短切聚酰亞胺纖維增強混凝土性能*

李 特,田啟超

(1.楊凌職業技術學院,陜西 楊凌 712100;2.中國電建集團 北京勘測設計研究院有限公司,北京 100024)

混凝土因具有較高的抗壓強度、良好的環境適應性及較低的價格成為應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,抗拉強度較差。根據斷裂韌性值,鋼的抗裂紋擴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存在缺陷和微裂縫,這為有害物質提供了容易進入的途徑,導致過早飽和、凍融損傷、結垢、變色和基材腐蝕。這一點在增強混凝土的應用中尤為突出,因為隨著混凝土強度的不斷提高,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度和收縮裂縫,還能提高混凝土抗壓強度、耐久性、疲勞壽命、抗沖擊和耐介質等性能[4]。

聚酰亞胺纖維由于具有優異的熱穩定性、良好的化學穩定性和優異的力學性能受到廣泛關注,在航空航天、軍事和原子能等方面得到了廣泛的應用[5]。隨著聚酰亞胺合成技術的日趨成熟,其成本大幅度降低,因此得到學者更多的關注。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,因此又限制了聚酰亞胺纖維在先進復合材料領域中的應用[6]。為滿足混凝土更高的指標和使用范圍,作者對聚酰亞胺纖維增強混凝土進行了研究。通過對聚酰亞胺纖維表面改性,增強聚酰亞胺纖維潤濕分散性,并摻雜到混凝土中以提高混凝土的各項性能。

1 實驗部分

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,南京宏乾環保工程有限公司;減水劑:濟南山海化工科技有限公司;粗集料(碎石):粒徑5～25 mm,連續級配,w(泥)=0.3%,細集料(洗凈晾干標準河沙):模數2.25,市售;短切聚酰亞胺纖維:長度20 mm,直徑6～8 μm,江蘇先諾新材料科技有限公司。

磷酸:質量分數85%,乙醇:上海化學試劑公司;硅烷偶聯劑KH-570:阿拉丁生物科技有限公司;丙酮:國藥化學試劑;以上試劑均為分析純;自來水:市售。

掃描電子顯微鏡:Zeiss Sigma HV,德國蔡司公司;壓力機:YAD-3000,長春科新試驗儀器有限公司;電子天平:JT1003A,上海精天電子儀器有限公司;數控超聲波清洗器:KQ3200DE,昆山市超聲儀器有限公司;鼓風干燥箱:DHG-901A,上海一恒科學儀器有限公司;臺秤:TCS-W(XSB),上海臺邁衡器有限公司;砂漿攪拌器:UJ-15,河北初陽試驗儀器有限公司;砼氯離子擴散系數測定儀:RCM-6,振動試驗平臺:HZJ-A,盛世慧科檢測設備有限公司。

1.2 實驗方法

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 纖維增強混凝土的制備

不同配方的實驗配比見表1。

表1 不同配方的實驗配比

根據表1的比例準確稱取相關原材料,將水泥、粉煤灰、碎石和河沙依次倒入砂漿攪拌器中,啟動電機預拌5 min,以確保原材料混合均勻。在繼續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狀態。少量多次加入改性后的短切聚酰亞胺纖維并持續攪拌至均勻狀態。最后根據實驗要求,將攪拌均勻的砂漿制備成相應的試件,并用振動臺將試件振動密實排除空氣,放入養護箱中標準養護28 d后進行測試。m(水)∶m(膠)=0.4,w(砂)=40%,以此為基礎配方設計混凝土配比。

1.2.4 性能測試

(1)根據國標GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》[7]開展膠砂流動度的測試。

(2)根據國標GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》[8]開展混凝土的抗壓強度、抗折強度和劈裂抗拉強度的測試。其中抗壓強度和劈裂抗拉強度的混凝土試件尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm,抗折強度的混凝土試件尺寸均為150 mm×150 mm×600 mm。

(3)按照國標GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[9],采用混凝土氯離子擴散系數快速測定法(RCM法)測試其養護28d的氯離子擴散系數。試件為高50 mm、直徑100 mm的圓柱體。

2 結果與討論

2.1 短切聚酰亞胺纖維表面改性

聚酰亞胺纖維化學穩定性好、強度高、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,需要對其進行化學改性以改善與基材的結合性和分散性[11]。研究表明,聚酰亞胺纖維經過磷酸處理后,在其表面能夠生成羥基、羧基及羰基等極性基團[12]。而硅烷偶聯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合性,機理見圖1。

