聚丙烯纖維增韌改性磷酸鉀鎂水泥基材料的力學(xué)性能試驗

單春明, 楊建明, 陳延?xùn)|, 錢達友

(1. 鹽城幼兒師范高等?？茖W(xué)校 建筑工程學(xué)院, 江蘇 鹽城 224005;2. 鹽城工學(xué)院 土木工程學(xué)院, 江蘇 鹽城 224051)

在預(yù)制混凝土構(gòu)件規(guī)模化裝配時,預(yù)制外墻板接縫處密封材料的質(zhì)量直接影響到建筑物的安全與耐久性.目前,裝配式外墻接縫主要采取構(gòu)造和嵌填接縫材料相結(jié)合的雙重防水措施,其中接縫材料為第一道防水線,多采用密封膠.而現(xiàn)有密封膠存在諸多缺陷,無法滿足混凝土預(yù)制墻板接縫持久可靠、密封防護的要求,更難達到其設(shè)計壽命50a以上的要求.在全面深入推進裝配式建筑的過程中,開展混凝土預(yù)制外墻板接縫密封新材料的研究成為我國裝配式混凝土構(gòu)件的關(guān)鍵技術(shù)之一.裝配式建筑混凝土構(gòu)件屬于剛性材料,硬化后的混凝土?xí)S著溫度、載荷等變化的影響而發(fā)生較大變形,板縫粘結(jié)成為預(yù)制構(gòu)件間的薄弱環(huán)節(jié).混凝土預(yù)制墻板間的變形要求接縫材料的拉伸、壓縮變形能力與墻板在使用過程中收縮接近,接縫材料與基體之間的相容性是決定界面特性的關(guān)鍵.因此需要接縫材料具有足夠的韌性和協(xié)調(diào)性來滿足構(gòu)件間的連接.目前已有裝配式建筑配套用密封膠主要是硅酮或硅烷改性密封劑產(chǎn)品,這些有機類接縫材料彈性模量小,耐高低溫及耐紫外線照射性能較差,容易導(dǎo)致界面開裂,生產(chǎn)使用過程中可能排放有害氣體污染環(huán)境,且價格較昂貴.我國2014年10月起實施的住建部行業(yè)標準《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 1—2014)尚未涉及裝配式建筑專門配套用接縫材料產(chǎn)品及技術(shù)標準,市場急需預(yù)制外墻板接縫密封相關(guān)工程技術(shù)及產(chǎn)品規(guī)范的理論研究.

磷酸鉀鎂水泥(MKPC)是由重?zé)Y(jié)氧化鎂粉(MgO)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)、緩凝劑及礦物摻合料按一定比例配制,通過酸堿化學(xué)反應(yīng)及物理作用生成以磷酸鹽為粘結(jié)相的新型快硬無機膠凝材料.該水泥具有早期強度高、凝結(jié)硬化快、粘結(jié)性能好、干燥收縮變形小、與舊混凝土相容性好等特點,廣泛用于混凝土路面快速修復(fù)和工程的搶修加固以及有害物質(zhì)的固化項目中[1-7].磷酸氨鎂水泥(由MgO和銨磷酸鹽組成)與磷酸鉀鎂水泥具有類似特點,但已有研究表明,使用磷酸銨鎂水泥在其成型和水化反應(yīng)時會釋放出污染環(huán)境的氨氣[8],易造成使用設(shè)備的損壞.從環(huán)保角度考慮,選擇磷酸二氫鉀配制的磷酸鉀鎂水泥可以有效解決磷酸氨鎂水泥使用過程中釋放氨氣污染環(huán)境的缺陷.MKPC基材料有諸多優(yōu)點,但其在外力作用下表現(xiàn)出延性差、易斷裂等明顯的脆性,制約了MKPC在建設(shè)項目中的廣泛應(yīng)用,特別是在民用建筑中的使用更少[9].

