魏發(fā)云,楊 帆,王海樓,于 斌,鄒學(xué)書,張 偉
(1.浙江理工大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院(國際絲綢學(xué)院),浙江 杭州 310018;2.南通大學(xué) 杏林學(xué)院,江蘇 南通 226236;3.南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院,江蘇 南通 226019)
水泥基復(fù)合材料是迄今為止現(xiàn)代民用建筑工程中重要部分,是世界上使用最廣泛的建筑材料。水泥材料最大的缺陷是脆性大,導(dǎo)致其存在抗拉強(qiáng)度低、抗裂性差等問題[1]。為提高水泥材料的韌性,用纖維增強(qiáng)是解決該方面問題的主要技術(shù)措施[2-3]。有研究表明,纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(FRCC)[4]的拉伸強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗沖擊性、抗?jié)B性、抗凍性、耐久性、耐化學(xué)腐蝕與能量吸收能力等均較未添加纖維的水泥基體明顯提高[5-7]。但是有機(jī)纖維與無機(jī)水泥基體間的界面作用較弱,限制了載荷的有效傳遞,難以實(shí)現(xiàn)高性能有機(jī)纖維在水泥中的有效增強(qiáng)。目前,有關(guān)FRCC的研究主要集中在短切纖維的尺寸以及摻雜量對(duì)FRCC性能的影響上[2,4],通過纖維表面無機(jī)化改性來提高纖維水泥界面作用的研究較少。僅有少量研究曾嘗試通過纖維表面簡(jiǎn)單處理來提高二者的界面強(qiáng)度[8-10]。
聚乙烯醇纖維(PVA)由于價(jià)格低、化學(xué)穩(wěn)定性好、表面帶有親水基團(tuán)與水泥相容性好以及綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì),在FRCC中的應(yīng)用比較普遍[11]。雖然PVA纖維與水泥基體間有一定的黏合力[12],但也只是依靠范德華力及氫鍵的作用,其黏合力并不能充分發(fā)揮出PVA纖維本身高強(qiáng)高模的性能優(yōu)勢(shì),因此,借助共價(jià)鍵結(jié)合的處理方式對(duì)PVA纖維表面進(jìn)行無機(jī)化接枝改性,可以構(gòu)建一個(gè)性能優(yōu)良的界面。二氧化硅納米粒子(SiO2NPs)常被添加到水泥基體中,與水泥漿體中的氫氧化鈣(Ca(OH)2)發(fā)生水合反應(yīng),生成穩(wěn)定的膠狀物質(zhì)C-S-H凝膠,可以大幅提高水泥基體強(qiáng)度[13]。也有研究在水泥體系中引入SiO2NPs可以增強(qiáng)纖維與水泥基體間的黏結(jié)強(qiáng)度[14-15]。ZHANG等[16]在改善纖維水泥界面的研究中,通過在PVA短纖維表面接枝SiO2NPs的方式,有效提高了PVA短纖維與水泥基體間的界面作用。
本文通過在PVA長(zhǎng)絲表面接枝SiO2NPs進(jìn)行改性處理,使SiO2NPs實(shí)現(xiàn)纖維與水泥基體的橋接作用,從而提高纖維和水泥基體間的界面作用。分別將改性前后PVA纖維均勻有序地鋪排在水泥中,制備了PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(PVA-FRCC),并進(jìn)行抗彎試驗(yàn),研究改性前后PVA纖維的鋪排方式、鋪排層數(shù)對(duì)PVA-FRCC抗彎性能的影響。
高強(qiáng)高模聚乙烯醇纖維(PVA,平均直徑約為(40±5)μm,安徽皖維高新材料股份有限公司);標(biāo)準(zhǔn)硅酸鹽水泥(PO.325,華新水泥(南通)有限公司);納米二氧化硅顆粒(SiO2NPs,平均粒徑為(15±5)nm,上海麥克林生化科技有限公司);硅烷偶聯(lián)劑(KH560,化學(xué)純,南京辰工有機(jī)硅材料有限公司);甲苯(分析純,西隴科學(xué)股份有限公司)。
1.2.1 PVA纖維的改性
