PVA纖維長(zhǎng)度對(duì)超高韌性水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

余保英，周建偉，孔亞寧，楊 文，程寶軍

(中建西部建設(shè)建材科學(xué)研究院，成都 610094)

0 引 言

超高韌性水泥基復(fù)合材料(Ultra-High Toughness Cementitious Composites，簡(jiǎn)稱UHTCC)，最早由密歇根大學(xué)的Li基于微觀力學(xué)和斷裂力學(xué)基本原理研制開發(fā)[1-2]。UHTCC具有顯著的應(yīng)變硬化特征，在拉伸載荷下可以產(chǎn)生多條細(xì)密裂縫，極限拉應(yīng)變可以穩(wěn)定達(dá)到3.0%以上[3-4]。隨著建筑工程應(yīng)用的發(fā)展，研究人員對(duì)UHTCC的直接拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能、抗?jié)B性能等方面展開了大量的研究工作[5-8]。Li等[9]采用進(jìn)口纖維制備了極限拉應(yīng)變穩(wěn)定達(dá)到3.6%～4.5%，極限抗拉強(qiáng)度4.5～6.0 MPa，對(duì)應(yīng)裂縫寬度在100 μm以內(nèi)的UHTCC。徐世烺等[10]通過水泥基復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)變率的增加，UHTCC材料的動(dòng)態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)由應(yīng)變硬化主導(dǎo)向損傷軟化主導(dǎo)的轉(zhuǎn)變趨勢(shì)。李慶華等[11]研究發(fā)現(xiàn)UHTCC的層裂過程相比混凝土具有更多的韌性特征，在同等應(yīng)變率下，UHTCC與靜態(tài)抗拉強(qiáng)度相近的混凝土相比，層裂強(qiáng)度高出10 MPa左右，且UHTCC的層裂強(qiáng)度具有明顯的應(yīng)變率敏感性。司豆豆等[12]通過纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋與超高韌性水泥基復(fù)合材料黏結(jié)性能試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，UHTCC具備的較高強(qiáng)度和韌性對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋與其黏結(jié)強(qiáng)度發(fā)揮著積極的作用效果。

目前的研究現(xiàn)狀表明使用聚乙烯醇(PVA)纖維研制UHTCC的技術(shù)相對(duì)成熟，材料具備應(yīng)變硬化效應(yīng)和較高的極限拉應(yīng)變[7,13-15]。李悅等[16]報(bào)道了PVA纖維摻量對(duì)水泥基材料力學(xué)性能的影響，建議纖維的最佳體積摻量為2.0%，且摻入日本PVA的UHTCC的拉伸應(yīng)變硬化現(xiàn)象最為顯著，高于國(guó)產(chǎn)PVA纖維。闞黎黎等[17]發(fā)現(xiàn)低成本國(guó)產(chǎn)纖維在基體中具有良好的分散性，盡管其纖維橋接余能、最大橋接應(yīng)力及應(yīng)變硬化性能指數(shù)(PSH指數(shù))低于進(jìn)口纖維，但均能滿足能量與強(qiáng)度準(zhǔn)則。鐘俊飛等[18]發(fā)現(xiàn)體積摻量為0.5%～2.5%的PVA纖維使UHTCC的電通量降低了15.6%～42.2%，并且隨著纖維摻量的提高，抗氯離子滲透性呈增強(qiáng)趨勢(shì)。王仕富等[19]發(fā)現(xiàn)復(fù)摻PVA及玄武巖纖維對(duì)水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能增強(qiáng)效果更全面，且更具穩(wěn)定性。綜上所述，PVA纖維制備UHTCC的研究多集中在纖維的種類、纖維的改性以及纖維復(fù)摻作用等方面，PVA纖維長(zhǎng)度對(duì)UHTCC各項(xiàng)性能的影響報(bào)道較少?；诖?，本文采用低成本的國(guó)產(chǎn)纖維制備超高韌性水泥基復(fù)合材料，主要研究了纖維長(zhǎng)度對(duì)其在漿體中的分散性能、拌合漿體的流動(dòng)性能、UHTCC抗折和抗壓強(qiáng)度的影響，并通過電子掃描顯微鏡對(duì)不同長(zhǎng)度纖維在基體里的分散及存在狀態(tài)進(jìn)行了分析。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

