侵蝕性離子對PE纖維與水泥基材料界面黏結性能的影響

李格格,田 礫,崔東波,孫曉光,王鵬剛,*

(1.青島理工大學 土木工程學院,青島 266525;2.山東京博環保材料有限公司,濱州 256500)

纖維增強水泥基復合材料具有良好的抗裂性能和耐久性能,可以彌補普通混凝土易開裂、耐久性差的缺陷[1-2]。近年來,纖維增強水泥基復合材料在濱海環境和西部鹽漬土環境中的應用越來越廣泛。然而,環境中的侵蝕性離子會影響纖維增強水泥基復合材料的力學性能[3-4]。張晶[5]發現侵蝕后的水泥基材料表面出現了多條豎向斜裂縫。馬穎彪[6]發現纖維混凝土經過硫酸鹽侵蝕后其抗壓強度和劈裂強度出現了下降的現象。王振波等[7]研究發現ECC的力學性能隨著侵蝕齡期的增長出現應變軟化現象。談亞文等[8]研究發現硫酸鹽侵蝕會降低纖維混凝土的彎曲韌性。應變硬化和彎曲韌性降低的根本原因是纖維與水泥基復合材料界面性能的降低。所以,有必要開展侵蝕性離子對纖維與水泥基復合材料界面性能的影響機制研究,揭示侵蝕環境下纖維增強水泥基復合材料力學性能演變規律。隨著裝配式建筑的發展,混凝土制品的應用越來越廣泛。混凝土制品大多采用蒸汽養護的方式在工廠預制,生產周期短,質量易于控制[9-10],然而養護溫度的提高會影響制品的抗侵蝕性能[11-13]。眾多學者發現養護方式會影響鋼纖維與水泥基材料界面黏結性能[14-16]。蒸汽養護對PVA,PE等合成纖維與水泥基復合材料界面性能的影響,以及侵蝕溶液對界面性能的影響尚不完善。本文通過單纖維拉拔試驗系統研究侵蝕性離子和養護方式對PE纖維與水泥基材料界面黏結性能的影響,研究結果可為耐腐蝕纖維增強水泥基復合材料設計與制備提供理論依據。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料與水泥基復合材料配合比

試驗原材料包括:P·O42.5硅酸鹽水泥;Ⅰ級粉煤灰;石英砂,平均粒徑為96 μm,最大粒徑為200 μm;聚羧酸高效減水劑,減水率為40%;PE纖維,直徑為24 μm,彈性模量為110 GPa;NaCl,Na2SO4化學分析純試劑。水泥基復合材料配合比如表1所示。

表1 水泥基復合材料配合比 kg/m3

1.2 試件制備

采用硬卡紙制作尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的試驗模具,并且在相應位置預留出3 mm深的卡槽以便固定PE纖維,如圖1(a)所示。纖維插入卡槽,在模具外部預留出至少10 cm的長度。將拌和好的水泥基復合材料澆入模具中。部分試件放入混凝土標準養護室標準養護至28 d,其他試件終凝后放入85 ℃蒸汽養護箱中高溫養護3 d。標準養護用S表示,高溫養護用H表示。試驗試件達到上述養護齡期后,使用鋸條在PE纖維埋入深度2 mm位置處鋸斷纖維,且鋸入深度為6 mm左右時停止動作以免鋸斷試件。將露出的PE纖維纏繞在帶有貫通孔的小球上,同時確保小球與試件端部之間預留10 mm的PE纖維,并在小球貫通孔中滴入502膠水,使PE纖維與小球牢固地黏結在一起,如圖1(b)(e)所示。采用熱熔膠將試件表面進行密封,僅留2個平行側面作為暴露面,以確保侵蝕性離子的一維滲透。為防止PE纖維受到侵蝕,影響PE纖維的拉拔性能,用熱熔膠將連接小球的PE纖維擋住,如圖1(c)所示。將處理好的試件分別放入0%,5%,10%的NaCl和Na2SO4溶液中,試件放置方向如圖1(d)所示。侵蝕14,42,70 d后,取出試件并小心去除試件上的熱熔膠。試件自然晾干后,在萬能試驗機上進行單纖維拔出試驗,加載速率為0.5 mm/min,如圖1(f)所示。纖維拔出試驗后試件如圖1(g)所示。

圖1 試件成型與單纖維拔出試驗

2 結果分析與討論

2.1 侵蝕溶液濃度對PE纖維與水泥基復合材料界面黏結性能的影響

圖2 氯鹽和硫酸鹽侵蝕14 d后PE纖維拔出荷載-位移曲線

圖3 氯鹽和硫酸鹽侵蝕42 d后PE纖維拔出荷載-位移曲線

圖4 氯鹽和硫酸鹽侵蝕70 d后PE纖維拔出荷載-位移曲線

2.2 高溫蒸汽養護對PE纖維與水泥基復合材料界面黏結性能的影響

水中浸泡試件的PE纖維拔出荷載-位移曲線如圖5所示。由圖5可知,試件在水中浸泡14和42 d后,85 ℃高溫蒸汽養護試件的PE纖維拔出荷載-位移曲線略低于標準養護試件。這是因為,提高養護溫度會加速水泥顆粒的水化速率,短時間內大量水化產物無序沉淀搭接[19]。因此,85 ℃高溫蒸汽養護會粗化水泥基復合材料內部孔隙,造成水泥基復合材料強度損失。此外,隨著試件浸泡時間的增加,PE纖維的最大拔出荷載逐漸增大。這主要來源于試件內部未水化水泥顆粒的繼續水化。然而,85 ℃高溫蒸汽養護3 d的試件內部未水化水泥顆粒多于標準養護28 d的試件,蒸汽養護試件繼續水化程度略大于標準養護,從而使得試件在水中浸泡70 d后,85 ℃高溫蒸汽養護試件的PE纖維拔出荷載-位移曲線與標準養護試件曲線基本吻合。

3 結論

1) 氯鹽或硫酸鹽侵蝕14 d后,PE纖維與水泥基材料界面最大拔出荷載隨著侵蝕離子濃度的增加而增大。侵蝕42 d后,PE纖維與水泥基材料界面最大拔出荷載隨著侵蝕溶液濃度的增大先增大后減小。侵蝕70 d后,PE纖維與水泥基材料界面最大拔出荷載隨著侵蝕溶液濃度的增大而減小。

3) 養護方式、侵蝕齡期和溶液濃度對PE纖維拔出能的影響規律與對PE纖維與水泥基材料界面最大拔出荷載影響規律基本一致。