天然纖維/環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土的濕熱老化強(qiáng)度模型研究

劉 海

(河南省濮衛(wèi)高速公路有限公司，河南濮陽(yáng) 457000)

作為標(biāo)準(zhǔn)的聚合物混凝土，環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土的主要優(yōu)勢(shì)在于其抗壓縮性能較好［1］，具有優(yōu)異的耐腐蝕性能與固化效率，被廣泛應(yīng)用在建筑工程、公路橋梁工程、航天與體育器材等領(lǐng)域［2］，具有良好的應(yīng)用市場(chǎng)。但環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土依舊存在一定的缺陷，即其拉伸強(qiáng)度存在一定局限性［3］，這一局限性導(dǎo)致其抗彎強(qiáng)度存在明顯缺陷，令其存在受拉區(qū)域過(guò)早破壞以及內(nèi)部具有不明顯裂紋的現(xiàn)象［4］。

針對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土存在的問(wèn)題，相關(guān)研究人員通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)研究，將纖維物質(zhì)添加到環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土內(nèi)，能夠有效改善混凝土內(nèi)部裂紋的問(wèn)題，提升其抗彎強(qiáng)度［5-6］。天然纖維是當(dāng)前備受關(guān)注的環(huán)保型工程材料，相較于合成纖維與鋼纖維等，其主要優(yōu)勢(shì)在于作為農(nóng)副產(chǎn)品，價(jià)格較低，綠色環(huán)保等［7-8］。將天然纖維添加到環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土內(nèi)，能夠制備出天然纖維/環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土，該混凝土的力學(xué)性能更優(yōu)。但天然纖維對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的作用具有極度復(fù)雜性［9］，將其添加到環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土中，在應(yīng)用時(shí)將對(duì)于周邊環(huán)境的穩(wěn)定性提出更高要求［10］。當(dāng)前針對(duì)天然纖維/環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土在應(yīng)用環(huán)境下的濕熱老化的研究并不多見(jiàn)。基于此，研究天然纖維/環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土的濕熱老化強(qiáng)度模型，希望為后續(xù)天然纖維/環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 混凝土制備材料

天然纖維/環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土制備過(guò)程中所使用的材料主要包括：天然纖維、環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑、骨料和填料。

（1）天然纖維為新西蘭麻葉纖維(天然植物纖維)與棕櫚葉纖維(天然植物纖維)。利用分析天平與萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)分別檢測(cè)新西蘭麻葉纖維與棕櫚葉纖維的密度、直徑與力學(xué)性質(zhì)，見(jiàn)表1。

表1 天然纖維的密度、直徑與力學(xué)性質(zhì)Table 1 Density, diameter and mechanical properties of natural fibers

（2）環(huán)氧樹(shù)脂型號(hào)為WSR618A，工業(yè)級(jí)，廊坊進(jìn)祿防腐材料有限公司生產(chǎn)，環(huán)氧當(dāng)量與環(huán)氧值分別為200g/mol和0.52±0.04，粘度和密度分別為13000±3000 mPa·s和 1.1g/cm3。

（3）固化劑為QS-3218HB，工業(yè)級(jí)，北京金島奇士材料科技有限公司生產(chǎn)，其密度與黏度分別為0.996 g/cm3和 150±50 Pa·s。

（4）骨料產(chǎn)自于內(nèi)鄉(xiāng)恒遠(yuǎn)石業(yè)有限公司，其中細(xì)骨料與粗骨料比例分別為45%和55%。細(xì)骨料粒徑均值小于4.80mm，細(xì)度模數(shù)與密度分別為2.9與2750kg/m3；粗骨料粒徑均值在4.80～5.00 mm之間。

（5）以鄭州軒泰自動(dòng)化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的白水泥為填料。

1.2 混凝土試件制備

在制備天然纖維/環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土前，需先將新西蘭麻葉纖維與棕櫚葉纖維置于氫氧化鈉溶液內(nèi)浸泡，溶液溶度與浸泡時(shí)間分別為1%和0.5h。取出兩種纖維后，利用清水超聲清洗兩種纖維［10］，晾干后將兩種纖維切成長(zhǎng)度分別為7mm、10mm和13mm的短纖維。