水泥采用P·O 42.5R水泥，密度為3.1 g/cm3；粉煤灰采用Ⅰ級(jí)粉煤灰，比表面積為3 850 cm2/g，密度為2.8 g/cm3；微珠采用粉煤灰微珠，表觀密度為0.8～l.0 g/cm3，四川某廠生產(chǎn)；硅灰采購自山東某廠，SiO2含量>94%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，比表面積為10 900 cm2/g；精細(xì)骨料采用38 μm(400目)石英粉；PVA纖維為四川某廠生產(chǎn)，主要性能如表1所示，外觀形貌如圖1所示；外加劑為中建新材料公司生產(chǎn)的ZJ13型減水劑；PVA纖維的摻量為配合料體積的2.0%，摻加纖維UHTCC的水膠比、砂膠比、粉煤灰用量與基準(zhǔn)配合比相同，基準(zhǔn)配合比如表2所示。

表1 PVA纖維的性能指標(biāo)Table 1 Properties of PVA fiber

表2 基準(zhǔn)配合比Table 2 Basic mix proportion

圖1 PVA 纖維外觀形貌Fig.1 Appearance of PVA fiber

1.2 試樣的制備與檢測(cè)

試樣制備：將水泥、粉煤灰、微珠、石英砂依次加入攪拌機(jī)中，攪拌120 s至混合均勻，然后加水、減水劑攪拌90 s，最后分批加入PVA纖維，高速攪拌240 s至拌合均勻，成型試件，24 h后脫模養(yǎng)護(hù)至3 d、7 d、28 d，養(yǎng)護(hù)溫度為(20±2 )℃，相對(duì)濕度為95%。

性能檢測(cè)：流動(dòng)度參照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》進(jìn)行測(cè)定；抗壓、抗折強(qiáng)度參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢測(cè)方法(ISO方法)》進(jìn)行檢測(cè)，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm；微觀性能采用德國(guó)蔡司SUPRA 55場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維長(zhǎng)度對(duì)分散性能的影響

將長(zhǎng)度為6 mm、8 mm、12 mm的PVA纖維按照試驗(yàn)的配合比設(shè)計(jì)在水-外加劑溶液以及水泥漿體中進(jìn)行分散摻量的極限試驗(yàn)，試驗(yàn)過程如圖2所示。表明纖維在溶液或者水泥漿體中的摻量存在峰值，超過這個(gè)峰值之后纖維出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，分散狀態(tài)變得極差，為材料體系帶來嚴(yán)重缺陷，影響了超高韌性水泥復(fù)合材料的漿體狀態(tài)以及各項(xiàng)性能。

將分散到溶液或者漿體中的纖維洗出，烘干稱重，測(cè)得結(jié)果如圖3所示。纖維在溶液中的分散量遠(yuǎn)小于水泥漿體中的分散量，一方面可能是因?yàn)槔w維分散介質(zhì)不同所引起的結(jié)果差異，溶液對(duì)纖維的分散能力較低，而水泥漿體對(duì)纖維的分散能力較強(qiáng)；另一方面PVA纖維的親水性使得纖維在水溶液中更容易團(tuán)聚。纖維在溶液以及漿體中的分散量變化趨勢(shì)相似，表明雖然纖維的分散介質(zhì)存在差異，但是纖維長(zhǎng)度對(duì)纖維分散量的影響具有一致性，纖維長(zhǎng)度增加，纖維在介質(zhì)中的分散量減小。8 mm纖維同6 mm纖維在溶液以及水泥漿體中的分散量相比，分別降低了27.0%、5.4%；而纖維長(zhǎng)度由8mm增加至12 mm后，在兩種介質(zhì)中的分散量分別降低了40.7%、28.6%。表明纖維長(zhǎng)度在增至12 mm后，其分散摻量會(huì)迅速降低，這可能是由于纖維越長(zhǎng)越容易在介質(zhì)橋接粘連，摻量增加至其閾值后纖維越易結(jié)團(tuán)[20-21]

