纖維混凝土復(fù)合材料的制備及力學(xué)性能的研究*

戴 麗，楊 峰，周美容，符仁建

(南通理工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 南通 226001)

0 引 言

混凝土誕生100多年來，已經(jīng)成為非常重要的建筑材料廣泛使用于人們生活的各個領(lǐng)域。隨著社會的不斷進(jìn)步，超高層建筑、大型混凝土建筑物等對混凝土的要求越來越高[1-3]。而傳統(tǒng)混凝土自身的缺點越來越突出，例如：抗拉強(qiáng)度低、韌性差、脆性高、抗裂能力較低和自重大等[4]。目前，很多研究者聚焦如何提高混凝土的各項性能，使其能夠更好地為社會發(fā)展服務(wù)，未來高強(qiáng)度、輕質(zhì)、高韌性的多功能混凝土將成為發(fā)展的必然[5-10]。聚乙烯醇纖維(PVA)因具有強(qiáng)度高、模量高、耐磨、比表面積大、抗酸堿和良好的結(jié)合力等特點而被廣泛應(yīng)用于水泥混凝土增強(qiáng)材料、造紙業(yè)和布料等方面[11-13]。其中在水泥增強(qiáng)材料方面主要是通過引入聚乙烯醇纖維后，較強(qiáng)的結(jié)合力可以使得纖維能與基體形成較好的結(jié)合，并且在基體中形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對混凝土裂紋的萌生和擴(kuò)展產(chǎn)生阻礙作用，且纖維引入后還能使混凝土復(fù)合材料保持較高的流動性和自密實性，是一種較好的混凝土改性方式[14-17]。目前對于混凝土的改性研究，多數(shù)是通過調(diào)整混凝土的配比、原材料和施工方式等實現(xiàn)[18-21]。蔣志光等通過優(yōu)化配比，得出最優(yōu)粉煤灰摻量和橡膠粉含量，在最優(yōu)配合比的基礎(chǔ)上，分析了粉煤灰摻入量對橡膠陶粒柔性混凝土坍落度和強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)粉煤灰能較好地改善柔性混凝土的力學(xué)性能，在滿足強(qiáng)度需求的基礎(chǔ)上提高了路面的舒適性[22]。劉洋等選用聚乙烯醇(PVA)纖維、超高相對分子質(zhì)量聚乙烯(UHMWPE)纖維、玄武巖纖維和玻璃纖維增強(qiáng)混凝土制備超高性能混凝土(UHPC)，通過性能測試，選出UHPC改性最佳纖維為PVA纖維和UHMWPE纖維，然后采用Design-Expert專業(yè)實驗數(shù)據(jù)分析軟件，對PVA和UHMWPE混雜纖維設(shè)計進(jìn)行理論模擬，針對目標(biāo)纖維進(jìn)行摻量優(yōu)化設(shè)計，得出當(dāng)12 mm長度的PVA纖維的含量為0.3%(體積分?jǐn)?shù))、6 mm長度的UHMWPE纖維的含量為0.9%(體積分?jǐn)?shù))時，目標(biāo)UHPC的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和流動度達(dá)到最優(yōu)佳[23]。鄧明科等研究了聚乙烯醇(PVA)纖維改性高延性混凝土(HDC)的剪切性能，通過雙面剪切試驗，以纖維體積分?jǐn)?shù)和HDC抗壓強(qiáng)度為參數(shù)，分析其破壞形態(tài)、抗剪強(qiáng)度及峰值變形，結(jié)果表明，HDC纖維橋聯(lián)作用及纖維拔出過程中吸收了大量能量，試件發(fā)生了具有延性特征的剪切破壞，與基體試件和普通混凝土試件相比，HDC試件的抗剪強(qiáng)度和峰值變形均顯著提高，其提高幅度隨纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而增大[24]。本文通過引入聚乙烯醇纖維，制備出了一系列不同纖維含量的纖維混凝土復(fù)合材料，對該纖維混凝土復(fù)合材料的力學(xué)性能、流動性能、吸水率等進(jìn)行測試分析，以獲得最佳纖維摻量的纖維混凝土復(fù)合材料。

