聚丙烯纖維表面改性對(duì)水泥土干縮性能的影響

徐亞星，姚 鑫，莊 妍，胡順磊，董曉強(qiáng)

(1.太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，太原 030024；2.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 211189)

在我國(guó)的沿海、沿湖及沿河地區(qū)都廣泛分布著軟土，其具有高含水量、高壓縮性、高孔隙比及低承載力的特性。在公路路基施工時(shí)，使用這些含水量高于最佳含水量的未經(jīng)處理的軟土可能很難達(dá)到目標(biāo)壓實(shí)程度，因此在交通荷載下會(huì)導(dǎo)致沉降過(guò)大或路堤失穩(wěn)等問(wèn)題，故有必要采取一定的處理措施。其中，水泥改良技術(shù)在路基中應(yīng)用較廣泛，但在竣工后初期，由于外界水分蒸發(fā)和水泥的水化作用，水泥土體內(nèi)的水分不斷減少?gòu)亩a(chǎn)生毛細(xì)作用及吸附作用，致使路基干縮開(kāi)裂，從而降低路基的長(zhǎng)期耐用性和結(jié)構(gòu)的適用性。由于路基修復(fù)的高成本和不便性，因此控制其干燥收縮具有重要的意義。

有關(guān)研究表明水泥基材料中添加纖維不僅能提高其強(qiáng)度、剛度以及延展性等，而且還可以降低試樣的平均裂縫寬度，延遲初始開(kāi)裂時(shí)間，故添加纖維是控制收縮和裂紋擴(kuò)展的有效途徑[1-4]。聚丙烯(PP)纖維因具有合理的強(qiáng)度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和相對(duì)較低的成本，在路面上得到了廣泛的應(yīng)用，然而PP纖維表面具有疏水性且表面能較低[5]，其與水泥基體的粘結(jié)性較差。許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)經(jīng)NaOH、H2SO4及偶聯(lián)劑等化學(xué)試劑處理后，纖維與基體的彈性模量、拉拔能和粘合強(qiáng)度等性能均有一定程度的提高，因此化學(xué)改性方法是增強(qiáng)纖維與水泥基材料界面粘結(jié)強(qiáng)度的有效手段[6-9]。

綜上所述，目前研究大多是關(guān)于纖維表面改性增強(qiáng)塑料復(fù)合材料、水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能，而對(duì)于纖維表面處理改善水泥土干縮性能的研究幾乎處于空白狀態(tài)，此外，前人對(duì)于土體抗裂性能的研究主要集中于黏土、粉黏及膨脹土[10-11]的定性分析，但由于粉土粒徑較單一，持水能力差且在干縮裂縫定量方面的研究不夠深入。因此本文共設(shè)計(jì)13組配比，旨在分析不同的纖維表面改性方法(NaOH、HCl和KH550)和纖維摻量(0%，0.25%，0.5%，1%)對(duì)水泥土抗干縮性能的影響，并且運(yùn)用數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)技術(shù)分析開(kāi)裂過(guò)程中的試樣表面的位移和應(yīng)變、裂縫長(zhǎng)度以及裂縫面積等開(kāi)裂參數(shù)，此外，為更好地揭示干縮開(kāi)裂的機(jī)理，還分析了水分散失對(duì)裂縫的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自山西省太原市某建筑工地，取土深度約為3 m～4 m，根據(jù)土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50123-2019[12]，測(cè)得土的基本物理性質(zhì)如表1所示。

表1 土的基本物理性質(zhì)Table 1 Properties of soil

PP纖維采用上海臣啟化工科技有限公司生產(chǎn)的束狀單絲纖維，纖維長(zhǎng)12 mm，纖維的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2.試驗(yàn)所用水泥為42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。