利用環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑與稀釋劑合成膠粘劑，三者質(zhì)量比為 4：1：1.2。以質(zhì)量比7：1：1為標(biāo)準(zhǔn)將骨料、填料與膠粘劑混合，設(shè)定天然纖維體積參數(shù)為0.20%，根據(jù)不同纖維長(zhǎng)度，通過(guò)攪拌制備天然纖維/環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土試件，不同纖維長(zhǎng)度試件（包括未添加天然纖維的試件）均制備3個(gè)，共12個(gè)試件。

試件制備具體過(guò)程：(1)清洗骨料，并晾干備用；(2)依照設(shè)定質(zhì)量比將不同組分材料稱重配比；(3)將骨料與填料攪拌均勻后添加天然纖維；(4)在攪拌均勻的膠粘劑內(nèi)加入攪拌好的骨料、填料與天然纖維；(5)在攪拌均勻的混凝土料體內(nèi)加入固化劑，設(shè)定攪拌時(shí)間為60s；(6)清洗模具，將混凝土料體倒入其中，振動(dòng)排出氣泡；(7)室溫環(huán)境下養(yǎng)護(hù)處理，設(shè)定時(shí)間為24h，制備試件，并在27天后檢測(cè)各試件性能。

1.3 濕熱老化強(qiáng)度模型構(gòu)建

1.3.1 濕熱老化環(huán)境設(shè)定

依照區(qū)域范圍內(nèi)的年太陽(yáng)輻射均值、年太陽(yáng)輻射總量與年紫外線輻射量情況，采用紫外光耐氣候試驗(yàn)箱對(duì)所制備的不同試件實(shí)施熱加速老化測(cè)試。試驗(yàn)箱內(nèi)燈管數(shù)量為8根，各燈管額定功率為12W，以Ie表示測(cè)試過(guò)程中試件表層獲取的紫外光強(qiáng)度均值，其計(jì)算公式如下：

老化測(cè)試過(guò)程在仿真光照的同時(shí)，還仿真了白天與夜晚的溫度轉(zhuǎn)換［11］。確定等效一年紫外光老化的試驗(yàn)時(shí)間t。設(shè)定最長(zhǎng)等效老化時(shí)間為7年，表2內(nèi)列出試驗(yàn)老化時(shí)間與等效的實(shí)際老化時(shí)間對(duì)照情況。

表2 老化時(shí)間對(duì)照情況Table 2 Comparison of aging time

通過(guò)紫外光功率、溫度與濕度這三個(gè)參數(shù)的不間斷波動(dòng)能夠仿真顯示區(qū)域范圍內(nèi)的白晝交替情況。依照非金屬材料在外界環(huán)境中的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)［12］，設(shè)定環(huán)境控制參數(shù)的循環(huán)周期、溫度上限值與相對(duì)濕度分別為4h、55℃和區(qū)域相對(duì)濕度上限值的85%。

為獲取各試件老化過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)結(jié)果，確定天然纖維/環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土的老化過(guò)程。在測(cè)試過(guò)程中任意確定若干個(gè)老化時(shí)間點(diǎn)。并且各組測(cè)試過(guò)程均重復(fù)10次，在確定性能表征結(jié)果時(shí)以10次測(cè)試結(jié)果均值為準(zhǔn)，以此提升測(cè)試結(jié)果精度。

1.3.2 力學(xué)性能測(cè)試

對(duì)所制備的試件進(jìn)行切割處理，將各試件切割成長(zhǎng)寬高分別為10cm、10nm和50cm的長(zhǎng)方體。依照相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)［13］，在室溫環(huán)境下，利用萬(wàn)能電子壓力試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試各試件的力學(xué)性能。

