天然纖維/環(huán)氧樹脂-混凝土的濕熱老化強度模型研究

劉 海

(河南省濮衛(wèi)高速公路有限公司，河南濮陽 457000)

作為標準的聚合物混凝土，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，被廣泛應用在建筑工程、公路橋梁工程、航天與體育器材等領域［2］，具有良好的應用市場。但環(huán)氧樹脂-混凝土依舊存在一定的缺陷，即其拉伸強度存在一定局限性［3］，這一局限性導致其抗彎強度存在明顯缺陷，令其存在受拉區(qū)域過早破壞以及內部具有不明顯裂紋的現象［4］。

針對環(huán)氧樹脂-混凝土存在的問題，相關研究人員通過反復實驗研究，將纖維物質添加到環(huán)氧樹脂-混凝土內，能夠有效改善混凝土內部裂紋的問題，提升其抗彎強度［5-6］。天然纖維是當前備受關注的環(huán)保型工程材料，相較于合成纖維與鋼纖維等，其主要優(yōu)勢在于作為農副產品，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，能夠制備出天然纖維/環(huán)氧樹脂-混凝土，該混凝土的力學性能更優(yōu)。但天然纖維對環(huán)氧樹脂的作用具有極度復雜性［9］，將其添加到環(huán)氧樹脂-混凝土中，在應用時將對于周邊環(huán)境的穩(wěn)定性提出更高要求［10］。當前針對天然纖維/環(huán)氧樹脂-混凝土在應用環(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度模型，希望為后續(xù)天然纖維/環(huán)氧樹脂-混凝土的應用提供理論依據。

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機分別檢測新西蘭麻葉纖維與棕櫚葉纖維的密度、直徑與力學性質，見表1。

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

（2）環(huán)氧樹脂型號為WSR618A，工業(yè)級，廊坊進祿防腐材料有限公司生產，環(huán)氧當量與環(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，其密度與黏度分別為0.996 g/cm3和 150±50 Pa·s。

（4）骨料產自于內鄉(xiāng)恒遠石業(yè)有限公司，其中細骨料與粗骨料比例分別為45%和55%。細骨料粒徑均值小于4.80mm，細度模數與密度分別為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備有限公司生產的白水泥為填料。

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，三者質量比為 4：1：1.2。以質量比7：1：1為標準將骨料、填料與膠粘劑混合，設定天然纖維體積參數為0.20%，根據不同纖維長度，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)依照設定質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加入固化劑，設定攪拌時間為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)護處理，設定時間為24h，制備試件，并在27天后檢測各試件性能。

1.3 濕熱老化強度模型構建

1.3.1 濕熱老化環(huán)境設定

依照區(qū)域范圍內的年太陽輻射均值、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箱對所制備的不同試件實施熱加速老化測試。試驗箱內燈管數量為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度均值，其計算公式如下：

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換［11］。確定等效一年紫外光老化的試驗時間t。設定最長等效老化時間為7年，表2內列出試驗老化時間與等效的實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的不間斷波動能夠仿真顯示區(qū)域范圍內的白晝交替情況。依照非金屬材料在外界環(huán)境中的檢測標準［12］，設定環(huán)境控制參數的循環(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參數結果，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。并且各組測試過程均重復10次，在確定性能表征結果時以10次測試結果均值為準，以此提升測試結果精度。

1.3.2 力學性能測試

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

抗壓強度Yc計算公式如下：

式（2）中，Fz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。

抗彎強度Yb計算公式如下：

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對應的應變：

式（4）中，f表示試件同夾頭接觸點的擾度值。

1.3.3 質量波動檢測

依照國家相關標準，對所制備試件進行質量增長率測試［14］。對各試件進行真空干燥處理，將處理后的試件放置在恒溫恒濕試驗箱內，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量波動情況。

1.3.4 濕熱老化強度模型

根據抗壓強度、抗彎強度、質量波動率以及老化時間，構建濕熱老化強度模型，公式描述如下：

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

2 測試結果

2.1 天然纖維長度對力學性能的影響

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性能測試結果。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度波動范圍在69.0～86.0 MPa之間，而劈裂抗拉強度與抗彎強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，各試件的各項力學性能提升幅度呈階梯式上升趨勢。測試結果說明通過在混凝土內添加天然纖維能夠提升其力學性能，同時，所添加天然纖維長度與試件力學性能提升幅度之間呈正比例相關，也就是添加13mm長度天然纖維的試件力學性能最好，因此后續(xù)試驗中均以添加13mm天然纖維的試件為例。