表2 纖維的性質(zhì)Table 2 Properties of fiber

1.2 纖維表面改性

在纖維改性之前，為使其充分浸泡于改性溶液以及均勻分散于試樣中，故有必要將纖維進(jìn)行分散，其方法為將纖維裝入帶有開(kāi)口的密封袋中，然后用氣槍將束狀纖維吹散為根狀、蓬松狀態(tài)，圖1為纖維吹散前后對(duì)比圖。將PP纖維進(jìn)行預(yù)處理能夠去除纖維表面的殘留物，使纖維與基質(zhì)能更好地粘接，且CHUN et al[13]的研究表明丙酮洗滌能有效提高界面粘合強(qiáng)度和纖維拔出能量，因此先將纖維在丙酮溶液內(nèi)浸泡2 h，浸泡完畢后用蒸餾水洗滌3遍，在室內(nèi)自然晾干。然后運(yùn)用表3的改性方法對(duì)纖維表面進(jìn)行優(yōu)化，改性完成后將纖維用蒸餾水洗滌至中性，最后將纖維在80°的烘箱內(nèi)干燥1 h，將烘干后的纖維放入密封袋后以備后續(xù)使用，圖2為纖維表面改性流程。

圖1 PP纖維Fig.1 PP fiber

圖2 纖維表面改性流程Fig.2 Process of fiber surface modification

表3 纖維表面改性方法Table 3 Fiber surface modification methods

1.3 樣品制備

將取回的土樣烘干、粉碎并過(guò)2 mm篩，然后稱取一定量的土和水泥干拌均勻后，將處理過(guò)的纖維均勻、分批次的摻入到混合物中，最后再加入適量的水配置成水泥漿，手動(dòng)混合均勻后，將拌制好的水泥漿倒入直徑為100 mm的硼硅酸玻璃容器中，樣品厚度控制為8 mm，然后振搗約2 min，以排除制作過(guò)程中產(chǎn)生的密閉氣泡，并用刮刀將試樣表面抹平。為探究纖維改性方法以及纖維摻量對(duì)水泥土干縮特性的影響，本文共設(shè)計(jì)了13組配比，其配合比如表4所示。

表4 試驗(yàn)配合比Table 4 Mixture proportions

其中：1) 含水量為試驗(yàn)用土的液限加0.5水灰比，為32.75%，取33%；2) 纖維摻量的百分比為纖維質(zhì)量占干土質(zhì)量的比值；3) PC代表水泥土，PP指未改性纖維，PN指NaOH改性，PH指HCl改性，PK指KH550改性。

1.4 測(cè)試方法

因新制水泥土漿液表面水分散失易導(dǎo)致試樣的散斑顏色變淺，降低圖像的對(duì)比度，故本試驗(yàn)將新制備的漿液在室內(nèi)干燥0.5 h后噴灑黑色油漆斑點(diǎn)，并保證散斑大小不一，層次分明且清晰可見(jiàn)，圖3為試樣表面的散斑圖案。

圖3 散斑圖案Fig.3 Speckle pattern

DIC數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用分辨率為3 840×2 748的電荷耦合元件(CCD)工業(yè)相機(jī)，試樣采集幀率為7幀/s，通過(guò)紅外線溫槍將試樣表面的溫度控制為50 ℃，加熱裝置采用陶瓷加熱燈，并在試驗(yàn)裝置兩側(cè)放置一對(duì)LED光源以獲取高對(duì)比度的圖像，測(cè)試過(guò)程中每間隔3 min拍攝一張?jiān)嚇颖砻娴纳邎D像，直至t=480 min.此外，為了分析試樣在干燥過(guò)程中的水分蒸發(fā)情況，利用精度為0.1 g的電子天平對(duì)其進(jìn)行稱重，基于獲得的質(zhì)量損失評(píng)估試樣的含水率變化，圖像后處理采用軟件GOM Correlate 2020.試驗(yàn)裝置示意圖如圖4所示。

圖4 干縮試驗(yàn)裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of test device

2 結(jié)果和討論

2.1 試樣水分散失

因水泥土試樣裂縫發(fā)育與其內(nèi)部水分的散失存在密切的耦合關(guān)系，水分蒸發(fā)的快慢直接影響裂縫的萌生、擴(kuò)展和裂縫網(wǎng)絡(luò)的幾何形態(tài)[14]，因此有必要對(duì)試樣的含水率進(jìn)行研究。從圖5可看出試樣水分散失曲線的斜率趨于一致，這表明試樣的水分散失過(guò)程不受纖維改性方法及纖維摻量的影響。試樣的干燥收縮過(guò)程可分為3個(gè)階段，分別為常速率階段、減速率階段和殘余階段[15]。在常速率階段，含水率隨干燥時(shí)間呈線性遞減，結(jié)合DIC所拍攝的裂縫演化圖像發(fā)現(xiàn)含水率約為30%時(shí)，試樣表面出現(xiàn)裂縫；當(dāng)含水率為25%時(shí)(t=60 min)，發(fā)現(xiàn)裂縫網(wǎng)絡(luò)的幾何形態(tài)基本定型，隨著失水時(shí)間的增加，裂縫只是在寬度和長(zhǎng)度上增加，不會(huì)再出現(xiàn)新的裂縫，曾浩等[16]也在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。隨著干燥時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，干燥收縮曲線幾乎趨于平緩，最終達(dá)到平穩(wěn)。