圖2 試驗(yàn)過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the test process

圖3 纖維在不同體系中的分散結(jié)果Fig.3 Fiber dispersion results in different systems

2.2 纖維長(zhǎng)度對(duì)材料性能的影響

2.2.1 流動(dòng)度

圖4 拌合漿體的流動(dòng)度Fig.4 Fluidity of mixed slurry

測(cè)試6 mm、8 mm、12 mm纖維所制備超高韌性水泥基復(fù)合材料漿體的流動(dòng)度，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。同基準(zhǔn)組試樣相比，摻加纖維后拌合漿體的流動(dòng)度降低，表明纖維之間的橋接作用會(huì)引起拌合漿體流動(dòng)度的下降。同摻加6 mm纖維的UHTCC6拌合漿體流動(dòng)度相比，摻加8 mm纖維的UHTCC8拌合漿體流動(dòng)度降低了10.4%，摻加12 mm的UHTCC12流動(dòng)度降低了25.1%；同UHTCC8拌合漿體的流動(dòng)度相比，UHTCC12拌合漿體的流動(dòng)度降低了16.4%。表明隨著纖維長(zhǎng)度的增加，拌合漿體的流動(dòng)度不斷降低，其中長(zhǎng)度為12 mm的纖維使得拌合漿體的流動(dòng)度迅速降低，對(duì)拌合漿體流動(dòng)度的抑制效果最大，一方面是因?yàn)镻VA纖維具有親水性，表面吸附了大量的自由水分子[22]；另一方面纖維的長(zhǎng)度與其橋接作用存在正相關(guān)性，橋接作用的增強(qiáng)降低了水泥漿體的流動(dòng)性[20]，這與纖維長(zhǎng)度對(duì)分散性能的分析結(jié)果相一致。

2.2.2 力學(xué)性能

對(duì)不同配方的UHTCC試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。同基準(zhǔn)組試樣相比(見圖5(a))，摻加纖維后試樣的早期(3 d、7 d)抗壓強(qiáng)度得到了提升，纖維越長(zhǎng)，對(duì)試樣早期抗壓強(qiáng)度的改善作用越明顯，尤其是7 d齡期時(shí)，UHTCC12組同基準(zhǔn)組相比抗壓強(qiáng)度增大了26.4%，同UHTCC8試樣相比抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)了16.1%。但是隨著齡期的延伸，試樣后期(28 d)的抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組試樣低，表明纖維的摻加可以改善基準(zhǔn)組試樣的早期抗壓強(qiáng)度，但是隨著齡期的發(fā)展，反而對(duì)基準(zhǔn)組試樣后期的抗壓強(qiáng)度起到了削弱作用。這是由于纖維在早期與水泥漿體形成了較為優(yōu)良的界面，界面結(jié)合力較強(qiáng)，且纖維相互之間的橋接作用使得試樣可以吸收更多的載荷，增強(qiáng)了試樣抵抗破壞的能力[19,23]，同時(shí)PVA纖維的親水性使得基體的水膠比降低，但混合體系的水膠比差異較小，因此摻加纖維試樣的早期抗壓強(qiáng)度得到改善；隨著齡期增長(zhǎng)，基體的抗壓強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)，但是纖維的親水性使得纖維周圍基體的水膠比較大，形成了薄弱點(diǎn)，所以試樣的后期抗壓強(qiáng)度不增反降[16]。摻加纖維后的試樣抗壓強(qiáng)度在3 d、7 d、28 d表現(xiàn)出同樣的變化趨勢(shì)，隨著纖維長(zhǎng)度的增加,試樣的抗壓強(qiáng)度增大，表明在同等的纖維摻量下，纖維長(zhǎng)度的提升可以使試樣獲得較高的抗壓強(qiáng)度，纖維雖然在后期更易拔斷，但是試樣抵抗載荷破壞的能量吸收機(jī)制依舊有效。

