李 特,田啟超

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 楊凌 712100;2.中國(guó)電建集團(tuán) 北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100024)

混凝土因具有較高的抗壓強(qiáng)度、良好的環(huán)境適應(yīng)性及較低的價(jià)格成為應(yīng)用最廣泛的土木工程材料之一[1]。相比于金屬和聚合物等其他土木材料,混凝土明顯更脆,抗拉強(qiáng)度較差。根據(jù)斷裂韌性值,鋼的抗裂紋擴(kuò)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會(huì)存在缺陷和微裂縫,這為有害物質(zhì)提供了容易進(jìn)入的途徑,導(dǎo)致過早飽和、凍融損傷、結(jié)垢、變色和基材腐蝕。這一點(diǎn)在增強(qiáng)混凝土的應(yīng)用中尤為突出,因?yàn)殡S著混凝土強(qiáng)度的不斷提高,其脆性更加明顯,韌性不斷降低,抗開裂性能越來越差[3],因此,提高混凝土材料性能的研究尤為重要。通過添加各種合適材料的短而隨機(jī)分布的纖維可以很大程度提高混凝土的性能。纖維不僅改善了混凝土的抗拉強(qiáng)度和收縮裂縫,還能提高混凝土抗壓強(qiáng)度、耐久性、疲勞壽命、抗沖擊和耐介質(zhì)等性能[4]。

聚酰亞胺纖維由于具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的力學(xué)性能受到廣泛關(guān)注,在航空航天、軍事和原子能等方面得到了廣泛的應(yīng)用[5]。隨著聚酰亞胺合成技術(shù)的日趨成熟,其成本大幅度降低,因此得到學(xué)者更多的關(guān)注。但由于聚酰亞胺纖維的表面光滑,極性較小,不易與基材浸潤(rùn),因此又限制了聚酰亞胺纖維在先進(jìn)復(fù)合材料領(lǐng)域中的應(yīng)用[6]。為滿足混凝土更高的指標(biāo)和使用范圍,作者對(duì)聚酰亞胺纖維增強(qiáng)混凝土進(jìn)行了研究。通過對(duì)聚酰亞胺纖維表面改性,增強(qiáng)聚酰亞胺纖維潤(rùn)濕分散性,并摻雜到混凝土中以提高混凝土的各項(xiàng)性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料、試劑與儀器

普通硅酸鹽水泥:P.O 42.5,山東東岳泰山水泥有限公司;粉煤灰:Ⅱ級(jí),南京宏乾環(huán)保工程有限公司;減水劑:濟(jì)南山?；た萍加邢薰?粗集料(碎石):粒徑5～25 mm,連續(xù)級(jí)配,w(泥)=0.3%,細(xì)集料(洗凈晾干標(biāo)準(zhǔn)河沙):模數(shù)2.25,市售;短切聚酰亞胺纖維:長(zhǎng)度20 mm,直徑6～8 μm,江蘇先諾新材料科技有限公司。

磷酸:質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%,乙醇:上海化學(xué)試劑公司;硅烷偶聯(lián)劑KH-570:阿拉丁生物科技有限公司;丙酮:國(guó)藥化學(xué)試劑;以上試劑均為分析純;自來水:市售。

掃描電子顯微鏡:Zeiss Sigma HV,德國(guó)蔡司公司;壓力機(jī):YAD-3000,長(zhǎng)春科新試驗(yàn)儀器有限公司;電子天平:JT1003A,上海精天電子儀器有限公司;數(shù)控超聲波清洗器:KQ3200DE,昆山市超聲儀器有限公司;鼓風(fēng)干燥箱:DHG-901A,上海一恒科學(xué)儀器有限公司;臺(tái)秤:TCS-W(XSB),上海臺(tái)邁衡器有限公司;砂漿攪拌器:UJ-15,河北初陽試驗(yàn)儀器有限公司;砼氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀:RCM-6,振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái):HZJ-A,盛世慧科檢測(cè)設(shè)備有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 聚酰亞胺纖維酸處理

