纖維－基體早齡期界面性能的影響因素

陽知乾，李長風，劉建忠

(江蘇省建筑科學研究院有限公司高性能土木工程材料國家重點實驗室，江蘇南京210008)

塑性收縮開裂是混凝土結(jié)構(gòu)中常見的問題，三維隨機分散的合成纖維，可有效控制水泥基復合材料(Fiber Reinforced Cementitious Composites，F(xiàn)RCC)的塑性收縮開裂，這些纖維產(chǎn)生橫跨裂縫的橋接力，并阻止裂縫的發(fā)展［1］.而纖維抗裂效果的充分發(fā)揮，在很大程度上與纖維－基體的界面性能密切相關(guān).

纖維剝離和滑動等界面黏結(jié)性能對水泥基復合材料的承載和變形能力有顯著的影響.因此，研究纖維與基體之間的界面黏結(jié)性能，有利于獲得綜合性能更好的纖維增強水泥基復合材料.許多研究人員研究和模擬界面黏結(jié)性能對抗裂［2］及耐久性［3］的影響.單纖維拉出試驗是界面黏結(jié)性能最常用的評價方法，已有單絲拔出試驗的研究基本集中在使用高強度纖維、非微細合成纖維及硬化基體中［4－6］.對微細合成纖維而言，還存在難以固定、拔出載荷非常小而難以測定、纖維被拉斷而不能獲得相應(yīng)的載荷－位移全曲線等問題，相關(guān)報道甚少.

筆者利用自行改造的設(shè)備，評估微細合成纖維從塑性狀態(tài)的水泥基體中的單絲拔出行為，重點考察齡期、埋入深度、基體特征、纖維種類及是否改性之間的差異對界面性能的影響規(guī)律，相應(yīng)的研究結(jié)果可以更好地了解合成纖維在早齡期水泥基復合材料中的界面性能及抗裂作用機理.

1 試驗

1.1 試驗原材料與配合比

P·Ⅱ 52.5普通硅酸鹽水泥，江南小野田有限公司生產(chǎn);PCA－IV聚羧酸系高性能減水劑，江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)，固含量30%;普通及改性聚丙烯與聚乙烯醇纖維，江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)，其基本性能參數(shù)見表1，單絲拔出試驗用漿配合比見表2.

表1 纖維的基本性能

表2 配合比

1.2 測試與表征

在自行改造的測試裝置［7］上開展單絲纖維拔出試驗，用以評價纖維與基體的界面黏結(jié)性能.該測試裝置如圖1所示，采用計算機程序控制傳動系統(tǒng)，帶動合成纖維從水泥基體中拔出;通過測試傳感器實時感應(yīng)纖維拔出端的力，獲得完整的合成纖維拔出荷載－位移曲線，整個過程由計算機操作完成，保證了測試結(jié)果的有效性和準確性.將材料按相應(yīng)比例混合攪拌后，測定容重，然后在固定好纖維的塑料模具中裝入相應(yīng)重量的漿體，振動使之密實，從加水起開始計算齡期，然后置于溫度為20℃ ±2℃，濕度為65%±5%的試驗條件下，到相應(yīng)的齡期時進行測試，單絲拔出速度為0.5 mm/min，纖維埋入長度(Embedment Length，EL)為3～9 mm，為保證纖維從塑性基體中拔出而不被拉斷，每組試樣數(shù)為6個，測試的6個結(jié)果數(shù)據(jù)中，去掉偏差最大的2個結(jié)果，然后通過origin軟件將剩下的4條曲線進行平均，以獲得最終的曲線.載荷峰值可以從拔出載荷－位移曲線中獲得，界面黏結(jié)強度的計算參考文獻［8］.

圖1 單根纖維拔出測試裝置

掃描電鏡(SEM)附帶X射線能譜儀(EDS)功能，JSM－5900，用來確認二氧化硅的存在、表征纖維的表面形貌.