纖維是一種增韌阻裂材料,MKPC基材料中摻入纖維既可以增加延性,又能提高強度[10].其中鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維和聚丙烯纖維是目前常用的纖維種類.鋼纖維可以明顯提高砂漿的強度和斷裂韌性,但在水養(yǎng)護條件下明顯降低MKPC砂漿強度[11].玻璃纖維是中等彈性模量親水性材料,適量摻入可提高砂漿的抗裂性能,但由于攪拌時纖維需要水潤濕,會降低砂漿的流動性,影響操作性能和工作性能[12].碳纖維彈性模量大,提高MKPC砂漿韌性的效果顯著[13],但其價格高,難以在混凝土修復(fù)工程中大規(guī)模應(yīng)用.聚丙烯纖維是一種彈性模量小、強度適中、耐腐蝕的合成纖維,其摻入到磷酸鎂混凝土中可以有效提高與混凝土基體的協(xié)同受力能力,有助于提高構(gòu)件的抗折強度和抗凍性能[14].趙柏冬等[15]凍融循環(huán)試驗結(jié)果顯示纖維對混凝土耐久性有較好的提升.姜自超等[16]研究了聚丙烯纖維、玻璃纖維、微鋼纖維對磷酸鎂水泥的影響,宏觀結(jié)果表明纖維的摻入對MKPC凈漿的流動度、抗折強度、抗壓強度和耐磨性會產(chǎn)生影響.周序洋等[17]研究表明,摻適量的聚丙烯纖維可提高MKPC基砂漿的彎曲韌性.

結(jié)合已有研究成果, 本次試驗采用直線型聚丙烯纖維, 分別測試摻入不同纖維長度、體積分數(shù), 以及MKPC砂漿不同水灰比、不同礦物摻合料等變量下增韌改性后MKPC砂漿的力學(xué)性能.

1 試驗概況

1.1 原材料

氧化鎂(MgO)比表面積為0.216 m2·g-1,平均粒徑為43.89 μm,由遼寧省桓仁東方紅水電站鎂砂廠生產(chǎn),電工級;磷酸二氫鉀化學(xué)式為KH2PO4·12H2O,粒度范圍245～350 μm(60～40目),工業(yè)級,白色晶體,分子量136.09,由連云港格立化工有限公司生產(chǎn);硼砂(簡稱B)化學(xué)式為Na2B4O7·10H2O,分析純,由遼寧寬甸硼化工廠提供;粉煤灰(簡稱FA)粒徑范圍0.08～0.16 mm,一級灰密度為2.059 g·cm-3,由鹽城固鼎集團提供.

本試驗采用上海邦維市政工程有限公司提供的直徑30～40 μm的直線型聚丙烯纖維(簡稱PP纖維),長度分別為6、12 、15和18 mm,其密度為0.91 g·cm-3,燃點>580 ℃,抗拉強度>400 MPa,斷裂伸長率為26.50%.

1.2 MKPC的制備

本試驗采用的MKPC漿體主要是由MgO和磷酸二氫鉀按質(zhì)量比1.5∶1.0配制;復(fù)合緩凝劑由試驗室自配,其與MgO的質(zhì)量比為0.107;水灰比(砂漿中水與膠凝材料的質(zhì)量比)為0.18～0.22;選用細度模數(shù)為2.6、沖洗潔凈的河砂作為骨料,骨料與膠凝材料的質(zhì)量比為1.5∶1.0.

1.3 試件制作

1) 將自配復(fù)合緩凝劑、磷酸二氫鉀和水倒入JJ-5型砂漿攪拌機內(nèi)慢速攪拌1 min至充分溶解;

2) 將MgO和FA加入攪拌機,攪拌1 min后加入PP纖維攪拌2 min;

3) 加入中砂攪拌充分均勻后澆筑40 mm×40 mm×160 mm試件;

4) 面層覆蓋保鮮膜密封3 h后脫模,成型試件置于溫度(20±3) ℃、相對濕度50%環(huán)境下養(yǎng)護至測試齡期.

