界面不是非常的平整和密實. 這說明當(dāng)試件受力破壞， PP纖維從磷酸鉀鎂水泥砂漿中拔出并未受到太大阻力. 從圖5(b)中可知， PP纖維表面有一定的磨損痕跡， 說明PP纖維并不是直接被拔出的， 纖維與水泥砂漿之間具有一定的粘結(jié)力， 二者在一定程度上可以共同受力， 但是協(xié)同受力作用并未像PVA纖維那么突出， 從界面上看也沒有PVA纖維那么密實. 所以反應(yīng)到宏觀強度上面， PP纖維漿體的抗折、 抗壓強度會低于PVA纖維的漿體， 這與宏觀試驗的結(jié)果(圖2、 圖3)是吻合的.

圖5 PP纖維與基體界面Fig.5 Interface of PP fiber and matrix

由圖6(a)所示， 玻璃纖維從磷酸鉀鎂水泥砂漿拔出后留下的孔洞周邊有很多孔隙， 孔洞界面密實性較差， 且在孔壁周圍未見纖維碎屑， 這說明玻璃纖維基本是被直接拔出的， 沒有受到纖維與界面之間粘結(jié)力的太大阻礙. 從圖6(b)可見, 纖維表面只有很少的磨損痕跡， 其他表面較為完整光滑， 說明玻璃纖維與磷酸鉀鎂水泥砂漿之間的結(jié)合并不好， 在受力情況下起不到共同受力的效果. 從宏觀試驗也可看出， 加入玻璃纖維的漿體的抗折、 抗壓強度也是最低的， 這與纖維與水泥漿體之間是否共同受力密切相關(guān).

圖6 玻璃纖維與基體界面Fig.6 Interface of glass fiber and matrix

由圖7可見, PVA纖維表面上附著較多的磷酸鉀鎂水泥水化產(chǎn)物， 且這些產(chǎn)物與PVA纖維結(jié)合的比較密切， 纖維拔出后表面出現(xiàn)了一些劃痕， 說明拔出時受到較大阻力. 但是水化產(chǎn)物依舊粘附在纖維表面， 說明PVA纖維是可以跟磷酸鉀鎂水泥基材料緊密結(jié)合的， 二者的相容性很好. 如圖7(a)所示， 水化產(chǎn)物可以緊緊包裹住PVA纖維， 這也進一步說明PVA纖維與磷酸鉀鎂水泥砂漿可以共同受力.

綜上， 對比了摻入3種不同的纖維的磷酸鉀鎂水泥砂漿的基本力學(xué)性能試驗可知， PVA纖維對于砂漿性能的提高效果最為明顯.

圖7 PVA纖維表面局部放大Fig.7 Enlarged surface of PVA fiber

Nelson等[11]的研究也表明， PVA纖維可延緩微裂縫的產(chǎn)生， 進而延緩引發(fā)結(jié)構(gòu)失效裂縫. PP纖維沒有類似PVA纖維的增強效應(yīng)， 原因是PVA纖維的彈性模量比PP纖維大很多， 而纖維與砂漿基體之間的彈模相差越大， 受力時纖維所承受的應(yīng)力也就越多， 加入纖維所展現(xiàn)的效果就越顯著. 當(dāng)應(yīng)變?nèi)≈迪嗤瑫r， PVA纖維可以承擔(dān)更多的應(yīng)力消耗掉更多的能量， 對砂漿基的阻裂作用非常明顯.

4 結(jié)語

1)wS/C不是抗折強度的主要影響因素， 但是分別加入三種纖維后, 磷酸鉀鎂水泥砂漿抗折強度還是體現(xiàn)了層次性： PVA纖維>PP纖維>玻璃纖維. 因為PVA纖維屬于親水性纖維， 具有良好的保水性， 能夠在因水泥水化或外界環(huán)境因素影響造成漿體內(nèi)部相對濕度降低的情況下， 釋放其儲存的水分， 進一步促進水泥水化， 減少孔隙， 所以二者能很好地形成整體共同受力， 抗折強度最高. 玻璃纖維本身脆性較大， 存在著微裂縫， 所以抗折強度最差.

2) 在不同的齡期下(3、 7、 14 d)，wS/C從0.6到1.0時， 纖維砂漿的抗壓強度均隨著wS/C的增大而增大， 其中PVA纖維增大幅度最大， PP纖維次之， 玻璃纖維最后. 在一定范圍內(nèi)， 砂子含量的提高對抗壓強度有利， 這是因為砂子在漿體里面充當(dāng)了骨架， 磷酸鉀鎂水泥與砂子共同構(gòu)成一個堅實的結(jié)構(gòu).

綜上， 三種纖維都能增強磷酸鉀鎂水泥砂漿的力學(xué)性能， 而且纖維對磷酸鉀鎂水泥砂漿早期力學(xué)性能的影響比較大， 后期力學(xué)性能的影響會有所降低. 其中： PVA纖維砂漿的強度最高， PP纖維次之， 玻璃纖維最差.

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(責(zé)任編輯： 沈 蕓)

Researchonmechanicalpropertiesoffiberreinforcedmagnesium-potassiumphosphatecementmortars

LIN Tingwei

(Fujian Yongzheng Construction Quality Inspection Co Ltd， Fuzhou， Fujian 350012， China)

The mechanical properties of magnesium-potassium phosphate cement mortars with three fibers (PVA fiber, PP fiber, glass fiber) and differentwS/Chave been investigated. The results show that the three kinds of fibers can enhance the mechanical properties of magnesium-potassium phosphate cement mortars in a certain extent. All of them have larger influence on the early mechanical properties of magnesium-potassium phosphate cement mortars, but the effect on the subsequent mechanical properties is decreasing. Among them, the most obvious enhancement effect is resulted from PVA fiber, and the second one is from PP fiber, while the weakest influence is for the glass fiber. Meanwhile, with the same fiber,wS/Cis not the main influence factor regarding the flexural strength of the magnesium-potassium phosphate cement mortars, while the compressive strength increases with the risingwS/C.

fiber reinforced; magnesium-potassium phosphate cement mortar; mechanical property; SEM

TU528.2

A

10.7631/issn.1000-2243.2017.04.0528

1000-2243(2017)04-0528-07

2016-05-13

林挺偉(1978-)， 高級工程師， 主要從事結(jié)構(gòu)檢測鑒定及加固研究， 2618869@qq.com

十二五國家科技支撐計劃資助項目(2012BAJ14B05)