2 結(jié)果與討論

2.1 齡期的影響

圖2給出了齡期對纖維－水泥基體界面的影響，從圖2可以看出，不論是聚丙烯(Polypropylene，PP)纖維還是聚乙烯醇(Polyvingl Alcohol，PVA)纖維，隨著齡期的增加，纖維與基體之間的界面黏結(jié)強度逐漸增加.存在差異的是，PP纖維在5～9 h的早齡期階段，界面黏結(jié)強度增加相對平穩(wěn)、緩慢;在齡期為7 h以前，PVA纖維與基體的黏結(jié)強度與PP纖維相差無幾;當齡期達到8 h以上，PVA纖維和基體界面黏結(jié)強度迅速增加，遠大于相應(yīng)齡期的PP纖維.出現(xiàn)前述情況，其主要原因可能是隨著齡期的增加，PVA纖維表面的親水性羥基能更好地改善界面性能.

圖2 齡期對纖維－水泥基體界面性能的影響

2.2 基體特征的影響

研究基體性能(水膠比分別為 0.30，0.25，0.20)對纖維(PVA－1)與水泥基體界面黏結(jié)性能的影響，測試結(jié)果如圖3所示.從圖3可以看出，隨著水膠比的降低，不僅表現(xiàn)為界面黏結(jié)強度的提高，纖維的拔出荷載－位移曲線也存在著很大的差異，主要表現(xiàn)為2方面:①物理摩擦力的增加.一般情況下，纖維在很小的位移下就完成了化學脫黏，之后主要靠物理摩擦力起作用.水膠比為0.30的條件下，纖維的拔出荷載較快達到峰值后一直保持平穩(wěn)變化的特征.而隨著水膠比的降低，拔出荷載隨拔出位移的增加而增加的趨勢愈加明顯，這主要歸功于物理摩擦力的增加.②拔出位移的降低.水膠比為0.30時拔出位移最大，由于水膠比降低，纖維－基體界面處的水分減少，不利于水化產(chǎn)物的形成及物理摩擦力的保持，導致拔出位移降低.

圖3 水膠比對PVA纖維與基體界面黏結(jié)性能的影響

2.3 埋入深度的影響

埋入深度對早齡期界面性能也有影響.圖4—5給出了纖維(PVA－1)埋入深度(3，6，9 mm)對拔出荷載－位移及黏結(jié)強度的影響.纖維拔出荷載－位移曲線存在如下特征:①相同之處是隨著埋入深度的增加，物理摩擦力逐漸增加，在纖維拔斷之前到達峰值，然后力全部卸載，這主要歸功于相同的水膠比.②不同之處是拔出位移與埋入深度的比例.隨著纖維埋深的增加，雖然拔出位移略有增加，但幅度有限，拔出位移與埋入深度的比值逐漸減小，這說明埋入深度增加，并沒有帶來明顯的正效應(yīng).而拔出力也較為相近，因此，隨著埋入深度的增加，纖維－基體的界面黏結(jié)強度降低.

圖4 纖維埋入深度對PVA纖維拔出荷載－位移曲線的影響

圖5 纖維埋入深度對PVA纖維－基體界面黏結(jié)強度的影響

2.4 纖維截面形狀

考察了2種纖維(PP－1，PP－3)的截面形狀對纖維與水泥基體界面黏結(jié)性能的影響.圖6為水泥基材料成型后，纖維與基體界面黏結(jié)強度發(fā)展規(guī)律.

圖6 纖維截面形狀對基體界面黏結(jié)強度的影響

與截面形狀為圓形的PP纖維相比，截面形狀為三角形的PP纖維與水泥基體的界面黏結(jié)性能略有優(yōu)勢.這可能主要歸功于2方面:①三角形截面的纖維具有更大的比表面積;②通過抗彎剛度的計算，三角形截面的纖維剛度要大于等效直徑的圓形截面纖維.

2.5 纖維種類及改性

通過對常規(guī)纖維進行了化學沉積改性，并采用掃描電鏡對其表面進行表征，其改性后纖維表面微觀形貌如圖7所示.從圖中可以看出，纖維表面附著大量納米級別的二氧化硅.二氧化硅具有水化活性，具備改善纖維與基體界面性能的潛在作用.為了確定纖維表面的顆粒為二氧化硅，選擇了圖7中的微區(qū)進行了X射線能譜 (EDS)測試，結(jié)果如圖8所示.從圖8可見，非顆粒區(qū)域只顯示出碳元素圖8(a);而纖維表面的顆粒中含有較高濃度的氧元素與硅元素圖8(b)，這從側(cè)面確定了納米二氧化硅在改性纖維表面上的存在.