圖5 試樣的力學(xué)性能Fig.5 Mechanical properties of samples

從試樣的抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果可以看出(見圖5(b))，纖維的摻加顯著改善了基準(zhǔn)組試樣的抗折強(qiáng)度。試樣的早期(3 d)，纖維對(duì)基準(zhǔn)試樣的增強(qiáng)效果可以達(dá)到133.8%，在后期(28 d)，這種增強(qiáng)效果可以達(dá)到59.8%，雖然纖維的摻加對(duì)試樣抗折強(qiáng)度的改善隨著齡期有所減弱，但是依舊可以大幅度提升基準(zhǔn)組的抗折強(qiáng)度。在基準(zhǔn)組中摻加纖維后，三組試樣的抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)。試樣的抗折強(qiáng)度在7 d齡期達(dá)到了較高的強(qiáng)度值，隨著齡期發(fā)展至28 d，試樣抗折強(qiáng)度的增加幅度較小，甚至出現(xiàn)了抗折強(qiáng)度的倒縮現(xiàn)象(UHTCC12)，這可能是由于纖維親水性使得基體產(chǎn)生了薄弱點(diǎn)，另一方面體系中存在化學(xué)環(huán)境對(duì)纖維的侵蝕作用，使得試樣抗折強(qiáng)度較低。對(duì)比四組試樣后期抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)率發(fā)現(xiàn)，基準(zhǔn)組試樣的后期增長(zhǎng)率最大，達(dá)到了36.6%，而摻加纖維試樣的最大增長(zhǎng)率僅有6.6%。這表明纖維與水泥漿體的優(yōu)良界面以及橋接結(jié)構(gòu)在試樣養(yǎng)護(hù)的早期形成，后續(xù)齡期的發(fā)展對(duì)這種結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)作用有限，更多是水泥漿體強(qiáng)度的發(fā)展。

圖6 試樣的折壓比Fig.6 Ratio of flexural strength to compressive strength of samples

圖6為試樣同齡期試樣的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值(折壓比，F(xiàn)/C)。試樣的這一比值反映了其韌性以及延性，因此通過試樣的折壓比可以一定程度上表征試樣的韌性以及延性。可以看出四組試樣折壓比隨著齡期的增長(zhǎng)不斷下降，表明隨著齡期的增長(zhǎng)，試樣的韌性與延性降低，脆性升高，這是水泥基材料不可避免的局限性[24-25]。同基準(zhǔn)組試樣相比，摻加纖維后試樣的折壓比大幅度提升，3 d的折壓比最大提升了101.7%，7 d的折壓比提升了約87.1%，28 d折壓比提升了約72.5%，表明摻加纖維可以顯著改善試樣的韌性與延性，這正是UHTCC的優(yōu)勢(shì)所在。UHTCC12試樣的3 d折壓比最高，同時(shí)其3 d至7 d折壓比的降低幅度最大，UHTCC6、UHTCC8次之，表明12 mm的長(zhǎng)纖維對(duì)水泥硬化漿體的韌性、延性改善效果最為明顯。齡期至7 d、28 d時(shí)，三組摻加纖維試樣的折壓比相當(dāng)，表明不同長(zhǎng)度的纖維在試樣的中后期對(duì)其韌性與延性的改善作用效果相差較小，在韌性與延性相當(dāng)?shù)那疤嵯?，可以根?jù)對(duì)較早齡期試樣的要求選擇纖維的使用長(zhǎng)度。綜上，纖維的使用可以大幅度改善試樣的韌性與延性，而纖維的長(zhǎng)度僅對(duì)試樣較早齡期韌性與延性的改善表現(xiàn)出差異化，對(duì)試樣中后期(7 d、28 d)的作用效果相當(dāng)。