本文通過SiO2NPs表面的羥基與KH560預(yù)水解后的羥基發(fā)生消去反應(yīng),將KH560上的有機(jī)分子鏈接枝到SiO2NPs上;再通過SiO2-KH560 NPs表面的環(huán)氧基與PVA纖維表面的羥基發(fā)生反應(yīng),將SiO2NPs接枝到PVA纖維上。
具體操作步驟為:稱取質(zhì)量為1.039 g的KH560,加入0.606 g去離子水,常溫?cái)嚢?2 h得到KH560水解液;稱取1.732 g SiO2NPs加入到三頸燒瓶中,再加入50 mL甲苯常溫?cái)嚢? h,轉(zhuǎn)速為20 r/s,然后超聲波分散30 min制備得到SiO2NPs分散溶液;分散液配制好后,加入準(zhǔn)備好的KH560水解液,在通風(fēng)櫥內(nèi)(溫度為50 ℃)進(jìn)行回流反應(yīng)6 h,得到SiO2-KH560甲苯溶液,然后繼續(xù)加入0.103 9 g 的三乙烯二胺(TEDA),待充分混合后,將適量的PVA纖維加入到上述溶液中,并在110 ℃下改性2 h,得到SiO2接枝PVA纖維,即PVA-gft。
1.2.2 PVA-FRCC的制備
采用自制的有機(jī)玻璃(PMMA)模具制備PVA-FRCC抗彎性能測(cè)試樣品,模具結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1(a)所示。澆筑水泥體的尺寸為70 mm×10 mm×10 mm。模具主要有底部固定單元Ub和用于定位PVA纖維的框架Uf。Uf包括外框和隔板,通過調(diào)控Uf的厚度和數(shù)量來搭配纖維在水泥體中的鋪排層數(shù)。固定每層PVA纖維4束(每束10根),間隔相同,纖維平行伸展固定在Uf上。如:纖維鋪排層數(shù)為1時(shí),需要2個(gè)厚度為5 mm的Uf;當(dāng)鋪排層數(shù)為4時(shí),需要5個(gè)厚度為2 mm的Uf。
水泥基體中纖維的鋪排方式如圖1(b)所示。纖維橫向鋪排是指纖維平行于測(cè)試樣品的長(zhǎng)邊方向鋪排;纖維縱向鋪排是指纖維平行于測(cè)試樣品的短邊方向鋪排;交叉鋪排是縱、橫向纖維同時(shí)鋪排,且彼此交織的排列方式。首先按照要求把纖維鋪排完成后,再澆注水灰比為0.35∶1的新鮮水泥漿,放置1 d后脫模;再在20 ℃、相對(duì)濕度為95%的SHBY-60B型數(shù)控水泥砼標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱(紹興市上虞盛名達(dá)試驗(yàn)儀器廠)中分別放置7、14、21、28 d進(jìn)行養(yǎng)護(hù),取出在室溫下放置24 h后進(jìn)行抗彎測(cè)試[17-18]。
圖1 樣品制備示意圖Fig.1 Schematic diagram of bending sample preparation.(a)Mold for bending samples;(b)Fiber arrangement
1.3.1 纖維表面形貌及元素含量分析
采用JSM-6510型掃描電子顯微鏡(SEM,日本JEOL公司)配合INCA X-act型X射線能量色散譜儀(EDS,英國Oxford公司)觀察纖維表面形態(tài)并測(cè)量纖維表面元素含量,樣品噴金后在20 kV下觀察,得到SEM照片和EDS照片,重復(fù)掃描3次得纖維表面元素含量平均值,分析纖維表面SiO2的接枝情況。
1.3.2 抗彎強(qiáng)度測(cè)試
采用Instron 5696型Instron萬能材料試驗(yàn)機(jī)(美國Instron公司)利用三點(diǎn)彎曲法測(cè)試樣品的抗彎性能。設(shè)置跨距為50 mm,加載速度為2 mm/min,測(cè)試溫度為20 ℃,每組樣品測(cè)試10次,取平均值??箯潖?qiáng)度計(jì)算公式為
式中:P為最大抗彎載荷,N;l為跨距,mm;b為試樣寬度,mm;d為試樣高度,mm。
1.3.3 有限元模型