將短切聚酰亞胺纖維置于丙酮中超聲清洗1 h后烘干,置于w(磷酸)=20%溶液中,加熱至40 ℃處理4 h。將處理完畢的短切聚酰亞胺纖維用蒸餾水沖洗干凈,60 ℃烘干備用。

1.2.2 硅烷偶聯(lián)劑改性聚酰亞胺纖維

配置w(KH-570-乙醇)=4%溶液,將短切聚酰亞胺纖維加入其中,t=45 ℃超聲振蕩4 h,取出聚酰亞胺纖維用乙醇溶液沖洗后80 ℃烘干備用。

1.2.3 纖維增強(qiáng)混凝土的制備

不同配方的實(shí)驗(yàn)配比見表1。

表1 不同配方的實(shí)驗(yàn)配比

根據(jù)表1的比例準(zhǔn)確稱取相關(guān)原材料,將水泥、粉煤灰、碎石和河沙依次倒入砂漿攪拌器中,啟動(dòng)電機(jī)預(yù)拌5 min,以確保原材料混合均勻。在繼續(xù)攪拌的過程中依次倒入水和減水劑,攪拌至砂漿呈均勻的流動(dòng)狀態(tài)。少量多次加入改性后的短切聚酰亞胺纖維并持續(xù)攪拌至均勻狀態(tài)。最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求,將攪拌均勻的砂漿制備成相應(yīng)的試件,并用振動(dòng)臺(tái)將試件振動(dòng)密實(shí)排除空氣,放入養(yǎng)護(hù)箱中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行測(cè)試。m(水)∶m(膠)=0.4,w(砂)=40%,以此為基礎(chǔ)配方設(shè)計(jì)混凝土配比。

1.2.4 性能測(cè)試

(1)根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》[7]開展膠砂流動(dòng)度的測(cè)試。

(2)根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[8]開展混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的測(cè)試。其中抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的混凝土試件尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm,抗折強(qiáng)度的混凝土試件尺寸均為150 mm×150 mm×600 mm。

(3)按照國(guó)標(biāo)GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[9],采用混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速測(cè)定法(RCM法)測(cè)試其養(yǎng)護(hù)28d的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。試件為高50 mm、直徑100 mm的圓柱體。

2 結(jié)果與討論

2.1 短切聚酰亞胺纖維表面改性

聚酰亞胺纖維化學(xué)穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、模量高并且耐熱性好[10],但其表面光滑、表面能低、分散性較差,需要對(duì)其進(jìn)行化學(xué)改性以改善與基材的結(jié)合性和分散性[11]。研究表明,聚酰亞胺纖維經(jīng)過磷酸處理后,在其表面能夠生成羥基、羧基及羰基等極性基團(tuán)[12]。而硅烷偶聯(lián)劑先在水中水解成硅醇,然后其硅羥基與聚酰亞胺纖維上的羥基脫水生成醚鍵[13],從而使硅烷偶聯(lián)劑接枝到聚酰亞胺纖維上,以提高聚酰亞胺纖維的分散性和結(jié)合性,機(jī)理見圖1。

圖1 聚酰亞胺纖維接枝改性機(jī)理圖

不同類型聚酰亞胺纖維SEM圖見圖2。

a 未改性

由圖2a可知,未改性的聚酰亞胺纖維表面光滑,沒有刻蝕痕跡;由圖2b可知,聚酰亞胺纖維經(jīng)過磷酸溶液處理后,表面被輕度刻蝕,出現(xiàn)孔洞和溝壑,變得明顯粗糙,說明磷酸溶液能夠?qū)埘啺防w維進(jìn)行有效地刻蝕;由圖2c可知,經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑KH-570改性后,聚酰亞胺纖維表面被包覆,說明硅烷偶聯(lián)劑KH-570已經(jīng)成功改性聚酰亞胺纖維。