1.4 試件強度試驗方法

參照《水泥膠砂強度測定方法》(GB/T 17671—1999)測試MKPC水泥砂漿在標準條件下養(yǎng)護至1、3、7和28 d的抗折、抗壓強度.

在DKZ-5000電動抗折試驗機上測定MKPC砂漿試件接近破壞時的最大載荷,然后按式(1)計算抗折強度.

Rf=1.5FfL/b3.

(1)

式中:Rf為抗折強度,MPa;b為試件截面的高度,b=40 mm;L為下支撐圓柱的中心間距,標準夾具L=100 mm;Ff為試件折斷時施加于試件上的載荷,N.

在NYL-300型300 t壓力試驗機上測定MKPC砂漿試件接近破壞時的最大載荷,按式(2)計算抗壓強度.

RC=P/A.

(2)

式中:RC為抗壓強度,MPa;P為破壞荷重,kN;A為受壓面積,A=16 cm2.

使用XY-PRT透反偏光顯微鏡觀察MKPC砂漿硬化體的形貌 ,參照《微米級長度的掃面電鏡測量方法》(GB/T 16594—1996)分析纖維在砂漿中的分散程度和界面狀態(tài).

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 纖維長度對MKPC砂漿物理及力學(xué)性能的影響

MKPC砂漿水灰比為0.2、m(FA)∶m(FA+MgO)=0.1時,摻入PP纖維的長度不同.測試纖維長度對砂漿流動性的影響結(jié)果如表1所示.由表1可知,隨著纖維長度的增大,MKPC砂漿的流動度逐漸降低.

表1 摻入不同長度PP纖維對MKPC砂漿流動性的影響

圖1為摻入不同長度PP纖維的MKPC砂漿的抗折和抗壓強度.由圖1a可知,摻入纖維長度為6、12、15和18 mm,養(yǎng)護齡期為1 d時,MKPC砂漿的抗折強度分別達到4.10、4.95、5.71、5.67 MPa,比空白樣分別提高5.1%、26.9%、46.4%、45.3%.說明摻入適當(dāng)長度的纖維可提高MKPC砂漿的抗折強度,這是因為在彎曲力作用下,一定長度的纖維從MKPC基體中拔出時需要消耗更大的能量.但隨著長度再增加,纖維在MKPC基體中的分散性降低,纖維分布不均勻會使MKPC基體產(chǎn)生更多缺陷,不利于MKPC抗折強度的增加.

由圖1b可知,摻入不同長度的PP纖維對MKPC砂漿抗壓強度的影響不大.但養(yǎng)護齡期7 d左右出現(xiàn)強度倒縮現(xiàn)象,這是因為MKPC漿體的酸堿反應(yīng)速度快,水化產(chǎn)物生成量大,生成的水化產(chǎn)物晶核多、晶體尺寸小、缺陷多,隨著水化齡期的延長,晶體逐步長大并連成一片,晶體間會產(chǎn)生一些內(nèi)應(yīng)力,使得MKPC漿體的強度滯漲,甚至出現(xiàn)倒縮現(xiàn)象.隨著養(yǎng)護齡期的延長,中后期抗壓強度逐漸增強.由圖1b還可發(fā)現(xiàn),摻入6 mm PP纖維時砂漿的抗壓強度低于空白樣,可能是由于單位體積的纖維數(shù)量增加,纖維在基體中不易分散、基體不易密實造成的.

圖1 摻入不同PP長度纖維MKPC砂漿的抗壓和抗折強度Fig.1 Pressure strength and fold strength of MKPC mortar with different lengths of fiber

圖2是摻不同長度纖維改性后MKPC砂漿養(yǎng)護齡期為28 d的抗折、抗壓強度以及折壓比的影響.折壓比是反映纖維增強MKPC基材料性能的重要指標.折壓比值越大,說明材料的韌性越大.由圖2折壓比曲線圖可見,15 mm纖維的折壓比值最大,6 mm和12 mm其次,18 mm和空白樣接近,說明PP纖維增強MKPC基材料的韌性及耗能性能并不是纖維長度越長越好.