抗壓強(qiáng)度Yc計(jì)算公式如下：

式（2）中，F(xiàn)z和S分別表示試件壓縮破壞時(shí)所承受的荷載上限值與試件的截面面積。

抗彎強(qiáng)度Yb計(jì)算公式如下：

式（3）中，P和L分別表示載荷上限值與跨徑，b和h分別表示試件寬度和高度。

利用式（4）能夠描述Yb對(duì)應(yīng)的應(yīng)變：

式（4）中，f表示試件同夾頭接觸點(diǎn)的擾度值。

1.3.3 質(zhì)量波動(dòng)檢測(cè)

依照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)所制備試件進(jìn)行質(zhì)量增長(zhǎng)率測(cè)試［14］。對(duì)各試件進(jìn)行真空干燥處理，將處理后的試件放置在恒溫恒濕試驗(yàn)箱內(nèi)，每隔固定時(shí)間取出試件吸取試件表層多余水分，通過(guò)電子分析天平檢測(cè)各試件質(zhì)量波動(dòng)情況。

1.3.4 濕熱老化強(qiáng)度模型

根據(jù)抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、質(zhì)量波動(dòng)率以及老化時(shí)間，構(gòu)建濕熱老化強(qiáng)度模型，公式描述如下：

式（5）中，Y（t）表示濕熱老化強(qiáng)度，t表示老化時(shí)間；r表示關(guān)于試件壽命的時(shí)間特征；Zl表示試件濕熱老化條件下的質(zhì)量波動(dòng)率。

2 測(cè)試結(jié)果

2.1 天然纖維長(zhǎng)度對(duì)力學(xué)性能的影響

表3所示為不同天然纖維長(zhǎng)度條件下所制備各試件的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。分析得到，在天然纖維長(zhǎng)度分別為7mm、10mm和13mm的條件下，所制備各試件的抗壓強(qiáng)度波動(dòng)范圍在69.0～86.0 MPa之間，而劈裂抗拉強(qiáng)度與抗彎強(qiáng)度值的波動(dòng)范圍分別為9.0～12.6 MPa和12.9～14.3 MPa之間；同未添加天然纖維的試件相比，均有不同程度的提升。并且隨著天然纖維長(zhǎng)度的提升，各試件的各項(xiàng)力學(xué)性能提升幅度呈階梯式上升趨勢(shì)。測(cè)試結(jié)果說(shuō)明通過(guò)在混凝土內(nèi)添加天然纖維能夠提升其力學(xué)性能，同時(shí)，所添加天然纖維長(zhǎng)度與試件力學(xué)性能提升幅度之間呈正比例相關(guān)，也就是添加13mm長(zhǎng)度天然纖維的試件力學(xué)性能最好，因此后續(xù)試驗(yàn)中均以添加13mm天然纖維的試件為例。

表3 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results of mechanical properties

2.2 破壞形式

以添加13mm長(zhǎng)度天然纖維的試件為例，對(duì)其進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，圖1所示為試件斷裂面情況。

圖1 試件抗壓縮測(cè)試結(jié)果Fig.1 Compressive test results of specimen

在圖1(a)所示的抗壓縮測(cè)試下，添加13mm長(zhǎng)度天然纖維的試件受荷載影響產(chǎn)生裂紋。分析試件外部裂紋形態(tài)［圖1(b)］與試件內(nèi)部的裂紋形態(tài)［圖1(c)］可知，受載荷影響下，試件的裂紋發(fā)展方向與試件測(cè)試過(guò)程中壓縮方向大致相同，不存在明顯的貫穿試件的橫向裂紋，這表示在抗壓縮測(cè)試過(guò)程中，添加13mm長(zhǎng)度天然纖維的試件在荷載影響下形成裂紋破壞的主要因素為橫向的拉應(yīng)力與拉應(yīng)變，受剪力作用并不顯著。

2.3 老化溫度對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響

抗彎強(qiáng)度是天然纖維/環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土實(shí)際應(yīng)用性能評(píng)估的主要強(qiáng)度參數(shù)。以添加13mm長(zhǎng)度天然纖維的試件為例，分析不同試驗(yàn)過(guò)程中老化溫度對(duì)試件抗彎強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 老化溫度對(duì)試件抗彎強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of aging temperature on bending strength of specimen