圖7 改性纖維的表面微觀形貌

圖8 纖維表面微區(qū)EDS能譜圖

采用掃描電鏡表征了納米二氧化硅在纖維表面的分布形態(tài)，具體如圖9所示.從圖中可以看出，未改性的PP纖維(PP－1)的表面相對光滑，而化學沉積改性的PP－2纖維表面可以看到較多的粒徑為數(shù)百納米尺寸的不均勻二氧化硅顆粒.納米二氧化硅在PVA－2的表面幾乎無空隙地非單層密實沉積，其原因可能是納米二氧化硅含有羥基，從而更容易沉積到極性親水的PVA纖維表面.

未改性及改性纖維的拔出荷載－位移曲線如圖10所示.從圖10可以看出，改性纖維的載荷峰值均大于未改性纖維的性能.PP纖維不論是否改性，其拔出－載荷峰值均在位移較小時出現(xiàn)，且以相對較快的速度下降.與PP纖維不同的是，PVA纖維的拔出行為特征存在顯著差異.當齡期為9 h時，未改性PVA纖維的拔出載荷在脫黏后迅速下降，而改性PVA纖維的拔出載荷在達到第一個峰值后，后續(xù)能再次出現(xiàn)多個峰值，其原因可能是脫黏時形成首個峰值，由于化學鍵與滑移摩擦導致更多的峰值出現(xiàn).由此可見，化學沉積方法能有效地增加纖維－基體的界面黏結(jié)強度，且對PVA纖維的作用更為明顯.

圖9 未改性及改性纖維的表面形貌

圖10 未改性及改性纖維的拔出荷載－位移曲線

3 結(jié)語

在自行改造的設(shè)備上，獲得了微細合成纖維與水泥基體的單絲拔出載荷－位移曲線，并計算了相應(yīng)的界面黏結(jié)強度，獲知了多種因素對界面性能的影響規(guī)律.

1)隨著齡期的增加，各種纖維與基體之間界面黏結(jié)強度逐漸增加，且當齡期達到8 h以上，聚乙烯醇纖維的界面黏結(jié)強度迅速增加，遠大于相應(yīng)齡期的聚丙烯纖維.

2)降低基體的水膠比，使基體的密實程度增加，從而提高了界面黏結(jié)強度.

3)隨著埋入深度的增加，物理摩擦力逐漸增加，拔出位移略有增加，但拔出位移與埋入深度的比值逐漸減小.因此，隨著埋入深度的增加，界面黏結(jié)強度降低.

4)三角形截面纖維具有更大的比表面積與硬挺性，表現(xiàn)出更高的界面黏結(jié)強度.

5)改性纖維的載荷峰值均大于未改性樣品的性能，化學沉積方法能有效地提高纖維－基體的界面黏結(jié)強度，且對PVA纖維的作用更為有效.

［1］ Kanda T，Li V C .Interface property and apparent strength of high-strength hydrophilic fiber in cement matrix［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，1998，10(1):5 －13.

［2］ Mobasher B，Li C Y.Effect of interfacial properties on the crack propagation in cementitious composites［J］.Advanced Cement Based Materials，1996，4(3 －4):93 －105.

［3］ Bentur A.Role of interfaces in controlling the durability of fiber-reinforced cements［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2000，12(1):2 －7.

［4］ Sehaj Singh，Arun Shukla，Richard Brown.Pullout behavior of polypropylene fibers from cementitious matrix［J］.Cement and Concrete Research，2004，34(10):1919 －1925.

［5］Abulebdeh T，Hamoush S，Heard W.Effect of matrix strength on pullout behavior of steel fiber reinforced veryhigh strength concrete composites［J］.Construction and Building Materials，2011，25(1):39 －46.

［6］ Baran E，Akis T，Yesilmen S.Pull-out behavior of prestressing strands in steel fiber reinforced concrete［J］.Construction and Building Materials，2012，28(1):362 －371.

［7］劉加平，李長風，劉建忠，等.合成纖維與水泥基材料塑性階段界面粘結(jié)性能測試裝置［P］.中國專利，201110404137.X.2012 －06 －27.

［8］ Chan Yin Wen，Chu Shu Hsien.Effect of silica fume on steel fiber bond characteristics in reactive powder concrete［J］.Cement and Concrete Research，2004，34(7):1167－1172.