2.2 聚酰亞胺纖維對(duì)混凝土流動(dòng)性的影響

不同實(shí)驗(yàn)配方混凝土的流動(dòng)度見圖3。

w(聚酰亞胺纖維)/%

由圖3可知,未添加纖維的混凝土流動(dòng)度較大,為221 mm。隨著w(聚酰亞胺纖維)增加,未改性及表面改性后的聚酰亞胺纖維混凝土流動(dòng)度均呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著w(聚酰亞胺纖維)增加,阻礙了混凝土顆粒的運(yùn)動(dòng),且在攪拌過程中w(聚酰亞胺纖維)較大時(shí)容易引起纖維局部發(fā)生纏繞、團(tuán)聚,降低了混凝土的流動(dòng)性。由圖3還可知,同等質(zhì)量分?jǐn)?shù)下經(jīng)過表面改性后的聚酰亞胺纖維混凝土流動(dòng)度明顯高于未改性纖維,這說明改性后的聚酰亞胺纖維在混凝土中具有較好的分散性,能夠降低發(fā)生纏繞、團(tuán)聚的可能性。

2.3 聚酰亞胺纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

不同實(shí)驗(yàn)配方混凝土的抗壓強(qiáng)度見圖4。

w(聚酰亞胺纖維)/%

由圖4可知,未添加纖維的混凝土抗壓強(qiáng)度約為45 MPa,隨著w(聚酰亞胺纖維)增加,抗壓強(qiáng)度呈先增加后降低的趨勢(shì)。w(聚酰亞胺纖維)=0.8%,混凝土的抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最高,未改性為60 MPa,改性后為73 MPa。由此得出,聚酰亞胺纖維的添加提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度,這是因?yàn)槠渥璧K了混凝土裂縫的發(fā)展,混凝土在受到較大的壓縮載荷時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)橫向的力,使混凝土產(chǎn)生微裂縫并發(fā)展為大裂縫,當(dāng)裂縫的擴(kuò)展碰到混凝土內(nèi)的纖維,纖維與混凝土之間的結(jié)合力會(huì)降低裂縫尖端的應(yīng)力集中[14],降低裂縫發(fā)展。改性后的聚酰亞胺纖維與混凝土之間的結(jié)合力和分散性更好,因此抗壓強(qiáng)度要優(yōu)于未改性的聚酰亞胺纖維。

2.4 聚酰亞胺纖維對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

不同實(shí)驗(yàn)配方混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度見圖5。

w(聚酰亞胺纖維)/%

由圖5可知,未添加纖維的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度為3.2 MPa,隨著w(聚酰亞胺纖維)增加,混凝土的劈裂強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì)。w(聚酰亞胺纖維)=0.8%,混凝土的劈裂強(qiáng)度均達(dá)到最高,未改性為5.9 MPa,改性后為6.3 MPa。這是因?yàn)殡S著w(聚酰亞胺纖維)增加,在混凝土內(nèi)的分散程度和結(jié)合力增加。w(聚酰亞胺纖維)達(dá)到一定數(shù)值,纖維在混凝土內(nèi)的分散程度達(dá)到最佳,從而使裂縫產(chǎn)生的數(shù)量顯著降低,因此劈裂強(qiáng)度達(dá)到最高值。w(聚酰亞胺纖維)繼續(xù)增大,混凝土的部分纖維發(fā)生纏繞、團(tuán)聚,產(chǎn)生部分微小空隙,增加了裂縫產(chǎn)生的幾率,使劈裂強(qiáng)度降低。而經(jīng)過表面改性后的聚酰亞胺纖維在混凝土內(nèi)的分散效果更優(yōu),因此劈裂抗拉強(qiáng)度高于未改性纖維的混凝土。

