天然纖維/環(huán)氧樹脂-混凝土的濕熱老化強(qiáng)度模型研究

劉 海

( 河南省濮衛(wèi)高速公路有限公司，河南濮陽 457000)

作為標(biāo)準(zhǔn)的聚合物混凝土，環(huán)氧樹脂- 混凝土的主要優(yōu)勢在于其抗壓縮性能較好［1］，具有優(yōu)異的耐腐蝕性能與固化效率，被廣泛應(yīng)用在建筑工程、公路橋梁工程、航天與體育器材等領(lǐng)域［2］，具有良好的應(yīng)用市場。但環(huán)氧樹脂- 混凝土依舊存在一定的缺陷，即其拉伸強(qiáng)度存在一定局限性［3］，這一局限性導(dǎo)致其抗彎強(qiáng)度存在明顯缺陷，令其存在受拉區(qū)域過早破壞以及內(nèi)部具有不明顯裂紋的現(xiàn)象［4］。

針對環(huán)氧樹脂- 混凝土存在的問題，相關(guān)研究人員通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)研究，將纖維物質(zhì)添加到環(huán)氧樹脂- 混凝土內(nèi)，能夠有效改善混凝土內(nèi)部裂紋的問題，提升其抗彎強(qiáng)度［5-6］。天然纖維是當(dāng)前備受關(guān)注的環(huán)保型工程材料，相較于合成纖維與鋼纖維等，其主要優(yōu)勢在于作為農(nóng)副產(chǎn)品，價格較低，綠色環(huán)保等［7-8］。將天然纖維添加到環(huán)氧樹脂- 混凝土內(nèi)，能夠制備出天然纖維/ 環(huán)氧樹脂- 混凝土，該混凝土的力學(xué)性能更優(yōu)。但天然纖維對環(huán)氧樹脂的作用具有極度復(fù)雜性［9］，將其添加到環(huán)氧樹脂- 混凝土中，在應(yīng)用時將對于周邊環(huán)境的穩(wěn)定性提出更高要求［10］。當(dāng)前針對天然纖維/ 環(huán)氧樹脂- 混凝土在應(yīng)用環(huán)境下的濕熱老化的研究并不多見。基于此，研究天然纖維/環(huán)氧樹脂-混凝土的濕熱老化強(qiáng)度模型，希望為后續(xù)天然纖維/環(huán)氧樹脂-混凝土的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 混凝土制備材料

天然纖維/ 環(huán)氧樹脂- 混凝土制備過程中所使用的材料主要包括：天然纖維、環(huán)氧樹脂、固化劑、骨料和填料。

（1）天然纖維為新西蘭麻葉纖維( 天然植物纖維)與棕櫚葉纖維( 天然植物纖維)。利用分析天平與萬能試驗(yàn)機(jī)分別檢測新西蘭麻葉纖維與棕櫚葉纖維的密度、直徑與力學(xué)性質(zhì)，見表1。

表1 天然纖維的密度、直徑與力學(xué)性質(zhì)Table 1 Density, diameter and mechanical properties of natural fibers

（2）環(huán)氧樹脂型號為WSR618A，工業(yè)級，廊坊進(jìn)祿防腐材料有限公司生產(chǎn)，環(huán)氧當(dāng)量與環(huán)氧值分別為200g/mol 和0.52±0.04，粘度和密度分別為13000±3000 mPa·s 和1.1g/cm3。

（3）固化劑為QS-3218HB，工業(yè)級，北京金島奇士材料科技有限公司生產(chǎn)，其密度與黏度分別為0.996 g/cm3和 150±50 Pa·s。

（4）骨料產(chǎn)自于內(nèi)鄉(xiāng)恒遠(yuǎn)石業(yè)有限公司，其中細(xì)骨料與粗骨料比例分別為45% 和55%。細(xì)骨料粒徑均值小于4.80mm，細(xì)度模數(shù)與密度分別為2.9 與2750kg/m3；粗骨料粒徑均值在4.80～5.00 mm 之間。

（5）以鄭州軒泰自動化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的白水泥為填料。

1.2 混凝土試件制備

在制備天然纖維/ 環(huán)氧樹脂- 混凝土前，需先將新西蘭麻葉纖維與棕櫚葉纖維置于氫氧化鈉溶液內(nèi)浸泡，溶液溶度與浸泡時間分別為1%和0.5h。取出兩種纖維后，利用清水超聲清洗兩種纖維［10］，晾干后將兩種纖維切成長度分別為7mm、10mm 和13mm 的短纖維。

利用環(huán)氧樹脂、固化劑與稀釋劑合成膠粘劑，三者質(zhì)量比為4：1：1.2。以質(zhì)量比7：1：1 為標(biāo)準(zhǔn)將骨料、填料與膠粘劑混合，設(shè)定天然纖維體積參數(shù)為0.20%，根據(jù)不同纖維長度，通過攪拌制備天然纖維/環(huán)氧樹脂-混凝土試件，不同纖維長度試件（包括未添加天然纖維的試件）均制備3 個，共12 個試件。