圖5 不同纖維改性方法和纖維摻量的試樣含水率隨時(shí)間的變化曲線Fig.5 Curve of moisture content of the specimens with different fiber modification methods and fiber content changing with time

2.2 試樣表面應(yīng)變分布

基于DIC原理可知應(yīng)變是位移偏導(dǎo)數(shù)的近似值，而位移的突變(即表面裂紋)可用應(yīng)變的局部極值來(lái)表示，且受纖維分散的不均勻性、水泥土基質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的各向異性以及外界條件的影響，試樣表面的收縮呈現(xiàn)不均勻性，故試樣表面應(yīng)變場(chǎng)對(duì)于說(shuō)明裂紋的萌生與位置以及提前預(yù)測(cè)試樣局部區(qū)域的干縮開(kāi)裂特性是非常有用的，因此有必要運(yùn)用DIC技術(shù)對(duì)試樣表面的應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行深入的研究。

圖6是通過(guò)DIC技術(shù)得到的試樣沿X方向60 min的應(yīng)變分布。從圖6中可看出試樣表面應(yīng)變分布呈現(xiàn)不均勻性，觀察到明顯的應(yīng)變集中帶，裂紋主要集中于高拉伸區(qū)域，細(xì)微裂紋邊緣具有較高的拉伸應(yīng)變(應(yīng)變場(chǎng)為正，顯示為紅色)，且試樣表面黃色或橙色區(qū)域表示拉伸應(yīng)變較大，為即將出現(xiàn)裂紋的區(qū)域。由于干縮裂紋的產(chǎn)生，導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，在裂紋的相鄰區(qū)域產(chǎn)生較高的壓縮應(yīng)變(應(yīng)變場(chǎng)為負(fù)，顯示為深藍(lán)色)。當(dāng)纖維摻量為0.25%時(shí)，經(jīng)NaOH、HCl和KH550改性后的試樣表面最大拉伸和壓縮應(yīng)變相較于改性前分別降低了17.1%和15.1%、6.0%和9.2%以及24.0%和5.9%，因此改性后的纖維能有效降低試樣表面的應(yīng)力集中，從而延緩干縮裂紋的發(fā)展，提高試樣的抗應(yīng)變能力和抗變形能力。

從圖6可看出添加0.5%和1%未改性的纖維在試樣中部出現(xiàn)數(shù)條長(zhǎng)度較短且不相交的非貫穿的細(xì)微裂縫，改性后試樣表面的最大拉伸和壓縮應(yīng)變、裂縫條數(shù)、長(zhǎng)度均明顯小于改性前，其中經(jīng)KH550改性摻量為1%的試樣表面未出現(xiàn)細(xì)微裂縫?？梢?jiàn)，纖維摻量的增加可明顯減少裂縫的長(zhǎng)度和寬度，且改性后的試樣均能降低試樣表面的應(yīng)力分布，從而有效地抑制水泥土干縮過(guò)程中裂縫的萌生與擴(kuò)展。測(cè)試結(jié)果可以更好地了解水泥土試樣干縮-開(kāi)裂過(guò)程中的變形發(fā)展情況，通過(guò)DIC技術(shù)獲得的完整應(yīng)變場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)于檢測(cè)裂縫的動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程非常有價(jià)值。