分析圖2得到，在進(jìn)行老化測(cè)試前，添加13mm長(zhǎng)度天然纖維的試件抗彎強(qiáng)度均值為14.18MPa。在老化測(cè)試時(shí)間逐漸延長(zhǎng)的條件下，試件抗彎強(qiáng)度逐漸下降，這說(shuō)明老化測(cè)試時(shí)間與試件抗彎強(qiáng)度之間呈反比例相關(guān)。在老化測(cè)試的前15天中，添加13mm長(zhǎng)度天然纖維的試件抗彎強(qiáng)度下降速度較為顯著，在后12天，抗彎強(qiáng)度下降速度相對(duì)平緩。

同時(shí)，分析圖2還能夠得到，老化處理過(guò)程中溫度越高，添加13mm長(zhǎng)度天然纖維的試件抗彎強(qiáng)度下降越快，這說(shuō)明老化溫度同試件抗彎強(qiáng)度下降速度之間呈正比例相關(guān)。

在不同老化溫度下，試件的抗彎強(qiáng)度逐漸下降的主要原因是試驗(yàn)環(huán)境內(nèi)的水分被試件中的環(huán)氧樹(shù)脂所吸收，對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂內(nèi)部處于平穩(wěn)狀態(tài)的分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，降低了大分子鏈之間的相互影響程度，令分子結(jié)構(gòu)內(nèi)的自由體積有所提升，造成交聯(lián)密度降低，即試件內(nèi)環(huán)氧樹(shù)脂基體分子間應(yīng)力傳遞功能受到消極影響，而試件內(nèi)的環(huán)氧樹(shù)脂是構(gòu)成膠粘劑的主要成分，因此最終導(dǎo)致試件的抗彎強(qiáng)度降低。

2.4 老化溫度對(duì)試件質(zhì)量的影響

以添加13mm長(zhǎng)度天然纖維的試件為例，分析不同試驗(yàn)過(guò)程中老化溫度對(duì)試件質(zhì)量的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 老化溫度對(duì)試件質(zhì)量的影響Fig.3 Influence of aging temperature on specimen mass

分析圖3得到，在老化處理過(guò)程的前18天，添加13mm長(zhǎng)度天然纖維的試件的質(zhì)量均呈現(xiàn)顯著上升的趨勢(shì)，質(zhì)量增長(zhǎng)率均在34.0%左右。老化處理的第18天開(kāi)始，試件的質(zhì)量增長(zhǎng)率提升速度變緩慢，這一現(xiàn)象與Fick定理所描述內(nèi)容相匹配，也就是老化處理測(cè)試的初始階段，試件的吸濕量提升速度較快，在后期相對(duì)變緩，直至飽和狀態(tài)為止。

同時(shí)分析圖3還能夠得到，老化處理測(cè)試過(guò)程中，老化溫度越高，添加13mm長(zhǎng)度天然纖維的試件質(zhì)量增長(zhǎng)速度越高，這表明老化溫度同試件質(zhì)量增長(zhǎng)速度間具有正相關(guān)性。并且老化溫度越高，試件飽和吸濕量越大。

試件內(nèi)主要吸濕的成分為環(huán)氧樹(shù)脂，在環(huán)氧樹(shù)脂內(nèi)，水分子處于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，同時(shí)，在空隙以及部分缺陷內(nèi)產(chǎn)生匯聚現(xiàn)象；環(huán)氧樹(shù)脂內(nèi)的極性基團(tuán)同所吸收的部分水分子相結(jié)合，由此構(gòu)建自由平穩(wěn)運(yùn)行的化學(xué)鍵，通過(guò)結(jié)合水分子的方式存留在試件內(nèi)。被吸收的水分子在環(huán)氧樹(shù)脂基內(nèi)逐漸擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所形成的滲透壓令自身內(nèi)部形成裂紋等不同類別的形態(tài)改變，導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂水解，分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，造成試件內(nèi)環(huán)氧樹(shù)脂形成不可逆轉(zhuǎn)的破壞。