1 實 驗

1.1 試驗原材料

聚乙烯醇纖維(PVA)：干熱軟化點≥216 ℃，耐熱水性≥98 ℃，南通科嘉紡織纖維制品有限公司，PVA纖維的性能參數(shù)如表1所示；硅酸鹽水泥：P.Ⅱ 52.5級硅酸鹽水泥，3和28 d的抗壓強(qiáng)度實測為23和49 MPa，無錫市江淮建材科技有限公司；摻合料：I級粉煤灰和S95礦渣微粉，上海集大實業(yè)有限公司；硅灰：SiO2含量為98%，比表面積為2×104m2/kg，無錫市江淮建材科技有限公司；碎石：尺寸約為10～20 mm，壓碎指標(biāo)為8.2%，無錫市江淮建材科技有限公司；河砂：粒徑約為3～5 mm，表觀密度為2 625 kg/m3，無錫市江淮建材科技有限公司；減水劑：減水率≥25%，山東騰維新型建材有限公司。

表1 PVA纖維的性能參數(shù)

1.2 試件制備及配合比

表2為纖維混凝土的配合比。按照表2配合比稱量原料，首先，將石英砂、粉煤灰和水泥按照設(shè)計的配合比稱量好放入攪拌機(jī)內(nèi)，均勻攪拌10 min；其次，加入減水劑和水，均勻攪拌5 min后加入礦渣微粉和硅灰；然后，在攪拌過程中加入PVA纖維，加入時要分開纖維，避免打結(jié)成團(tuán)，待纖維完全加入后再攪拌8 min；最后，將上述混凝土注入模具即得纖維混凝土復(fù)合材料。

表2 纖維混凝土的配合比

1.3 試驗方法

力學(xué)性能測試：將纖維混凝土復(fù)合材料試樣制備成尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體，按照(GB/T 50081-2002)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，對樣品進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和彈性模量測試，保持0.6 MPa/s的速度勻速加載直至試樣破壞，每組樣品測試3次，取均值為結(jié)果；同時對樣品的劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測試，采用0.06 MPa/s的速度勻速加載直至破壞，每組樣品測試3次，取均值為結(jié)果。

流動性能測試：按照(GB/T 50080-2002)《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，對纖維混凝土復(fù)合材料的“坍落度”進(jìn)行測定，用坍落擴(kuò)展度徑向長度來表征其流動性能的好壞。

吸水性能測試：按照(DB32/T 3696-2019)《混凝土吸水率測試方法》，對纖維混凝土復(fù)合材料的吸水率進(jìn)行測定，每組樣品測試6次，取均值為結(jié)果。

傅立葉紅外光譜測試(FT-IR)：使用日本島津IR Prestige型傅里葉變換紅外光譜儀，KBr壓片制樣，掃描范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為2 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維混凝土復(fù)合材料的力學(xué)性能分析

圖1為纖維混凝土復(fù)合材料7和28 d的抗壓強(qiáng)度。從圖1可以看出，隨著聚乙烯醇纖維的引入，纖維混凝土復(fù)合材料7和28 d的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢。當(dāng)纖維含量2%(體積分?jǐn)?shù))時，7和28 d的抗壓強(qiáng)度均達(dá)到了最大值，分別為45.6和65.7 MPa，相較于未摻雜纖維的混凝土，強(qiáng)度分別提高了15.15%和19.59%；當(dāng)纖維含量為3%(體積分?jǐn)?shù))時，7和28 d的抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)了下降。整體來看，摻入纖維后混凝土的抗壓強(qiáng)度均得到了提高，這是因為纖維摻入后會在混凝土中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)會對基體產(chǎn)生支撐效果，且聚乙烯醇纖維可以很好地與混凝土基體結(jié)合，當(dāng)產(chǎn)生應(yīng)力時，能有效阻止混凝土的開裂，還能阻礙混凝土表面的析水，減少混凝土硬化后期產(chǎn)生的裂縫；其次，聚乙烯醇纖維的比表面積較大，間距較小，可以有效減少混凝土的孔隙，提高基體的密實性，但當(dāng)纖維含量較多時，過多的纖維在基體中會導(dǎo)致漿體中纖維孔間壁變薄，使得抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)下降[25]。