試件制備具體過程：(1)清洗骨料，并晾干備用；(2)依照設(shè)定質(zhì)量比將不同組分材料稱重配比；(3) 將骨料與填料攪拌均勻后添加天然纖維；(4) 在攪拌均勻的膠粘劑內(nèi)加入攪拌好的骨料、填料與天然纖維；(5) 在攪拌均勻的混凝土料體內(nèi)加入固化劑，設(shè)定攪拌時間為60s；(6)清洗模具，將混凝土料體倒入其中，振動排出氣泡；(7)室溫環(huán)境下養(yǎng)護(hù)處理，設(shè)定時間為24h，制備試件，并在27 天后檢測各試件性能。

1.3 濕熱老化強(qiáng)度模型構(gòu)建

1.3.1 濕熱老化環(huán)境設(shè)定

依照區(qū)域范圍內(nèi)的年太陽輻射均值、年太陽輻射總量與年紫外線輻射量情況，采用紫外光耐氣候試驗(yàn)箱對所制備的不同試件實(shí)施熱加速老化測試。試驗(yàn)箱內(nèi)燈管數(shù)量為8 根，各燈管額定功率為12W，以Ie表示測試過程中試件表層獲取的紫外光強(qiáng)度均值，其計(jì)算公式如下：

老化測試過程在仿真光照的同時，還仿真了白天與夜晚的溫度轉(zhuǎn)換［11］。確定等效一年紫外光老化的試驗(yàn)時間t。設(shè)定最長等效老化時間為7 年，表2 內(nèi)列出試驗(yàn)老化時間與等效的實(shí)際老化時間對照情況。

表2 老化時間對照情況Table 2 Comparison of aging time

通過紫外光功率、溫度與濕度這三個參數(shù)的不間斷波動能夠仿真顯示區(qū)域范圍內(nèi)的白晝交替情況。依照非金屬材料在外界環(huán)境中的檢測標(biāo)準(zhǔn)［12］，設(shè)定環(huán)境控制參數(shù)的循環(huán)周期、溫度上限值與相對濕度分別為4h、55℃和區(qū)域相對濕度上限值的85%。

為獲取各試件老化過程中的各項(xiàng)參數(shù)結(jié)果，確定天然纖維/環(huán)氧樹脂-混凝土的老化過程。在測試過程中任意確定若干個老化時間點(diǎn)。并且各組測試過程均重復(fù)10次，在確定性能表征結(jié)果時以10 次測試結(jié)果均值為準(zhǔn)，以此提升測試結(jié)果精度。

1.3.2 力學(xué)性能測試

對所制備的試件進(jìn)行切割處理，將各試件切割成長寬高分別為10cm、10nm 和50cm 的長方體。依照相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)［13］，在室溫環(huán)境下，利用萬能電子壓力試驗(yàn)機(jī)，測試各試件的力學(xué)性能。

抗壓強(qiáng)度Yc計(jì)算公式如下：

式（2）中，F(xiàn)z和S分別表示試件壓縮破壞時所承受的荷載上限值與試件的截面面積。

抗彎強(qiáng)度Yb計(jì)算公式如下：

式（3）中，P和L分別表示載荷上限值與跨徑，b和h分別表示試件寬度和高度。

利用式（4）能夠描述Yb對應(yīng)的應(yīng)變：

式（4）中，f表示試件同夾頭接觸點(diǎn)的擾度值。

1.3.3 質(zhì)量波動檢測

依照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對所制備試件進(jìn)行質(zhì)量增長率測試［14］。對各試件進(jìn)行真空干燥處理，將處理后的試件放置在恒溫恒濕試驗(yàn)箱內(nèi)，每隔固定時間取出試件吸取試件表層多余水分，通過電子分析天平檢測各試件質(zhì)量波動情況。

1.3.4 濕熱老化強(qiáng)度模型

根據(jù)抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、質(zhì)量波動率以及老化時間，構(gòu)建濕熱老化強(qiáng)度模型，公式描述如下：