2.5 天然纖維體積摻量對(duì)試件抗彎強(qiáng)度的影響

通過(guò)分析試件內(nèi)天然纖維含量對(duì)試件抗彎強(qiáng)度的影響程度，能夠確定最優(yōu)的天然纖維添加量，由此在保障試件性能的同時(shí)，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。利用四點(diǎn)彎曲測(cè)試方法測(cè)試天然纖維體積參數(shù)分別為0%、1.0%、2.0%和3.0%條件下試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線，所得結(jié)果如圖4所示，基于試件的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算試件的抗彎強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表4。

圖4 不同天然纖維體積參數(shù)試件彎拉應(yīng)力與應(yīng)變曲線Fig.4 Curves of bending and tensile stress and strain of specimens with different natural fiber volume parameters

表4 不同天然纖維體積參數(shù)試件的抗彎強(qiáng)度Table 4 Bending strength of specimens with different natural fiber volume parameters

分析表4得到，未添加天然纖維的試件抗彎強(qiáng)度為13.01±0.07 MPa，與未添加天然纖維的試件相比，添加天然纖維能夠提升試件的抗彎強(qiáng)度。在天然纖維體積參數(shù)為1%的條件下，試件抗彎強(qiáng)度顯著提升，達(dá)到13.57±0.06 MPa；在天然纖維體積參數(shù)為2%的條件下，試件抗彎強(qiáng)度提升幅度依舊較高，達(dá)到14.14±0.08 MPa。隨著天然纖維體積參數(shù)的繼續(xù)提升，試件的抗彎強(qiáng)度同樣呈現(xiàn)提升趨勢(shì)，但提升幅度較小，在天然纖維體積參數(shù)分別達(dá)到3%的條件下，試件的抗彎強(qiáng)度僅提升至14.19±0.11 MPa。由此說(shuō)明在試件內(nèi)添加體積參數(shù)為2%的天然纖維最為科學(xué)。

2.6 模型擬合結(jié)果

將本文所研究的濕熱老化強(qiáng)度模型應(yīng)用于試件的濕熱老化強(qiáng)度研究里，通過(guò)參數(shù)擬合得到圖5所示的擬合結(jié)果。基于圖5得到老化試驗(yàn)的擬合結(jié)果，見(jiàn)表5。

圖5 強(qiáng)度保持率擬合結(jié)果Fig.5 Fitting results of strength retention rate

表5 老化試驗(yàn)擬合結(jié)果Table 5 Fitting results of aging test

分析表5得到，兩者的r值差異較小，擬合優(yōu)度R2高于0.95，由此說(shuō)明本文模型擬合效果較好，可應(yīng)用性較高。

3 結(jié)論

本文研究天然纖維/環(huán)氧樹(shù)脂-混凝土的濕熱老化強(qiáng)度模型，利用新西蘭麻葉纖維、棕櫚葉纖維與環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑、骨料和填料等制備混凝土試件，在設(shè)定的試驗(yàn)條件下檢測(cè)各試件的各項(xiàng)性能，并基于試件的彎曲強(qiáng)度與暴露時(shí)間構(gòu)建濕熱老化強(qiáng)度模型。

（1）隨著天然纖維長(zhǎng)度的提升，各試件的各項(xiàng)力學(xué)性能提升幅度呈階梯式上升趨勢(shì)。

（2）試件在荷載影響下形成裂紋破壞的主要因素為橫向的拉應(yīng)力與拉應(yīng)變，受剪力作用并不顯著。

（3）老化溫度同試件抗彎強(qiáng)度下降速度與質(zhì)量增長(zhǎng)速度間具有正比例相關(guān)性。

（4）在試件內(nèi)添加體積參數(shù)為2%的天然纖維最為科學(xué)。

（5）本文模型擬合優(yōu)化高于0.95。