摻入了不同長度PP纖維改性后MKPC砂漿的微觀形貌如圖3所示.從圖3中可以看出,在PP纖維長度較短時,PP纖維能均勻地分散在MKPC砂漿中;隨著纖維長度加長,在外力作用下,PP纖維在MKPC砂漿中大部分被拉斷,也有部分呈現(xiàn)拉拔現(xiàn)象.說明PP纖維與MKPC漿體粘結(jié)強,纖維的分散性相對較好,實現(xiàn)了PP纖維對MKPC基材料的增韌效果.

2.2 纖維體積分數(shù)對MKPC砂漿強度的影響

根據(jù)2.1節(jié)研究結(jié)果,選擇15 mm長PP纖維,保持MKPC砂漿水灰比為0.18,m(FA):m(FA+MgO)=0.1時,測試摻入不同體積分數(shù)纖維對砂漿流動性的影響,測試結(jié)果如表2所示.

圖4為不同體積分數(shù)纖維MKPC砂漿的抗折和抗壓強度.由圖4a可知,當(dāng)摻入PP纖維的體積分數(shù)為0.8%、 1.0%、1.2%時,MKPC砂漿養(yǎng)護齡期為1 d抗折強度分別達到4.1、4.5和5.7 MPa,比空白樣分別增加了5.1%、46.4%、14.9%.其中體積分數(shù)為1.0%時,砂漿的抗折強度明顯高于其他摻量,這是因為體積分數(shù)少時纖維分散于漿體中,不但阻止裂縫的產(chǎn)生,而且通過纖維將載荷傳遞到砂漿中,使砂漿的抗折強度有所增加;體積分數(shù)為1.2% 時,MKPC砂漿的抗折強度降低了,這是因為隨著纖維體積分數(shù)的增大,纖維不易分散,間接地阻礙了砂漿抗折強度的增長.

圖3 摻入不同長度PP纖維的MKPC砂漿電鏡圖Fig.3 SEM images of MKPC mortar with different lenghths of fiber

表2 摻入不同體積分數(shù)PP纖維對MKPC砂漿流動性的影響

圖4 摻入不同體積分數(shù)PP纖維MKPC砂漿的抗折和抗壓強度Fig.4 Pressure strength and fold strength of MKPC mortar of different fiber contents

由圖4b可知,摻入PP纖維體積分數(shù)為1%時,MKPC砂漿的抗壓強度增長最快、強度最高,這是因為纖維的摻入初期會吸收MKPC砂漿中的水分,降低了砂漿的實際反應(yīng)水灰比,間接提高了MKPC砂漿的抗壓強度;體積分數(shù)為0.8%時,養(yǎng)護前3 d抗壓強度比空白樣低19.3%.這是因為纖維彈性模量較低,纖維的摻入增加了砂漿的稠度,阻礙MKPC砂漿強度的增長.因此,在MKPC砂漿中摻入少量的PP纖維對MKPC砂漿試塊的抗壓強度并沒有太大的影響.

圖5是不同體積分數(shù)纖維對MKPC砂漿養(yǎng)護齡期為28 d的抗折、抗壓強度以及折壓比的影響.從圖5折壓比曲線圖可以看出,摻入體積分數(shù)為1.0%的15 mm PP纖維時,養(yǎng)護齡期為28 d的MKPC砂漿的增韌效果明顯.

圖5 不同體積分數(shù)PP纖維對養(yǎng)護齡期為28 d的MKPC砂漿韌性的影響

摻入長度為15 mm、不同體積分數(shù)PP纖維的MKPC的微觀形貌如圖6所示.從圖6中可以看出,摻入纖維體積分數(shù)0.8%時,纖維間距較小,分布比較均勻;摻入纖維體積分數(shù)1.0%時,纖維分布緊密,纖維不易被打散;摻入纖維體積分數(shù)1.2%時,纖維成團成簇.隨著摻入纖維的增加,在外力作用下,MKPC砂漿能夠吸收能量,阻擋微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展.

