纖維參數(shù)對(duì)水泥基材料減裂效果的影響

馬一平， 余少同， 游 璐， 孟 瑞， 楊曉杰

(同濟(jì)大學(xué) 先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室， 上海 201804)

水泥基材料作為一種用量巨大、無(wú)可取代的建筑材料，其自身也存在缺陷，如抗拉強(qiáng)度低、易收縮開裂等.混凝土開裂會(huì)影響其耐久性，引起內(nèi)部鋼筋銹蝕，造成嚴(yán)重的安全問(wèn)題[1].因此，有必要系統(tǒng)研究水泥基材料的收縮開裂現(xiàn)象，并尋找相關(guān)防治措施.

在水泥基材料中摻入纖維，制備纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料被認(rèn)為是一種應(yīng)對(duì)開裂的有效手段.通過(guò)摻入各類纖維[2-3]，可在一定程度上抑制水泥基材料收縮開裂.但目前對(duì)于高性能聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)纖維對(duì)水泥基材料收縮開裂影響的報(bào)道相對(duì)較少，相關(guān)研究并不完善.

鑒于此，本文系統(tǒng)研究了高性能PVA纖維(指PVA纖維的彈性模量≥40GPa)摻量、長(zhǎng)度、直徑、性能等參數(shù)對(duì)水泥基材料塑性失水收縮和硬化早期收縮開裂的影響.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及儀器

上海產(chǎn)海螺牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；細(xì)度模數(shù)2.59的河砂；自來(lái)水；4種纖維，分別記為PVA1，PVA2，PVA 3和PP，4種纖維的物理力學(xué)性能見表1.

試驗(yàn)儀器主要包括JJ-5型水泥膠砂攪拌機(jī)，精度為0.1g的電子天平，電子臺(tái)秤(精度為0.01kg，最大量程100kg)，914mm×610mm×20mm的木模，圓環(huán)鐵模，干燥箱，KON-FK(N)型數(shù)顯裂縫寬度測(cè)試儀和直尺等.

表1 纖維物理力學(xué)性能

Note:PP—Polypropylene.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1塑性收縮開裂試驗(yàn)方法(Kraai平板法)

水泥基材料塑性失水收縮開裂試驗(yàn)采用 914mm×610mm×20mm的木模，在木模內(nèi)放置一個(gè)略小于其周長(zhǎng)并有支撐腳的鋼圈作為約束，將拌和料沿木模中心螺旋式向木模邊緣澆注，直至漿料自動(dòng)流滿木模，隨后快速刮平試件.將成型好的試件光照4h，風(fēng)吹24h后，采用KON-FK(N)型數(shù)顯裂縫寬度測(cè)試儀(檢測(cè)范圍：0.01～3.00mm，估測(cè)精度：0.01mm)測(cè)量裂縫寬度，按照裂縫寬度分段測(cè)量對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度，并按照文獻(xiàn)[4]計(jì)算塑性收縮開裂權(quán)重值W.

1.2.2硬化早期干縮開裂試驗(yàn)方法

硬化早期的收縮開裂試驗(yàn)采用圓環(huán)法[5].將拌和料倒入模具中，成型后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1d，脫去外模具，以升溫速率10℃/h，恒溫1h的升溫制度升至70℃，然后恒溫24h以后取出，用數(shù)顯裂縫寬度儀測(cè)量裂縫寬度，計(jì)算硬化早期收縮開裂權(quán)重值W.

1.2.3塑性收縮抗裂指數(shù)試驗(yàn)方法

水泥基材料塑性收縮開裂抗裂指數(shù)K定義為塑性抗拉強(qiáng)度f(wàn)p與塑性收縮應(yīng)力σs的比值.塑性抗拉強(qiáng)度采用八字形模具，具體試驗(yàn)過(guò)程和方法詳見文獻(xiàn)[6].塑性收縮應(yīng)力試驗(yàn)方法和具體過(guò)程詳見文獻(xiàn)[7].失水蒸發(fā)速率的測(cè)量采用小面積容器模擬平板法，詳見文獻(xiàn)[8].