式（5）中，Y（t）表示濕熱老化強(qiáng)度，t表示老化時間；r表示關(guān)于試件壽命的時間特征；Zl表示試件濕熱老化條件下的質(zhì)量波動率。

2 測試結(jié)果

2.1 天然纖維長度對力學(xué)性能的影響

表3 所示為不同天然纖維長度條件下所制備各試件的力學(xué)性能測試結(jié)果。分析得到，在天然纖維長度分別為7mm、10mm 和13mm 的條件下，所制備各試件的抗壓強(qiáng)度波動范圍在69.0～86.0 MPa 之間，而劈裂抗拉強(qiáng)度與抗彎強(qiáng)度值的波動范圍分別為9.0～12.6 MPa 和12.9～14.3 MPa 之間；同未添加天然纖維的試件相比，均有不同程度的提升。并且隨著天然纖維長度的提升，各試件的各項(xiàng)力學(xué)性能提升幅度呈階梯式上升趨勢。測試結(jié)果說明通過在混凝土內(nèi)添加天然纖維能夠提升其力學(xué)性能，同時，所添加天然纖維長度與試件力學(xué)性能提升幅度之間呈正比例相關(guān)，也就是添加13mm 長度天然纖維的試件力學(xué)性能最好，因此后續(xù)試驗(yàn)中均以添加13mm 天然纖維的試件為例。

表3 力學(xué)性能測試結(jié)果Table 3 Test results of mechanical properties

2.2 破壞形式

以添加13mm 長度天然纖維的試件為例，對其進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，圖1 所示為試件斷裂面情況。

圖1 試件抗壓縮測試結(jié)果Fig. 1 Compressive test results of specimen

在圖1(a) 所示的抗壓縮測試下，添加13mm 長度天然纖維的試件受荷載影響產(chǎn)生裂紋。分析試件外部裂紋形態(tài)［圖1(b)］與試件內(nèi)部的裂紋形態(tài)［圖1(c)］可知，受載荷影響下，試件的裂紋發(fā)展方向與試件測試過程中壓縮方向大致相同，不存在明顯的貫穿試件的橫向裂紋，這表示在抗壓縮測試過程中，添加13mm 長度天然纖維的試件在荷載影響下形成裂紋破壞的主要因素為橫向的拉應(yīng)力與拉應(yīng)變，受剪力作用并不顯著。

2.3 老化溫度對抗彎強(qiáng)度的影響

抗彎強(qiáng)度是天然纖維/ 環(huán)氧樹脂- 混凝土實(shí)際應(yīng)用性能評估的主要強(qiáng)度參數(shù)。以添加13mm 長度天然纖維的試件為例，分析不同試驗(yàn)過程中老化溫度對試件抗彎強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 老化溫度對試件抗彎強(qiáng)度的影響Fig. 2 Effect of aging temperature on bending strength of specimen

分析圖2 得到，在進(jìn)行老化測試前，添加13mm 長度天然纖維的試件抗彎強(qiáng)度均值為14.18MPa。在老化測試時間逐漸延長的條件下，試件抗彎強(qiáng)度逐漸下降，這說明老化測試時間與試件抗彎強(qiáng)度之間呈反比例相關(guān)。在老化測試的前15 天中，添加13mm 長度天然纖維的試件抗彎強(qiáng)度下降速度較為顯著，在后12 天，抗彎強(qiáng)度下降速度相對平緩。

同時，分析圖2 還能夠得到，老化處理過程中溫度越高，添加13mm 長度天然纖維的試件抗彎強(qiáng)度下降越快，這說明老化溫度同試件抗彎強(qiáng)度下降速度之間呈正比例相關(guān)。

在不同老化溫度下，試件的抗彎強(qiáng)度逐漸下降的主要原因是試驗(yàn)環(huán)境內(nèi)的水分被試件中的環(huán)氧樹脂所吸收，對環(huán)氧樹脂內(nèi)部處于平穩(wěn)狀態(tài)的分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，降低了大分子鏈之間的相互影響程度，令分子結(jié)構(gòu)內(nèi)的自由體積有所提升，造成交聯(lián)密度降低，即試件內(nèi)環(huán)氧樹脂基體分子間應(yīng)力傳遞功能受到消極影響，而試件內(nèi)的環(huán)氧樹脂是構(gòu)成膠粘劑的主要成分，因此最終導(dǎo)致試件的抗彎強(qiáng)度降低。

2.4 老化溫度對試件質(zhì)量的影響

以添加13mm 長度天然纖維的試件為例，分析不同試驗(yàn)過程中老化溫度對試件質(zhì)量的影響，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 老化溫度對試件質(zhì)量的影響Fig. 3 Influence of aging temperature on specimen mass

分析圖3 得到，在老化處理過程的前18 天，添加13mm 長度天然纖維的試件的質(zhì)量均呈現(xiàn)顯著上升的趨勢，質(zhì)量增長率均在34.0% 左右。老化處理的第18 天開始，試件的質(zhì)量增長率提升速度變緩慢，這一現(xiàn)象與Fick 定理所描述內(nèi)容相匹配，也就是老化處理測試的初始階段，試件的吸濕量提升速度較快，在后期相對變緩，直至飽和狀態(tài)為止。