圖6 摻入長度為15 mm不同體積分數(shù)PP纖維的MKPC砂漿電鏡圖Fig.6 SEM images of MKPC mortar with the lenghth of 15 mm and different fiber contents

2.3 水灰比對MKPC砂漿強度的影響

摻入PP纖維長度15 mm、體積分數(shù)1.0%、m(FA)∶m(FA+MgO)=0.1時測試MKPC砂漿在水灰比分別為0.19、0.20、0.21和0.22時對MKPC砂漿流動性的影響,測試結(jié)果如表3所示.

圖7為不同水灰比MKPC砂漿的抗折和抗壓強度. 由圖7a可知,水灰比為0.19時, MKPC砂漿養(yǎng)護前3 d的抗折強度最低, 隨著養(yǎng)護齡期的延長,抗折強度逐漸提高. 由圖7b可知,水灰比為0.22時, MKPC砂漿的抗壓強度最低, 這是因為PP纖維會吸收少許MKPC砂漿中的水分, 降低了基體的水灰比, 說明水灰比越大砂漿抗壓強度降低幅度越明顯. 因此,在某個水灰比幅度范圍內(nèi)摻入PP纖維可以提高MKPC砂漿的強度.

表3 不同水灰比對PP纖維MKPC砂漿流動性的影響

圖7 不同水灰比MKPC砂漿的抗折強度和抗壓強度Fig.7 Pressure strength and fold strength of MKPC mortar with different water-cement ratio

圖8所示為不同水灰比對改性后MKPC砂漿養(yǎng)護齡期為28 d的抗折、抗壓強度以及折壓比的影響.由折壓比曲線圖可以看出,水灰比為0.20時,纖維對28 d MKPC砂漿強度的增強效果較好.

2.4 礦物摻合料對MKPC砂漿強度的影響

在摻入15 mm、體積分數(shù)為1.0%PP纖維,水灰比為0.2的MKPC砂漿中分別加入質(zhì)量分數(shù)10%FA、10%鋼渣粉和10%高嶺土,測試不同礦物摻合料對MKPC砂漿的流動性能的影響,測試結(jié)果如表4所示.由表4可見,粉煤灰的摻入有利于提高MKPC漿體的流動性,這是因為摻入粉煤灰后,粉煤灰球狀顆粒使不規(guī)則氧化鎂顆粒之間以及砂粒之間的摩擦減小.

不同摻合料對MKPC砂漿抗折和抗壓強度的影響如圖9所示,從圖9a中可以看出,養(yǎng)護前3 d三種摻合料對MKPC砂漿的抗折強度影響相差不大.這是因為MKPC砂漿強度形成前期主要是MgO與磷酸鹽反應(yīng),粉煤灰中主要成分為SiO2、CaO 等物質(zhì),活性低于鍛燒后的MgO.隨著養(yǎng)護齡期的增長,粉煤灰中的物質(zhì)逐漸開始與磷酸鹽反應(yīng),使得后期的MKPC強度明顯增大.

表4 加入不同礦物摻合料PP纖維MKPC砂漿流動性的影響

圖9 加入不同礦物摻合料的MKPC砂漿抗折和抗壓強度Fig.9 Pressure strength and fold strength of MKPC mortar with different mineral dosed

由圖9b可以看出,同一齡期下,摻入質(zhì)量分數(shù)為10%的粉煤灰時MKPC砂漿的抗壓強度高于高嶺土和鋼渣粉2種摻合料.這是由于煅燒高嶺土的微觀形貌呈片狀、棒狀,這種結(jié)構(gòu)不利于MKPC砂漿結(jié)構(gòu)密實.而粉煤灰具有微集料效應(yīng),粉煤灰充填于MKPC漿體的毛細孔中,漿體中的孔隙率下降,基體變得密實,強度得到提高.

改變不同礦物摻合料對增韌改性后MKPC砂漿養(yǎng)護齡期為28 d的抗折、抗壓強度及折壓比如圖10所示. 由折壓比曲線圖可以看出,摻入質(zhì)量分數(shù)為10%的粉煤灰后,MKPC砂漿的折壓比高于摻入鋼渣粉和高嶺土,說明摻入適量粉煤灰可以提高MKPC砂漿的斷裂韌性,是最佳摻合料.