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維對(duì)水泥基材料塑性收縮開裂的影響

在基準(zhǔn)砂漿配比的基礎(chǔ)上(集灰比mA/mC為1∶1，水灰比mW/mC為0.5)摻入纖維，通過(guò)改變纖維的長(zhǎng)度、摻量、直徑和性能等，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，研究纖維參數(shù)對(duì)水泥基材料塑性收縮開裂的影響.

2.1.1纖維摻量

采用9mm PVA1纖維，改變摻量進(jìn)行試驗(yàn)(每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)均至少重復(fù)3次，且能通過(guò)拉伊達(dá)準(zhǔn)則檢驗(yàn))，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示.

從圖1可知：在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著纖維摻量提高，砂漿試件的開裂權(quán)重值(W)減少，減裂率上升.出現(xiàn)以上規(guī)律是因?yàn)殡S著纖維摻量增加，單位體積水泥基材料中的纖維數(shù)量增多，體積分?jǐn)?shù)上升，根據(jù)纖維間距理論，此時(shí)纖維間距減小，減裂效果隨之提升.

圖1 纖維摻量對(duì)砂漿塑性收縮開裂的影響Fig.1 Effect of fiber content on plastic shrinkage cracking of mortar

2.1.2纖維長(zhǎng)度

圖2(a),(b)分別為纖維摻量為1.0，1.5kg/m3時(shí)，摻入不同長(zhǎng)度PVA1纖維的試驗(yàn)結(jié)果.可以看出在2種摻量下，隨著纖維長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，砂漿試件的開裂權(quán)重值均隨之降低，減裂率提高.

當(dāng)纖維長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，水泥基材料對(duì)單根纖維的黏結(jié)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，即黏結(jié)面積較大，在共同承受外力時(shí)二者較難分離，所以通過(guò)增加纖維長(zhǎng)度可以改善水泥基材料的塑性收縮開裂情況.

2.1.3纖維直徑

在其他試驗(yàn)條件相同的情況下，采用長(zhǎng)度均為6mm的PVA1(直徑40μm)和PVA2纖維(直徑14μm)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，纖維摻量均為1.0kg/m3，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

由圖3可以看出：摻加6mm PVA1纖維的試件，開裂權(quán)重值較高，減裂率較低，即直徑較小的PVA2纖維減裂效果更好.原因在于其他參數(shù)相同時(shí)，纖維越細(xì)，單位體積水泥基材料中的纖維數(shù)量越多，根據(jù)纖維間距理論，這些纖維能夠有效抵抗裂縫，起到更好的減裂效果.

2.1.4纖維性能

水泥基材料塑性收縮開裂權(quán)重值和減裂率與不同性能纖維的關(guān)系如圖4所示.該試驗(yàn)中控制其他試驗(yàn)條件不變，在水泥基材料中摻加長(zhǎng)度均為12mm的PVA1和PVA3纖維，摻量均為 1.0kg/m3，其中PVA1的彈性模量是42GPa，PVA3的彈性模量是 31GPa.由圖4可見：在纖維摻量為1.0kg/m3條件下，摻加PVA3纖維的水泥基材料減裂率略高.在塑性階段，水泥基材料基體彈性模量幾乎為零，此時(shí)2種纖維的彈性模量均遠(yuǎn)高于材料基體本身的彈性模量，在材料受拉破壞時(shí)，纖維以從基體中拔出為主.因此，2種纖維在塑性階段都取得了比較好的減裂效果(減裂率高于80%).