表3 力學性能測試結果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，對其進行抗壓強度測試，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生裂紋。分析試件外部裂紋形態(tài)［圖1(b)］與試件內部的裂紋形態(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力與拉應變，受剪力作用并不顯著。

2.3 老化溫度對抗彎強度的影響

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

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

分析圖2得到，在進行老化測試前，添加13mm長度天然纖維的試件抗彎強度均值為14.18MPa。在老化測試時間逐漸延長的條件下，試件抗彎強度逐漸下降，這說明老化測試時間與試件抗彎強度之間呈反比例相關。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度下降速度較為顯著，在后12天，抗彎強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度下降越快，這說明老化溫度同試件抗彎強度下降速度之間呈正比例相關。

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

2.4 老化溫度對試件質量的影響

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

圖3 老化溫度對試件質量的影響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量均呈現顯著上升的趨勢，質量增長率均在34.0%左右。老化處理的第18天開始，試件的質量增長率提升速度變緩慢，這一現象與Fick定理所描述內容相匹配，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量增長速度越高，這表明老化溫度同試件質量增長速度間具有正相關性。并且老化溫度越高，試件飽和吸濕量越大。

試件內主要吸濕的成分為環(huán)氧樹脂，在環(huán)氧樹脂內，水分子處于擴展狀態(tài)，同時，在空隙以及部分缺陷內產生匯聚現象；環(huán)氧樹脂內的極性基團同所吸收的部分水分子相結合，由此構建自由平穩(wěn)運行的化學鍵，通過結合水分子的方式存留在試件內。被吸收的水分子在環(huán)氧樹脂基內逐漸擴展運動，運動過程中所形成的滲透壓令自身內部形成裂紋等不同類別的形態(tài)改變，導致環(huán)氧樹脂水解，分子結構產生變化，造成試件內環(huán)氧樹脂形成不可逆轉的破壞。

2.5 天然纖維體積摻量對試件抗彎強度的影響

通過分析試件內天然纖維含量對試件抗彎強度的影響程度，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)約經濟成本。利用四點彎曲測試方法測試天然纖維體積參數分別為0%、1.0%、2.0%和3.0%條件下試件的應力應變曲線，所得結果如圖4所示，基于試件的應力應變計算試件的抗彎強度，結果見表4。

圖4 不同天然纖維體積參數試件彎拉應力與應變曲線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試件的抗彎強度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度。在天然纖維體積參數為1%的條件下，試件抗彎強度顯著提升，達到13.57±0.06 MPa；在天然纖維體積參數為2%的條件下，試件抗彎強度提升幅度依舊較高，達到14.14±0.08 MPa。隨著天然纖維體積參數的繼續(xù)提升，試件的抗彎強度同樣呈現提升趨勢，但提升幅度較小，在天然纖維體積參數分別達到3%的條件下，試件的抗彎強度僅提升至14.19±0.11 MPa。由此說明在試件內添加體積參數為2%的天然纖維最為科學。

2.6 模型擬合結果

將本文所研究的濕熱老化強度模型應用于試件的濕熱老化強度研究里，通過參數擬合得到圖5所示的擬合結果。基于圖5得到老化試驗的擬合結果，見表5。

圖5 強度保持率擬合結果Fig.5 Fitting results of strength retention rate

表5 老化試驗擬合結果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，可應用性較高。

3 結論

本文研究天然纖維/環(huán)氧樹脂-混凝土的濕熱老化強度模型，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，在設定的試驗條件下檢測各試件的各項性能，并基于試件的彎曲強度與暴露時間構建濕熱老化強度模型。

（1）隨著天然纖維長度的提升，各試件的各項力學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力與拉應變，受剪力作用并不顯著。

（3）老化溫度同試件抗彎強度下降速度與質量增長速度間具有正比例相關性。

（4）在試件內添加體積參數為2%的天然纖維最為科學。

（5）本文模型擬合優(yōu)化高于0.95。