2.5 聚酰亞胺纖維對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響

不同實(shí)驗(yàn)配方混凝土的抗折強(qiáng)度見圖6。

w(聚酰亞胺纖維)/%

由圖6可知,未添加纖維的混凝土抗折強(qiáng)度為3.7 MPa,隨著w(聚酰亞胺纖維)增加,混凝土的抗折強(qiáng)度逐漸增加并趨于平緩上升。這是由于當(dāng)混凝土受力發(fā)生彎折時(shí),會(huì)有大量的單元發(fā)生損傷、破壞并發(fā)展成裂紋,同時(shí)分散在混凝土內(nèi)的纖維受力被拔出[15]。這不僅延長(zhǎng)了裂縫擴(kuò)散路徑,并且纖維在拔出的過程中吸收了大量的能量,使混凝土的韌性提高,增加了混凝土的抗折強(qiáng)度。隨著w(聚酰亞胺纖維)增加,混凝土與之的結(jié)合力增加,從而使混凝土的抗折強(qiáng)度隨之增加。

2.6 聚酰亞胺纖維對(duì)混凝土Cl-擴(kuò)散系數(shù)的影響

Cl-擴(kuò)散系數(shù)表示Cl-從混凝土孔隙溶液中擴(kuò)散出去的能力,對(duì)于評(píng)價(jià)混凝土的耐久性有重要意義[16]。不同實(shí)驗(yàn)配方下混凝土的Cl-擴(kuò)散系數(shù)見圖7。

w(聚酰亞胺纖維)/%

由圖7可知,隨著w(聚酰亞胺纖維)增加,Cl-擴(kuò)散系數(shù)表現(xiàn)為先下降后上升的狀態(tài),w(聚酰亞胺纖維)=0.8%,混凝土的Cl-擴(kuò)散系數(shù)均達(dá)到最低,未改性為2.3×10-15m2/s,改性后為2.2×10-15m2/s。明顯小于常規(guī)混凝土Cl-擴(kuò)散系數(shù)(10-12)的級(jí)別[17],這是由于纖維的摻雜使Cl-擴(kuò)散通道變得更為復(fù)雜,從而降低了Cl-擴(kuò)散的能力。纖維在混凝土達(dá)到最佳分布狀態(tài)時(shí),Cl-的擴(kuò)散系數(shù)也達(dá)到了最小,隨著w(聚酰亞胺纖維)的繼續(xù)增加,纖維在混凝土內(nèi)出現(xiàn)了部分團(tuán)聚現(xiàn)象,反而增加了部分孔隙,提高了Cl-的擴(kuò)散能力。

3 結(jié) 論

在混凝土中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的短切聚酰亞胺纖維,通過測(cè)試混凝土的流動(dòng)度、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和Cl-擴(kuò)散系數(shù)等研究聚酰亞胺纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。通過分析,得出以下結(jié)論。

(1)短切聚酰亞胺纖維通過磷酸酸洗、硅烷偶聯(lián)劑KH-570的表面改性,能夠有效增加聚酰亞胺纖維在混凝土內(nèi)的分散性和結(jié)合力。改性后的聚酰亞胺纖維增強(qiáng)混凝土的效果要明顯優(yōu)于未改性聚酰亞胺纖維增強(qiáng)混凝土的效果。

(2)隨著w(聚酰亞胺纖維)增加,無論是未改性還是表面改性后的纖維,混凝土的流動(dòng)度均呈下降趨勢(shì)。

(3)隨著w(聚酰亞胺纖維)增加,混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),w(改性聚酰亞胺纖維)=0.8%,抗壓強(qiáng)度為73 MPa、劈裂抗拉強(qiáng)度為6.3 MPa,均為最高值;抗折強(qiáng)度逐漸增加并趨于平緩上升狀態(tài)。

(4)隨著w(聚酰亞胺纖維)增加,Cl-擴(kuò)散系數(shù)呈先降低后增加狀態(tài),w(改性聚酰亞胺纖維)=0.8%,混凝土Cl-擴(kuò)散系數(shù)最低為2.2×10-15m2/s,明顯低于常規(guī)混凝土的Cl-擴(kuò)散系數(shù)。

綜上所述,w(改性聚酰亞胺纖維)=0.8%,混凝土的綜合力學(xué)性能及耐久性達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。