圖2 纖維長(zhǎng)度對(duì)砂漿塑性收縮開裂的影響Fig.2 Effect of fiber length on plastic shrinkage cracking of mortar

圖3 纖維直徑對(duì)砂漿塑性收縮開裂的影響Fig.3 Effect of fiber diameter on plastic shrinkage cracking of mortar

圖4 纖維性能對(duì)砂漿塑性收縮開裂的影響Fig.4 Effect of fiber property on plastic shrinkage cracking of mortar

2.2 摻纖維和未摻纖維基于失水蒸發(fā)速率抗裂指數(shù)影響的對(duì)比

從前述試驗(yàn)結(jié)果中，選擇減裂效果較好的纖維參數(shù)(PVA1，長(zhǎng)度18mm，摻量1.5kg/m3)，按照該參數(shù)將纖維摻入基準(zhǔn)砂漿中，通過(guò)測(cè)試相同條件下同配比的基準(zhǔn)砂漿和摻纖維砂漿的塑性收縮應(yīng)力、抗拉強(qiáng)度和失水蒸發(fā)速率，計(jì)算得到相應(yīng)的抗裂指數(shù)(K)，所得結(jié)果如圖5所示.

圖5 基于失水蒸發(fā)速率的砂漿抗裂指數(shù)曲線Fig.5 Curves of mortar cracking resistance index based on evaporation rate of water

從圖5可以看出：摻纖維和未摻纖維的砂漿抗裂指數(shù)均隨著失水蒸發(fā)速率的增大而降低.在失水蒸發(fā)速率相同時(shí)，摻纖維砂漿的抗裂指數(shù)大于未摻纖維的基準(zhǔn)砂漿，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，基準(zhǔn)砂漿出現(xiàn)開裂，而同配比的摻纖維砂漿則未出現(xiàn)開裂.由于其他條件都相同，可以將出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因歸結(jié)為纖維的摻入.因此，在基準(zhǔn)砂漿中摻入高性能PVA纖維可以顯著提高砂漿的抗裂指數(shù)，減裂效果顯著.

2.3 纖維對(duì)水泥基材料早期硬化收縮開裂的影響

采用圓環(huán)法，基于基準(zhǔn)砂漿配比(mA/mC=1∶1，mW/mC=0.5)，研究纖維的不同摻量、長(zhǎng)度、直徑和性能等纖維參數(shù)對(duì)水泥基材料早期硬化收縮開裂的影響.

2.3.1纖維摻量

采用長(zhǎng)度為9mm的PVA1纖維，摻量分別為0，0.5，1.0，1.5kg/m3，砂漿試件硬化早期收縮開裂試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

圖6 纖維摻量對(duì)砂漿硬化收縮開裂的影響Fig.6 Effect of fiber content on hardening shrinkage cracking of mortar

由圖6可以看出：當(dāng)纖維摻量增加時(shí)，水泥基材料硬化收縮開裂權(quán)重值隨之降低，減裂率提高，當(dāng)纖維摻量為1.5kg/m3時(shí)，減裂率達(dá)到80%以上.纖維摻量影響砂漿試件的硬化收縮開裂是因?yàn)殡S著纖維摻量增大，單位體積水泥基材料中的纖維數(shù)量增多，纖維間距則相應(yīng)減小，抵抗開裂的能力隨之提高.在試驗(yàn)范圍內(nèi)，纖維摻量為 1.5kg/m3時(shí)，減裂效果最為顯著.

2.3.2纖維長(zhǎng)度

在摻量為1.0kg/m3的情況下，分別摻入長(zhǎng)度為6,9,12mm的PVA1纖維，其試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示.由圖7可以看出：隨著纖維長(zhǎng)度增加，水泥基材料硬化收縮開裂權(quán)重值減小、減裂率增大；纖維長(zhǎng)度越大，纖維與水泥基材料的接觸面積越大，纖維越不容易被拔出，增加纖維長(zhǎng)度可以改善水泥基材料的硬化收縮開裂情況.