2.3 微觀分析

2.3.1 試樣的斷面形貌分析

對(duì)試樣28 d齡期的斷面形貌進(jìn)行表征，結(jié)果如圖7所示。基準(zhǔn)組試樣的斷面形貌存在較多的缺陷，結(jié)構(gòu)較為疏松，這可能是在試樣攪拌的過程中以及成型時(shí)引入了部分氣體，使得試樣內(nèi)部存在部分通道以及缺陷。摻加纖維后試樣硬化漿體的結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化，體系中的缺陷明顯減少，表明纖維的摻加有利于體系水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的發(fā)展。觀察摻加纖維的試樣斷面形貌，可以發(fā)現(xiàn)纖維在其中亂向排列。6 mm纖維與8 mm纖維的分散效果相當(dāng)，纖維在斷面中橋接、交錯(cuò)，存在纖維的拉出與拔斷兩種情況，拔斷纖維端頭磨損較輕；12 mm纖維在試樣的斷面中分布較為集中，同樣存在纖維的拔出與拔斷現(xiàn)象，但是同6 mm、8 mm纖維相比，其端頭磨損嚴(yán)重。表明纖維的長(zhǎng)度影響其在漿體中的分散以及抵抗破壞后的形態(tài)，纖維長(zhǎng)度增加，纖維分散的不均勻性增加，其破壞時(shí)受到的損傷更為嚴(yán)重。

2.3.2 纖維的存在狀態(tài)分析

對(duì)28 d齡期試樣中纖維的存在狀態(tài)進(jìn)行表征，結(jié)果如圖8所示?？梢钥吹嚼w維與漿體的界面過渡區(qū)結(jié)合良好，漿體水化產(chǎn)物附著在纖維表面，對(duì)纖維形成了包覆，包覆層隨著纖維的拉伸產(chǎn)生了部分微裂紋(見圖8(a))，表明纖維與水泥漿體形成了優(yōu)良的界面結(jié)構(gòu)，可以有效吸收載荷，傳遞載荷，抵抗材料破壞失效。部分纖維在材料體系較為完整，未受到漿體環(huán)境的侵蝕，纖維在抵抗載荷破壞過程中被拔出，纖維表面發(fā)生輕微磨損，纖維與漿體脫開，界面過渡區(qū)受到破壞(見圖8(b))，表明部分纖維在試樣中完整性較高，可以形成有效纖維增強(qiáng)機(jī)制。但是，在漿體中同樣存在部分纖維被水泥漿體中的化學(xué)環(huán)境侵蝕的現(xiàn)象，纖維的完整性受到破壞(見圖8(c))，在試樣破壞過程中不能有效地傳遞和抵抗載荷，使得纖維增強(qiáng)機(jī)制受損，試樣在抵抗破壞過程中更多地表現(xiàn)為劣化纖維的拔斷，同時(shí)纖維的性能劣化為試樣帶來了部分內(nèi)部缺陷，兩者的共同作用使得試樣的后期強(qiáng)度不增反降，試樣的力學(xué)性能改善效果減弱。在抵抗載荷破壞后，較長(zhǎng)的纖維(12 mm)端部破壞較為嚴(yán)重(見圖8(d))，表明纖維的抵抗能力較強(qiáng)，這與試樣力學(xué)性能分析結(jié)果相一致。

圖7 試樣的斷面形貌圖Fig.7 Section morpholgy of samples

圖8 試樣中纖維的狀態(tài)圖Fig.8 State diagram of the fiber in samples

3 結(jié) 論

(1)纖維的長(zhǎng)度影響纖維在分散介質(zhì)中的分散量，纖維越長(zhǎng)，其在分散介質(zhì)中的分散量越小，且易粘連聚集，增加拌合漿體中纖維的長(zhǎng)度會(huì)使?jié){體流動(dòng)度降低。

(2)纖維的摻加可以改善水泥基體的早期力學(xué)性能，但是會(huì)給水泥基體28 d齡期的抗壓強(qiáng)度帶來削弱作用，對(duì)抗折強(qiáng)度的改善依舊顯著。同等摻量下，增加纖維的長(zhǎng)度可以獲得較高的力學(xué)性能，但28 d齡期力學(xué)性能增強(qiáng)效果減弱，甚至?xí)沟迷嚇拥目拐蹚?qiáng)度出現(xiàn)倒縮。纖維的摻加可以大幅度改善試樣的韌性與延性，但纖維的長(zhǎng)度僅對(duì)試樣3 d齡期韌性與延性的改善表現(xiàn)出差異化。

(3)纖維的摻加使得水泥漿體的微觀結(jié)構(gòu)致密化，在抵抗載荷破壞過程中存在纖維的拔出與拔斷兩種形式，增加纖維長(zhǎng)度使其在抵抗破壞過程中受到的磨損加重，且在漿體中存在部分劣化纖維。