NAHLAWI et al[16]的研究表明干縮裂縫按照產(chǎn)生的先后順序可分為主裂縫、次級(jí)裂縫以及3級(jí)裂縫。由圖7可看出，當(dāng)未添加纖維時(shí)，試樣裂紋網(wǎng)絡(luò)由1條貫穿于中部的宏觀主裂縫(長(zhǎng)度和寬度均較大)，垂直于主裂縫某一位置的3條相對(duì)較短的次級(jí)裂縫，以及由于邊界效應(yīng)的影響沿容器壁邊緣產(chǎn)生了一條明顯的環(huán)狀裂縫和數(shù)條延伸至容器壁的3級(jí)裂縫組成。當(dāng)纖維摻量為0.25%時(shí)，未改性的試樣出現(xiàn)3條互不相交肉眼可見(jiàn)的宏觀主裂縫，經(jīng)NaOH、HCl和KH550改性后的試樣表面出現(xiàn)數(shù)條互相連通的細(xì)裂紋，相互交織成網(wǎng)從而將試樣表面劃分為多個(gè)面積較小的塊區(qū)，且每條裂縫的長(zhǎng)度和寬度明顯小于改性前。

從圖7中可發(fā)現(xiàn)表面裂紋網(wǎng)絡(luò)幾何形態(tài)與圖6觀察到的高拉伸應(yīng)變區(qū)域具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，此外，發(fā)現(xiàn)裂紋網(wǎng)絡(luò)主要由3種類型的多邊形組成，即三角形、四邊形和五邊形，裂紋段彼此相交，其相交角度大約為90°到150°，超出此范圍的角度很小。這種現(xiàn)象可用最大應(yīng)力釋放準(zhǔn)則來(lái)解釋：當(dāng)裂縫產(chǎn)生后，周?chē)膹埨瓚?yīng)力逐漸釋放，此時(shí)最大張拉應(yīng)力的方向?yàn)槠叫杏诹芽p的方向，裂縫的擴(kuò)展傾向于沿著垂直于局部最大主應(yīng)力的方向發(fā)育，因此次級(jí)裂縫與主裂縫垂直，與3級(jí)裂縫相交，裂縫數(shù)量在擴(kuò)展到穩(wěn)定[17]。

圖6 試樣X(jué)方向60 min表面應(yīng)變場(chǎng)分布Fig.6 Surface strain field along the X-direction of the specimens at 60 min

2.3 試樣表面裂紋的量化

為探究纖維改性方法以及纖維摻量對(duì)水泥土試樣干縮裂縫的影響，通過(guò)DIC數(shù)據(jù)得出試樣表面裂紋長(zhǎng)度和裂縫面積與裂縫寬度分布之間的直方圖，從而評(píng)估纖維改性方法與摻量在控制干燥收縮裂紋方面的效果。當(dāng)纖維摻量為0.25%時(shí)，未改性纖維的寬度大多集中于0.6 mm～0.8 mm，而經(jīng)過(guò)NaOH、HCl及KH550改性的試樣寬度范圍為0.1 mm～0.5 mm，可見(jiàn)不同改性方法處理的纖維均能降低試樣表面裂縫長(zhǎng)度和裂縫面積，并且將相對(duì)集中的短而寬的宏觀裂縫分散為數(shù)條長(zhǎng)而窄的細(xì)微裂縫。

為更好地分析不同改性方法和纖維摻量對(duì)裂紋網(wǎng)絡(luò)幾何形態(tài)的影響，本文引入裂紋強(qiáng)度因子(CIF)和裂紋減少率(CRR)[18]對(duì)試樣的開(kāi)裂程度進(jìn)行了量化，將CIF和CRR定義如下：

(1)

(2)

式中：Ac為裂紋總面積，At為試樣總面積，CIFn為未加筋試樣的裂紋強(qiáng)度因子，CIFf為纖維加筋試樣的裂紋強(qiáng)度因子。

從圖9可看出當(dāng)纖維摻量為0.25%時(shí)，改性后試樣的裂紋強(qiáng)度因子(即裂紋總面積)相比于改性前均有一定程度的降低，與圖7的結(jié)果相對(duì)應(yīng)，而經(jīng)NaOH、HCl和KH550改性后的試樣裂紋減少率相比于改性前分別提高了27.64%，28.10%和2.42%，值得注意的是經(jīng)過(guò)KH550改性且摻量為1%的試樣裂紋減少率為100%，因此纖維改性能有效抑制干縮裂紋的萌生與擴(kuò)展，從而提高了試樣的抗干縮能力。

圖7 0.25%纖維摻量的試樣表面最終裂紋網(wǎng)絡(luò)幾何形態(tài)Fig.7 Geometry of final crack network of the specimen surface with 0.25% fiber content

圖8 不同改性方法與纖維摻量的試樣表面裂紋參數(shù)分布直方圖Fig.8 Histogram of surface crack parameters distribution of the specimens with different modification methods and fiber contents