為進(jìn)一步研究纖維橫向鋪排與交叉鋪排PVA-FRCC的抗彎行為,本文基于PVA-FRCC實(shí)際結(jié)構(gòu)特征建立了2種樣品的三點(diǎn)彎曲幾何模型,并進(jìn)行網(wǎng)格劃分,得到有限元模型如圖2所示。圖2(a)示出基于實(shí)際樣品建立的三層纖維PVA-FRCC三點(diǎn)彎曲幾何模型,深灰色為PVA纖維,淺灰色為水泥基體,分別賦予纖維和水泥基體相應(yīng)的力學(xué)性能。圖2(b)示出為網(wǎng)格劃分情況,其中鋪排試樣模型采用六面體網(wǎng)格。交叉鋪排試樣模型的幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜,故采用四面體網(wǎng)格。本文假設(shè)測(cè)試儀器的壓頭與水泥體間無摩擦,纖維與水泥的性能及兩者間界面性質(zhì)同前期研究的有限元模型[16]一致。
圖2 PVA-FRCC有限元模型Fig.2 Finite element model of PVA-FRCC.(a)Geometric model;(b)Finite element model
圖3示出改性前后PVA纖維表面的SEM照片??梢钥闯?,未改性的PVA纖維表面光滑;改性PVA纖維具有較多覆蓋物,導(dǎo)致表面粗糙,粗糙的表面能夠與水泥基體形成更穩(wěn)定的錨固作用。
圖3 改性前后PVA纖維的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of PVA fiber before(a)and after(b)modification
表1示出改性前后PVA纖維表面的元素含量變化??梢钥闯觯何锤男訮VA纖維表面僅含有C、O元素,沒有檢測(cè)到Si元素;經(jīng)過SiO2NPs改性后,O元素含量增加,并檢測(cè)到有Si元素存在,Si元素含量為0.99%,說明Si被有效接枝到纖維表面。結(jié)合圖3可知,改性PVA纖維表面的覆蓋物為接枝的SiO2。
表1 改性前后PVA纖維表面元素含量Tab.1 Surface element content of modified and unmodifiedPVA fiber %
當(dāng)PVA纖維橫向鋪排時(shí),纖維鋪排層數(shù)對(duì)PVA-FRCC抗彎強(qiáng)度的影響如圖4所示??梢钥闯觯寒?dāng)鋪排層數(shù)為1~3層時(shí),PVA-FRCC的抗彎強(qiáng)度明顯高于純水泥,且隨PVA纖維鋪排層數(shù)的增多而增大;當(dāng)鋪排層數(shù)為4層時(shí),PVA-FRCC的抗彎強(qiáng)度降低,甚至在養(yǎng)護(hù)14 d以后,明顯低于純水泥的抗彎強(qiáng)度。這說明FRCC中纖維的含量需要嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi),在該范圍內(nèi)纖維含量越多,對(duì)FRCC抗彎性能的增強(qiáng)作用越明顯;當(dāng)纖維含量過大時(shí),反而破壞了FRCC的內(nèi)部結(jié)構(gòu),造成弱節(jié),強(qiáng)度降低。
圖4 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下PVA-FRCC抗彎強(qiáng)度與纖維橫向鋪排層數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between bending strength and number of fiber transverse laying layers of PVA-FRCC under different curing time
由圖4還可以看出,改性PVA-FRCC的抗彎強(qiáng)度明顯高于未改性的PVA-FRCC。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d,橫向鋪排3層時(shí),未改性PVA-FRCC的抗彎強(qiáng)度比純水泥提高了45.8%,改性PVA-FRCC的抗彎強(qiáng)度比純水泥提高了52.3%,改性PVA-FRCC的抗彎強(qiáng)度比未改性的提高了4.70%。當(dāng)鋪排3層纖維且養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d時(shí),改性PVA-FRCC的抗彎強(qiáng)度比未改性的提高了9.44%。說明無論是養(yǎng)護(hù)初期還是養(yǎng)護(hù)28 d,PVA纖維的表面接枝SiO2NPs改性均有利于提高纖維與水泥間的界面強(qiáng)度,改善了FRCC的彎曲韌性。