圖1 纖維混凝土復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度

圖2為纖維混凝土復(fù)合材料的劈裂抗拉強(qiáng)度。從圖2可以看出，隨著纖維摻量的增加，纖維混凝土復(fù)合材料的劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。當(dāng)纖維含量為2%(體積分?jǐn)?shù))時，7和28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別為3.65和3.97 MPa，相較于未摻雜纖維的混凝土，劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高了25%和26.03%。這是因為聚乙烯醇纖維摻入后會與混凝土基體形成較好的結(jié)合，且聚乙烯醇纖維具有較大的比表面積可以聚集大量的水化產(chǎn)物，纖維與混凝土之間具有大的粘結(jié)力，從而大大提高了混凝土復(fù)合材料的劈裂抗拉強(qiáng)度。

圖2 纖維混凝土復(fù)合材料的劈裂抗拉強(qiáng)度

圖3為纖維混凝土復(fù)合材料的彈性模量。從圖3可以看出，隨著纖維摻量的增加，纖維混凝土復(fù)合材料的彈性模量呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢。當(dāng)纖維含量為2%(體積分?jǐn)?shù))時，纖維混凝土復(fù)合材料的彈性模量達(dá)到最大值為26.2 GPa，相較于未摻雜纖維的混凝土增大了7.82%；當(dāng)纖維含量為3%(體積分?jǐn)?shù))時，纖維混凝土復(fù)合材料的彈性模量出現(xiàn)了下降。這是因為聚乙烯醇纖維自身具有較高的彈性模量，當(dāng)適量的聚乙烯醇纖維摻入到混凝土中后，不僅能夠有效抑制裂紋的擴(kuò)展，還能通過纖維本身將應(yīng)力進(jìn)行有效傳遞，并且部分應(yīng)力會分散在纖維上，這樣在混凝土基體中就不會出現(xiàn)過大的應(yīng)力集中，從而有效提升了纖維混凝土復(fù)合材料的彈性模量。但過量的聚乙烯醇纖維會在混凝土中形成團(tuán)聚，造成應(yīng)力集中，反而會降低彈性模量。

圖3 纖維混凝土復(fù)合材料的彈性模量

2.2 纖維混凝土復(fù)合材料的流動性能分析

圖4為纖維混凝土復(fù)合材料的坍落度。從圖4可以看出，隨著纖維摻量的增加，纖維混凝土復(fù)合材料的坍落擴(kuò)展度徑向長度逐漸降低，說明纖維摻入后導(dǎo)致了混凝土復(fù)合材料的流動性減小。當(dāng)纖維含量為3%時，坍落徑向長度最小為585 mm，依舊在500 mm之上，說明適量纖維的摻入不會對混凝土復(fù)合材料的流動度造成太大影響。

圖4 纖維混凝土復(fù)合材料的坍落度

2.3 纖維混凝土復(fù)合材料的吸水性能分析

圖5為纖維混凝土復(fù)合材料的吸水率。從圖5可以看出，隨著聚乙烯醇纖維摻量的增加，纖維混凝土復(fù)合材料的吸水率呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。當(dāng)纖維含量為2%(體積分?jǐn)?shù))時，纖維混凝土復(fù)合材料的吸水率最低為22.1%，這是因為聚乙烯醇纖維摻入后在混凝土基體中會形成良好的網(wǎng)狀薄膜，提高基體整體致密性，其次纖維會分布于混凝土基體的孔隙中，這樣會導(dǎo)致混凝土的孔隙和微裂紋被堵塞，從而導(dǎo)致混凝土的吸水率下降；當(dāng)纖維含量為3%(體積分?jǐn)?shù))時，纖維混凝土復(fù)合材料的吸水率升高到22.8%，這可能是因為纖維含量較多時，在混凝土基體中分布不均勻，使得部分網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的致密性變差，從而導(dǎo)致了吸水率出現(xiàn)輕微上升。