圖9 各組試樣的裂紋強(qiáng)度因子Fig.9 Crack intensity factors of the specimens

圖10 各組試樣的裂紋減少率Fig.10 Crack reduction ratio of the specimens

3 機(jī)理研究

圖11顯示了改性前后PP纖維的表面形態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)改性前PP纖維表面非常光滑和平坦，這表明PP纖維和水泥土之間的粘合較差，對(duì)水泥土基體變形的限制作用較小，然而經(jīng)NaOH和HCl改性后的纖維表面較粗糙、凹凸不平，同時(shí)還可以觀察到半剝落的纖維附著在表面，而經(jīng)KH550改性的試樣相對(duì)光滑但表面也伴隨著數(shù)條長(zhǎng)劃痕，從而使纖維與水泥土基質(zhì)之間在水化及固化過(guò)程中具有更好的界面粘結(jié)力[19]，提高了試樣的抗變形能力。

圖11 改性前后PP纖維表面形態(tài)Fig.11 Surface morphology of PP fiber before and after modification

由于PP纖維表面具有疏水性且表面能較低，不利于水泥顆粒的水化以及與水泥土基質(zhì)的粘結(jié)，因此有必要通過(guò)壓汞法測(cè)量試樣的孔徑分布以及孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)來(lái)評(píng)估纖維的改性效果，結(jié)果如圖12和表5所示。因較粗的孔隙會(huì)促進(jìn)裂紋的萌生與發(fā)展，為了進(jìn)一步研究水泥土基質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)，將試樣孔徑分為4個(gè)尺寸范圍，分別為微孔(小于10 nm)、小孔(10～100 nm)、中孔(100～1 000 nm)和大孔(大于1 000 nm).從圖12中可看出改性后水泥土基質(zhì)中小孔所占的比例有所提高，同時(shí)減少了中孔的體積[20-21]，這表明纖維改性使孔隙的局部結(jié)構(gòu)得到細(xì)化，且通過(guò)表6可知改性后試樣的孔隙率相比于改性前分別減少了4.87%、4.8%和5.83%，這表明纖維改性提高了纖維水泥土的密實(shí)度，導(dǎo)致了更致密的微觀結(jié)構(gòu)和更好的粘結(jié)性能，從而有效減少了試樣的干燥收縮變形，這與之前的裂縫量化結(jié)果非常吻合。

圖12 1%纖維摻量的試樣孔隙的體積分?jǐn)?shù)Fig.12 Volume fraction of specimen pores with 1% fiber content

表5 1%纖維摻量試樣孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)Table 5 Pore structure characteristic parameters of specimens with 1% fiber content

4 結(jié)語(yǔ)

本文為改進(jìn)水泥加固高含水量軟土作為公路路基材料中干縮開(kāi)裂的不足進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，并評(píng)估了纖維改性方法(NaOH、HCl和KH550)和纖維摻量(0%，0.25%，0.5%和1%)對(duì)水泥土基體干縮行為的影響?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：

1) 各組試樣水分散失曲線的斜率趨于一致，表明試樣水分散失過(guò)程不受纖維改性以及纖維摻量的影響，故在水泥土中加入纖維不會(huì)顯著影響其干燥失水過(guò)程。

2) DIC數(shù)據(jù)表明纖維改性能有效降低試樣表面的最大拉伸和壓縮應(yīng)變，減緩試樣表面的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而延緩干縮裂紋的發(fā)展，提高試樣的抗應(yīng)變能力和抗變形能力。

3) 當(dāng)纖維摻量為0.25%時(shí)，改性后的試樣裂紋減少率相比于改性前分別提高了27.64%，28.10%和2.42%，且當(dāng)纖維摻量為1%時(shí)，經(jīng)過(guò)KH550處理的試樣表面未出現(xiàn)細(xì)微裂紋。

4) SEM圖像表明經(jīng)NaOH和HCl改性的試樣表面較粗糙，使纖維與水泥土基質(zhì)在水化及固化過(guò)程中具有更好的界面粘結(jié)力。此外，通過(guò)壓汞法得到的孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)表明纖維改性會(huì)導(dǎo)致更致密的微觀結(jié)構(gòu)和更好的粘結(jié)性能，從而有效減少水泥土基質(zhì)的干縮變形。