同時分析圖3 還能夠得到，老化處理測試過程中，老化溫度越高，添加13mm 長度天然纖維的試件質(zhì)量增長速度越高，這表明老化溫度同試件質(zhì)量增長速度間具有正相關(guān)性。并且老化溫度越高，試件飽和吸濕量越大。

試件內(nèi)主要吸濕的成分為環(huán)氧樹脂，在環(huán)氧樹脂內(nèi)，水分子處于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，同時，在空隙以及部分缺陷內(nèi)產(chǎn)生匯聚現(xiàn)象；環(huán)氧樹脂內(nèi)的極性基團(tuán)同所吸收的部分水分子相結(jié)合，由此構(gòu)建自由平穩(wěn)運(yùn)行的化學(xué)鍵，通過結(jié)合水分子的方式存留在試件內(nèi)。被吸收的水分子在環(huán)氧樹脂基內(nèi)逐漸擴(kuò)展運(yùn)動，運(yùn)動過程中所形成的滲透壓令自身內(nèi)部形成裂紋等不同類別的形態(tài)改變，導(dǎo)致環(huán)氧樹脂水解，分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，造成試件內(nèi)環(huán)氧樹脂形成不可逆轉(zhuǎn)的破壞。

2.5 天然纖維體積摻量對試件抗彎強(qiáng)度的影響

通過分析試件內(nèi)天然纖維含量對試件抗彎強(qiáng)度的影響程度，能夠確定最優(yōu)的天然纖維添加量，由此在保障試件性能的同時，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。利用四點(diǎn)彎曲測試方法測試天然纖維體積參數(shù)分別為0%、1.0%、2.0%和3.0%條件下試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線，所得結(jié)果如圖4 所示，基于試件的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算試件的抗彎強(qiáng)度，結(jié)果見表4。

圖4 不同天然纖維體積參數(shù)試件彎拉應(yīng)力與應(yīng)變曲線Fig. 4 Curves of bending and tensile stress and strain of specimens with different natural fiber volume parameters

表4 不同天然纖維體積參數(shù)試件的抗彎強(qiáng)度Table 4 Bending strength of specimens with different natural fiber volume parameters

分析表4 得到，未添加天然纖維的試件抗彎強(qiáng)度為13.01±0.07 MPa，與未添加天然纖維的試件相比，添加天然纖維能夠提升試件的抗彎強(qiáng)度。在天然纖維體積參數(shù)為1% 的條件下，試件抗彎強(qiáng)度顯著提升，達(dá)到13.57±0.06 MPa；在天然纖維體積參數(shù)為2% 的條件下，試件抗彎強(qiáng)度提升幅度依舊較高，達(dá)到14.14±0.08 MPa。隨著天然纖維體積參數(shù)的繼續(xù)提升，試件的抗彎強(qiáng)度同樣呈現(xiàn)提升趨勢，但提升幅度較小，在天然纖維體積參數(shù)分別達(dá)到3% 的條件下，試件的抗彎強(qiáng)度僅提升至14.19±0.11 MPa。由此說明在試件內(nèi)添加體積參數(shù)為2% 的天然纖維最為科學(xué)。

2.6 模型擬合結(jié)果

將本文所研究的濕熱老化強(qiáng)度模型應(yīng)用于試件的濕熱老化強(qiáng)度研究里，通過參數(shù)擬合得到圖5 所示的擬合結(jié)果。基于圖5 得到老化試驗(yàn)的擬合結(jié)果，見表5。

圖5 強(qiáng)度保持率擬合結(jié)果Fig. 5 Fitting results of strength retention rate

表5 老化試驗(yàn)擬合結(jié)果Table 5 Fitting results of aging test

分析表5 得到，兩者的r值差異較小，擬合優(yōu)度R2高于0.95，由此說明本文模型擬合效果較好，可應(yīng)用性較高。

3 結(jié)論

本文研究天然纖維/ 環(huán)氧樹脂- 混凝土的濕熱老化強(qiáng)度模型，利用新西蘭麻葉纖維、棕櫚葉纖維與環(huán)氧樹脂、固化劑、骨料和填料等制備混凝土試件，在設(shè)定的試驗(yàn)條件下檢測各試件的各項(xiàng)性能，并基于試件的彎曲強(qiáng)度與暴露時間構(gòu)建濕熱老化強(qiáng)度模型。

（1）隨著天然纖維長度的提升，各試件的各項(xiàng)力學(xué)性能提升幅度呈階梯式上升趨勢。

（2）試件在荷載影響下形成裂紋破壞的主要因素為橫向的拉應(yīng)力與拉應(yīng)變，受剪力作用并不顯著。

（3）老化溫度同試件抗彎強(qiáng)度下降速度與質(zhì)量增長速度間具有正比例相關(guān)性。

（4）在試件內(nèi)添加體積參數(shù)為2% 的天然纖維最為科學(xué)。

（5）本文模型擬合優(yōu)化高于0.95。