圖5 纖維混凝土復(fù)合材料的吸水率

2.4 纖維混凝土復(fù)合材料的FT-IR分析

圖6為纖維混凝土復(fù)合材料的FT-IR圖。從圖6(a)可以看出，聚乙烯醇纖維在850和1 090 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰為C-C吸收峰和C-O吸收峰。從圖6(b)可以看出，在纖維摻雜2%(體積分?jǐn)?shù))的混凝土復(fù)合材料中，Al-O峰已不存在，且1 420 cm-1處的Si-O峰強(qiáng)度減弱，可見聚乙烯醇纖維明顯影響了水化反應(yīng)，阻礙了Ca2+在基體中的擴(kuò)散，說明聚乙烯醇纖維在基體中形成了致密的薄膜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得混凝土復(fù)合材料的各組分之間的連接能力增強(qiáng)，對于韌性和強(qiáng)度都有明顯提高。從圖6(c)可以看出，未摻雜纖維的混凝土在710 cm-1處的吸收峰為Al-O峰，870 cm-1處的吸收峰為Ca-O峰。由此可知，適量的纖維摻雜能夠提升混凝土材料的韌性和強(qiáng)度。

圖6 纖維混凝土復(fù)合材料的FT-IR圖(a為聚乙烯醇纖維，b為纖維摻雜2%(體積分?jǐn)?shù))，c為未摻雜纖維的混凝土)

3 結(jié) 論

(1)隨著聚乙烯醇纖維的引入，纖維混凝土復(fù)合材料7和28 d的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢，當(dāng)纖維含量2%(體積分?jǐn)?shù))時，7和28 d的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了最大值，分別為45.6和65.7 MPa；7和28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度也達(dá)到最大值，分別為3.65和3.97 MPa。

(2)隨著纖維摻量的增加，纖維混凝土復(fù)合材料的彈性模量呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢。當(dāng)纖維含量為2%(體積分?jǐn)?shù))時，纖維混凝土復(fù)合材料的彈性模量達(dá)到最大值為26.2 GPa。

(3)隨著纖維摻量的增加，纖維混凝土復(fù)合材料的坍落擴(kuò)展度徑向長度逐漸降低，說明纖維摻入后導(dǎo)致了混凝土復(fù)合材料的流動性減小。當(dāng)纖維含量為3%時，坍落徑向長度最小為585 mm，說明摻入適量纖維后混凝土復(fù)合材料的流動度很好。

(4)隨著纖維摻量的增加，纖維混凝土復(fù)合材料的吸水率呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。當(dāng)纖維含量為2%(體積分?jǐn)?shù))時，纖維混凝土復(fù)合材料的吸水率最低為22.1%。

(5)FT-IR分析可知，當(dāng)纖維含量為2%(體積分?jǐn)?shù))時，纖維混凝土復(fù)合材料中Al-O峰已不存在，且1 420 cm-1處的Si-O峰強(qiáng)度減弱。說明聚乙烯醇纖維在基體中形成了致密的薄膜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得混凝土復(fù)合材料的各組分之間的連接能力增強(qiáng)，對于韌性和強(qiáng)度都有明顯提高。

綜合以上分析可知，當(dāng)聚乙烯醇纖維的含量為2%(體積分?jǐn)?shù))時，纖維混凝土復(fù)合材料的各項性能最優(yōu)。