當(dāng)纖維縱向鋪排時(shí),鋪排層數(shù)對(duì)PVA-FRCC抗彎強(qiáng)度的影響如圖5所示??梢钥闯?,與純水泥相比,改性前后PVA纖維的加入并未提高水泥基體的抗彎性能,在各養(yǎng)護(hù)時(shí)間下,不同鋪排層數(shù)的PVA-FRCC的抗彎強(qiáng)度均與純水泥相近,說明纖維縱向鋪排對(duì)PVA-FRCC的抗彎性能影響很小。主要是因?yàn)槔w維的排列方向平行于水泥基體的受力破壞方向,無法承擔(dān)和分散破壞力,難以發(fā)揮纖維高韌性的優(yōu)勢(shì)。
圖5 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下PVA-FRCC抗彎強(qiáng)度與纖維縱向鋪排層數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between bending strength and number of longitudinal laying fiber layers of PVA-FRCC under different curing time
當(dāng)PVA纖維交叉鋪排時(shí),鋪排層數(shù)對(duì)PVA-FRCC抗彎強(qiáng)度的影響如圖6所示。
圖6 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下PVA-FRCC抗彎強(qiáng)度與纖維交叉鋪排層數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between bending strength and number of fiber cross laying layers of PVA-FRCC under different curing time
可以看出,鋪排層數(shù)對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響與纖維橫向鋪排時(shí)的影響一致,均為鋪排3層時(shí)最好,且改性PVA-FRCC的抗彎強(qiáng)度高于未改性的。同時(shí)可知,相同條件下纖維交叉鋪排時(shí)PVA-FRCC的抗彎強(qiáng)度比橫向鋪排的高。與纖維橫向鋪排數(shù)據(jù)相比,養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d時(shí),未改性纖維交叉鋪排3層的PVA-FRCC抗彎強(qiáng)度比橫向鋪排的提高了7.7%,改性纖維交叉鋪排3層的PVA-FRCC抗彎強(qiáng)度比橫向鋪排的提高了8.6%。養(yǎng)護(hù)28 d時(shí),未改性纖維交叉鋪排3層的PVA-FRCC抗彎強(qiáng)度比橫向鋪排的提高了13.81%,改性纖維交叉鋪排3層的PVA-FRCC抗彎強(qiáng)度比橫向鋪排的提高了13.21%。這主要是由于PVA纖維交叉鋪排時(shí),形成的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)可均勻分散水泥的內(nèi)應(yīng)力,起到支撐作用。當(dāng)纖維在水泥中單向排列時(shí),材料的受力情況為一維連續(xù);雙向排列時(shí),其受力方向可二維連續(xù),能夠更好地分散和承擔(dān)受力。因此,交叉鋪排的PVA-FRCC的抗彎性能比橫向(單向)鋪排時(shí)更好。但是纖維鋪排層數(shù)增加到4層時(shí),依然會(huì)降低水泥的抗彎性能。
圖7示出纖維改性前后鋪排3層的PVA-FRCC的抗彎強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系。
圖7 改性前后不同鋪排方式的PVA-FRCC的抗彎強(qiáng)度Fig.7 Bending strength of modified and unmodified PVA-FRCC with different arrangement.(a)Transverse;(b)Longitudinal;(c)Cross
由圖7可以看出,改性PVA-FRCC的抗彎強(qiáng)度均高于未改性PVA-FRCC的抗彎強(qiáng)度,尤其在養(yǎng)護(hù)后期,改性PVA纖維對(duì)PVA-FRCC的增強(qiáng)效果更加顯著。