圖1 聚酰亞胺纖維接枝改性機理圖

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,聚酰亞胺纖維經過磷酸溶液處理后,表面被輕度刻蝕,出現孔洞和溝壑,變得明顯粗糙,說明磷酸溶液能夠對聚酰亞胺纖維進行有效地刻蝕;由圖2c可知,經過硅烷偶聯劑KH-570改性后,聚酰亞胺纖維表面被包覆,說明硅烷偶聯劑KH-570已經成功改性聚酰亞胺纖維。

2.2 聚酰亞胺纖維對混凝土流動性的影響

不同實驗配方混凝土的流動度見圖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度均呈下降趨勢。這是因為隨著w(聚酰亞胺纖維)增加,阻礙了混凝土顆粒的運動,且在攪拌過程中w(聚酰亞胺纖維)較大時容易引起纖維局部發生纏繞、團聚,降低了混凝土的流動性。由圖3還可知,同等質量分數下經過表面改性后的聚酰亞胺纖維混凝土流動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,能夠降低發生纏繞、團聚的可能性。

2.3 聚酰亞胺纖維對混凝土抗壓強度的影響

不同實驗配方混凝土的抗壓強度見圖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度約為45 MPa,隨著w(聚酰亞胺纖維)增加,抗壓強度呈先增加后降低的趨勢。w(聚酰亞胺纖維)=0.8%,混凝土的抗壓強度均達到最高,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度,這是因為其阻礙了混凝土裂縫的發展,混凝土在受到較大的壓縮載荷時會產生一個橫向的力,使混凝土產生微裂縫并發展為大裂縫,當裂縫的擴展碰到混凝土內的纖維,纖維與混凝土之間的結合力會降低裂縫尖端的應力集中[14],降低裂縫發展。改性后的聚酰亞胺纖維與混凝土之間的結合力和分散性更好,因此抗壓強度要優于未改性的聚酰亞胺纖維。

2.4 聚酰亞胺纖維對混凝土劈裂抗拉強度的影響

不同實驗配方混凝土的劈裂抗拉強度見圖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度為3.2 MPa,隨著w(聚酰亞胺纖維)增加,混凝土的劈裂強度呈先上升后下降的趨勢。w(聚酰亞胺纖維)=0.8%,混凝土的劈裂強度均達到最高,未改性為5.9 MPa,改性后為6.3 MPa。這是因為隨著w(聚酰亞胺纖維)增加,在混凝土內的分散程度和結合力增加。w(聚酰亞胺纖維)達到一定數值,纖維在混凝土內的分散程度達到最佳,從而使裂縫產生的數量顯著降低,因此劈裂強度達到最高值。w(聚酰亞胺纖維)繼續增大,混凝土的部分纖維發生纏繞、團聚,產生部分微小空隙,增加了裂縫產生的幾率,使劈裂強度降低。而經過表面改性后的聚酰亞胺纖維在混凝土內的分散效果更優,因此劈裂抗拉強度高于未改性纖維的混凝土。

2.5 聚酰亞胺纖維對混凝土抗折強度的影響

不同實驗配方混凝土的抗折強度見圖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度為3.7 MPa,隨著w(聚酰亞胺纖維)增加,混凝土的抗折強度逐漸增加并趨于平緩上升。這是由于當混凝土受力發生彎折時,會有大量的單元發生損傷、破壞并發展成裂紋,同時分散在混凝土內的纖維受力被拔出[15]。這不僅延長了裂縫擴散路徑,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度。隨著w(聚酰亞胺纖維)增加,混凝土與之的結合力增加,從而使混凝土的抗折強度隨之增加。

2.6 聚酰亞胺纖維對混凝土Cl-擴散系數的影響

Cl-擴散系數表示Cl-從混凝土孔隙溶液中擴散出去的能力,對于評價混凝土的耐久性有重要意義[16]。不同實驗配方下混凝土的Cl-擴散系數見圖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-擴散系數表現為先下降后上升的狀態,w(聚酰亞胺纖維)=0.8%,混凝土的Cl-擴散系數均達到最低,未改性為2.3×10-15m2/s,改性后為2.2×10-15m2/s。明顯小于常規混凝土Cl-擴散系數(10-12)的級別[17],這是由于纖維的摻雜使Cl-擴散通道變得更為復雜,從而降低了Cl-擴散的能力。纖維在混凝土達到最佳分布狀態時,Cl-的擴散系數也達到了最小,隨著w(聚酰亞胺纖維)的繼續增加,纖維在混凝土內出現了部分團聚現象,反而增加了部分孔隙,提高了Cl-的擴散能力。

3 結 論

在混凝土中添加不同質量分數的短切聚酰亞胺纖維,通過測試混凝土的流動度、抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度和Cl-擴散系數等研究聚酰亞胺纖維對混凝土力學性能的影響。通過分析,得出以下結論。

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

(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,混凝土的流動度均呈下降趨勢。

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

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

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