圖7 纖維長(zhǎng)度對(duì)砂漿硬化開裂的影響Fig.7 Effect of fiber length on hardening shrinkage cracking of mortar

2.3.3纖維直徑

在固定纖維摻量為1.0kg/m3，其他參數(shù)保持不變的情況下，采用長(zhǎng)度均為6mm的PVA1和PVA2纖維，廠家提供2種纖維直徑分別為40μm(PVA1)和14μm(PVA2)，截面形狀均為圓形.測(cè)試所得砂漿試件的開裂權(quán)重值和減裂率如圖8所示.

圖8 纖維直徑對(duì)砂漿硬化開裂的影響Fig.8 Effect of fiber diameter on hardening shrinkage cracking of mortar

由圖8可知：6mm的PVA1和PVA2纖維在硬化階段的開裂權(quán)重值沒(méi)有明顯的差異，減裂率均在55%左右，PVA1纖維的減裂率略高.根據(jù)纖維間距理論，在摻量等其他條件相同時(shí)，直徑較小的纖維間距更小，具有更好的阻裂效果，但是在本試驗(yàn)中不同直徑纖維沒(méi)有體現(xiàn)出減裂效果上的差異.為進(jìn)一步探索原因，筆者將束狀纖維插入環(huán)氧樹脂膠水中，待凝固后，用刀片沿垂直于纖維方向切下，在掃描電鏡下觀察了纖維截面形狀，結(jié)果如圖9所示.

從圖9(a)，(b)可知：2種纖維的截面都不是圓形，而是類似于紡錘形，對(duì)于此類截面為非圓形的纖維，在考慮直徑的影響時(shí)采用當(dāng)量直徑更為準(zhǔn)確；另一方面，在纖維截面的長(zhǎng)度方向，PVA1纖維的截面長(zhǎng)度在40μm以上，而PVA2纖維在20μm左右，PVA1纖維在此方向上的長(zhǎng)度是PVA2纖維的2倍以上.在目前測(cè)試手段下可知，PVA2纖維的當(dāng)量直徑同樣小于PVA1纖維.直徑不同的纖維在卷曲程度上存在差異，較細(xì)的纖維容易卷曲，纖維在砂漿中卷曲之后，其有效作用長(zhǎng)度減小，減裂效果會(huì)受到影響.因此，直徑更細(xì)的纖維會(huì)因?yàn)橛行ё饔瞄L(zhǎng)度的降低而無(wú)法體現(xiàn)更好的減裂效果，甚至比直徑更粗但卷曲程度較小的纖維減裂率更低.從當(dāng)前的試驗(yàn)結(jié)果出發(fā)，后續(xù)一方面可以考慮采用當(dāng)量直徑來(lái)表征異形截面纖維的直徑，從而取得更為準(zhǔn)確的結(jié)果；另一方面還可以采用三維重構(gòu)等手段對(duì)砂漿中纖維的卷曲程度進(jìn)行表征，綜合考慮直徑大小和卷曲程度對(duì)纖維減裂效果的影響；再者，還要設(shè)法與纖維廠家聯(lián)系取得其長(zhǎng)絲樣品，對(duì)纖維彈性模量、抗拉強(qiáng)度等進(jìn)行校核性測(cè)試，以排除纖維彈性模量存在差異時(shí)對(duì)其直徑作用效果的干擾.

圖9 掃描電鏡下的纖維橫截面Fig.9 SEM micrographs of fiber cross-section

2.3.4纖維性能

在相同的試驗(yàn)條件下，采用長(zhǎng)度為12mm的PVA1和PVA3纖維(前者的彈性模量是42GPa，后者的彈性模量是31GPa)，纖維摻量均設(shè)定為1.0kg/m3.按照前述試驗(yàn)方法進(jìn)行圓環(huán)試驗(yàn)，所得試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示.