圖8示出抗彎強(qiáng)度測(cè)試后試樣的失效形態(tài)??梢钥闯?,試樣中水泥基體的失效形態(tài)總體呈現(xiàn)脆性開裂。試樣失效形態(tài)主要呈現(xiàn)2種形式:一種是在純水泥和縱向鋪排的FRCC中,呈現(xiàn)脆斷分離;一種是在橫向鋪排和交叉鋪排的FRCC中,呈現(xiàn)“藕斷絲連”的狀態(tài),即水泥基體脆斷后,其中橫向的纖維依然連接著斷裂的基體,具有橋連作用,維持試樣的完整性,使試樣不至于因斷裂而完全失效。
圖8 抗彎測(cè)試后試樣的失效形態(tài)Fig.8 Failure morphologies after bending tests
為進(jìn)一步研究纖維橫向鋪排與交叉鋪排PVA-FRCC的抗彎行為,借助有限元分析方法探討三點(diǎn)彎曲過程中纖維在水泥中的作用及其與水泥間界面失效情況。圖9示出養(yǎng)護(hù)28 d的纖維橫向鋪排3層 PVA-FRCC在水泥失效前/后的有限元分析。
單位:MPa。圖9 橫向鋪排PVA-FRCC有限元分析圖Fig.9 Finite element analysis of PVA-FRCC with transverse arrangement.(a)Stress distribution before failure;(b)Interface damage distribution after failure
圖9(a)中色標(biāo)代表最大主應(yīng)力大小,正值意味著受拉,負(fù)值意味著受壓;圖9(b)中色標(biāo)代表界面損傷程度。圖9(a)顯示位于PVA-FRCC上部分區(qū)域總體處于受壓狀態(tài),下部分區(qū)域處于受拉狀態(tài),且壓頭中心線處上部受壓和下部分區(qū)域受拉最為明顯。圖9(b)顯示水泥基體垂直于壓面斷裂,且水泥失效處的局部界面有一定程度失效,但纖維未出現(xiàn)斷裂,依然保持與整塊水泥間的黏結(jié)作用,起到橋連效果,從而沒有形成整塊試樣的徹底性脆斷。
圖10示出養(yǎng)護(hù)28 d的PVA纖維交叉鋪排3層的PVA-FRCC在水泥失效前后的有限元分析。
單位:MPa。圖10 交叉鋪排PVA-FRCC有限元分析圖Fig.10 Finite element analysis of PVA-FRCC with cross arrangement.(a)Stress distribution before failure;(b) Interface damage distribution after failure
圖10(a)為樣品(上)及樣品中纖維(下)受力失效前應(yīng)力分布。與纖維橫向鋪排3層PVA-FRCC類似,其上部分區(qū)域總體處于受壓狀態(tài),下部分區(qū)域處于受拉狀態(tài),但下部分區(qū)域受拉更顯著,同時(shí)縱向纖維也有一定的承力,盡管承力很小,也有分散橫向纖維受力的作用。圖10(b)為樣品失效后,水泥和纖維界面(上)及纖維(下)的損傷情況。圖中顯示水泥基體失效相對(duì)曲折,不完全垂直于壓面,但纖維依舊沒有徹底失效,起到橋連作用,沒有形成整塊試樣的徹底性脆斷;另外,橫向纖維與水泥間界面存在一定損傷,但縱向纖維與水泥間界面未出現(xiàn)損傷。
1)改性PVA-FRCC的抗彎強(qiáng)度優(yōu)于未改性的。當(dāng)纖維縱向鋪排時(shí)與純水泥抗彎強(qiáng)度接近,對(duì)水泥增強(qiáng)效果不明顯。橫向鋪排與交叉鋪排可有效提高水泥基體抗彎強(qiáng)度,且隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng),交叉鋪排均高于橫向鋪排。
2)與純水泥相比,纖維橫向和交叉鋪排層數(shù)為1~3層時(shí),改性PVA-FRCC的抗彎強(qiáng)度隨著鋪排層數(shù)的增加而提高;但鋪排層數(shù)為4層時(shí),PVA-FRCC的抗彎強(qiáng)度明顯降低,甚至低于純水泥。
3)有限元模擬分析表明,橫向鋪排纖維對(duì)水泥基體斷裂失效起到明顯橋連作用。同時(shí),交叉鋪排的改性PVA-FRCC中,縱向纖維也有一定承力,可分散橫向纖維受力,且試樣失效后無界面損傷發(fā)生。