MKPC基體空白樣、摻入粉煤灰MKPC漿體和摻入PP纖維MKPC漿體的掃描電鏡微觀形貌如圖11～圖13所示.實驗表明,粉煤灰摻量對MKPC漿體的物理、化學(xué)作用使MKPC砂漿的結(jié)構(gòu)更加致密,力學(xué)性能明顯提高.

圖11 MKPC砂漿基體電鏡圖Fig.11 SEM images of MKPC mortar

圖12 摻粉煤灰的MKPC砂漿電鏡圖Fig.12 SEM images of MKPC mortar mixed with fly ash

圖13 摻入PP纖維的MKPC砂漿電鏡圖Fig.13 SEM images of MKPC mortar mixed with PP fiber

3 結(jié) 論

1) 在相同纖維體積分數(shù)、水灰比和礦物摻合料條件下,不同纖維長度對MKPC砂漿抗折和抗壓強度的影響不同.直線型15 mm PP纖維提高MKPC砂漿抗折強度和抗壓強度的效果最佳.MKPC砂漿的抗壓強度增長主要在養(yǎng)護前3和7 d左右還會出現(xiàn)強度倒縮現(xiàn)象.摻入6 mm PP短纖維后,MKPC砂漿的抗壓強度低于空白樣;7 d齡期18 mm PP纖維提高MKPC砂漿抗折強度的效果好,但隨著齡期的增長不利于MKPC砂漿強度的增大.說明PP纖維增強MKPC基材料的韌性并不是纖維長度越長越好.

2) 在相同纖維長度、水灰比、礦物摻合料條件下,不同體積分數(shù)PP纖維對MKPC砂漿的強度影響不同.摻入15 mm、體積分數(shù)為1.0%的PP纖維時,MKPC砂漿的強度最高,折壓比值最大,說明長15 mm的PP纖維在體積分數(shù)為1.0%時增強MKPC基材料的韌性及耗能性能最好.

3) 在相同纖維長度、體積分數(shù)和礦物摻合料條件下,不同水灰比對MKPC砂漿的抗折、抗壓強度的影響不同.PP纖維會吸收少許MKPC砂漿中的水分,影響MKPC基體的強度發(fā)展.在水灰比為0.20幅度范圍內(nèi)摻入PP纖維,MKPC砂漿的抗折、抗壓強度均最高,斷裂韌性最好.

4) 在相同纖維長度、體積分數(shù)和水灰比條件下,不同礦物摻合料對MKPC砂漿強度的影響不同.由于粉煤灰具有微集料效應(yīng),摻入質(zhì)量分數(shù)為10%的粉煤灰后,粉煤灰充填于MKPC漿體中,提高了基體的密實度.隨著養(yǎng)護齡期的增長,粉煤灰中的物質(zhì)與磷酸鹽反應(yīng),使得后期的MKPC強度明顯增長.因此摻入質(zhì)量分數(shù)為10%的粉煤灰能顯著提高MKPC砂漿的斷裂韌性,是最佳摻合料.

PP纖維彈性模量較小,斷裂伸長率大于MKPC砂漿,傳遞載荷的能力較差,但它能吸收沖擊能量,延緩MKPC基體中裂縫的出現(xiàn),提高基體的變形能力,從而改善其韌性與抗沖擊性能.根據(jù)已有無機材料脆性基體的增強和增韌技術(shù),采用MKPC作為基體膠凝材料代替有機密封劑,以質(zhì)輕、價廉和性能穩(wěn)定的人工合成短纖維作為增強相,組成新型纖維增強磷酸鎂水泥復(fù)合材料用作裝配式建筑混凝土構(gòu)件的接縫材料,具有很高的研究價值和良好的市場前景,也是研究節(jié)能環(huán)保綠色建材的重要方向之一.