圖10 纖維性能對(duì)砂漿硬化開裂的影響Fig.10 Effect of fiber property on hardening shrinkage cracking of mortar

由圖10可以看出：摻加PVA1纖維的砂漿試件開裂權(quán)重值最小，減裂率最高.可知在硬化階段彈性模量高的纖維減裂效果更好.分析其原因，筆者認(rèn)為是纖維和水泥基材料形成了一個(gè)共同的作用體系，在接受外力作用時(shí)，二者同時(shí)受力，彈性模量高的纖維在同樣的應(yīng)力下應(yīng)變更小，有利于抵抗裂縫的發(fā)生與發(fā)展.不同于塑性階段的是，硬化階段水泥基材料的彈性模量更高，約30GPa左右，此時(shí)高于水泥基材料彈性模量的纖維作用會(huì)更大，纖維在此階段彈性模量越高，對(duì)水泥基材料的減裂效果就越好.

2.3.5纖維品種

采用低彈性模量(3.5GPa)的PP纖維和高彈性模量(42GPa)的PVA1纖維，在纖維摻量均為1.0kg/m3，其他試驗(yàn)條件完全相同時(shí)，分別測(cè)試摻入2種纖維后水泥基材料硬化早期收縮開裂的權(quán)重值和減裂率，所得試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示.

圖11 纖維種類對(duì)砂漿硬化開裂的影響Fig.11 Effect of fiber species on hardening shrinkage cracking of mortar

從圖11中可知：摻入PP纖維的圓環(huán)試件開裂權(quán)重值要高于摻PVA1纖維的圓環(huán)試件，高彈性模量的PVA1纖維減裂率要比PP纖維高1倍以上.不同于塑性階段的是，硬化階段高性能PVA纖維體現(xiàn)出了明顯的減裂優(yōu)勢(shì).筆者認(rèn)為主要原因是硬化階段水泥基材料的彈性模量很高，約30GPa，若2種纖維與基體的黏結(jié)均良好時(shí)，高于水泥基材料彈性模量的纖維在共同受力時(shí)因變形小可以約束基體的變形，而彈性模量低于基體自身的纖維則不能起到約束基體變形的作用.因此，纖維在此階段性能越高，對(duì)水泥基材料的減裂效果越好.PP纖維的彈性模量為 3.5GPa 左右，遠(yuǎn)小于水泥基材料的硬化彈性模量，而PVA1纖維的彈性模量為42GPa，高于硬化階段水泥基材料的彈性模量.因此，高彈性模量的PVA1纖維表現(xiàn)出更好的減裂效果.另一方面，如果2種纖維與基體的黏結(jié)情況有差異，極端地考慮高性能PVA纖維與基體的界面結(jié)合力為零，而PP纖維與基體的黏結(jié)良好，則可能出現(xiàn)彈性模量較低的PP纖維反而表現(xiàn)出更好的減裂效果.對(duì)于2種纖維與基體的界面結(jié)合力不同的其他情況，則相對(duì)復(fù)雜，應(yīng)結(jié)合材料彈性模量進(jìn)行綜合分析，筆者后續(xù)會(huì)開展此方面的研究.

3 結(jié)論

(1)高性能PVA纖維摻量增加、長(zhǎng)度增長(zhǎng)時(shí)，砂漿塑性收縮開裂權(quán)重值呈現(xiàn)線性降低；纖維直徑越細(xì)，減裂效果越好；彈性模量不同的纖維在塑性階段的減裂效果并沒(méi)有明顯差異.

(2)高性能PVA纖維摻量增加，長(zhǎng)度增加時(shí)，砂漿減裂率顯著提高，并呈現(xiàn)線性增加；直徑不同的PVA1和PVA2纖維在減裂效果上差異不大，具體原因有待進(jìn)一步研究；高性能PVA纖維較之低彈性模量纖維具有更優(yōu)異的硬化減裂效果.

(3)在同摻量、同長(zhǎng)度的情況下，高性能PVA纖維的硬化減裂效果明顯優(yōu)于低彈性模量的PP纖維.