聚乙烯醇纖維對改性脫硫石膏受力變形特征影響

趙峰娃,范紅君,程占，高聰,張瀚文

（1.中國海螺環(huán)?？毓捎邢薰狙芯吭?，安徽 蕪湖 241003；2.安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大學環(huán)境友好材料與職業(yè)健康研究院，安徽 蕪湖 241003）

0 引言

脫硫石膏是一種將含硫物質(zhì)燃燒后產(chǎn)生的煙氣，再應(yīng)用石灰濕法脫硫工藝得到的固體廢棄物，其產(chǎn)量日益增多，如何對大量存貯堆放的脫硫石膏進行有效處理和資源化利用引起了學者們的密切關(guān)注[1]。

由于原狀脫硫石膏強度低，耐水性差，近年來，許多學者將脫硫石膏在110℃～170℃下煅燒，再與礦物激發(fā)劑、化學激發(fā)劑混合攪拌最終形成改性脫硫石膏，改性后的脫硫石膏很大程度上能克服上述缺點[2]。饒岳成等[3]利用套筒致裂法對改性脫硫石膏的抗拉強度進行測定，結(jié)果表明改性脫硫石膏的抗拉強度比水泥砂漿要高，且隨著養(yǎng)護齡期增加強度也會逐漸增強，然而僅針對抗拉強度開展研究，缺乏對其他力學性能的測試；施鑫等[4]將改性脫硫石膏基混凝土與水泥基混凝土力學性能進行對比，結(jié)果表明改性脫硫石膏基混凝土抗壓、抗折強度明顯高于水泥基混凝土，抗拉強度則與水泥基混凝土相近，以此證明改性脫硫石膏替代水泥作為膠凝材料是可行的，然而缺乏對試件受力變形后破壞特征的分析；李琳等[5]通過試驗發(fā)現(xiàn)改性脫硫石膏基混凝土具有很高的承載力，抗壓、抗折強度均優(yōu)于普通混凝土，卻未對改性脫硫石膏抗拉性能以及受力變形后的破壞特征開展研究。雖然改性后的脫硫石膏很大程度上改善了自身強度低的情況，但受力變形后的脆性問題依舊突出。參考在混凝土中添加纖維能夠有效改善裂縫的發(fā)育擴展情況，提高混凝土材料自身韌性及承載抗變形能力[6-7]。因此本文考慮在改性脫硫石膏中摻入一定量的纖維，開展各類力學性能測試（抗壓、抗拉、抗折），研究改性脫硫石膏摻加纖維后的受力變形特征。

1 實驗

1.1 實驗原材料

改性脫硫石膏取自上海每天生態(tài)科技發(fā)展有限公司，為淺灰色粉末，它是由原狀脫硫石膏改性處理后獲得的水硬性材料。改性脫硫石膏實物圖以及經(jīng)X射線光電分析（XPS）得到的主要化學成分圖如圖1所示。

圖1 X射線光電分析與實物圖

聚乙烯醇纖維(PVA fiber)是一種新型的合成纖維，其抗拉強度高，彈性模量大，密度低，親水性好，與石膏等基材有良好的親和力和結(jié)合性。通過工程測試發(fā)現(xiàn)，在建筑材料中加入PVA纖維后能夠有效增強抗裂強度，提高材料韌性及承載抗變形能力[8]。因此本文選用長度為18mm PVA纖維，其物理性能參數(shù)見下表。

聚乙烯醇纖維物理性能

1.2 試樣制備與試驗方法

本文按照水膏比0.33，PVA摻量分別為試件質(zhì)量的0、0.5%、1%澆筑PVA纖維改性脫硫石膏試件。其中每組纖維摻量下開展三種力學強度（抗壓、抗拉、抗折）測試，抗壓試驗采用直徑50mm、高度100mm圓柱體試件，抗拉試驗采用直徑為50mm、高度25mm圓餅試件，抗折試驗采用 40mm×40mm×100mm長方體試件，每種測試均采用三個試件，強度值按三個試件測值的平均值計算。其中抗壓強度為試件破壞荷載與試件受力截面面積的比值，抗拉強度為2倍試件破壞荷載與π和試件高度、試件半徑乘積的比值；抗折強度為1.5倍試件破壞荷載和支座間跨度乘積與試件側(cè)截面面積和側(cè)截面高度乘積的比值。試驗實時監(jiān)測試件變形破壞形態(tài)并拍照記錄。

本試驗均采用微機控制電液伺服萬能試驗機，加載速率為0.3MPa/s，試驗過程中通過計算機自動采集數(shù)據(jù)。其中抗壓實驗采取軸心抗壓法，抗拉實驗采取劈裂法，抗折實驗采取三分點法，即將長方體試樣平放于抗折夾具中，試件成型時側(cè)面作為承壓面，形成簡支梁形式，支撐試樣的兩個下支撐點間的距離約為70mm，試件的三分點處為加載位置，且只有一個加載點。試件安裝過程中所有間距尺寸偏差不超過1mm，支座及承壓面與試件接觸面應(yīng)保持平穩(wěn)、均勻。

2 結(jié)果與分析

2.1 強度特征

2.1.1 抗壓強度

圖2的變化趨勢表示隨著PVA纖維摻量的增加，改性脫硫石膏的抗壓強度呈現(xiàn)大幅度降低，質(zhì)量分數(shù)為0.5%、1%PVA纖維改性脫硫石膏較沒有摻纖維試件的抗壓強度分別降低了47.7%、61.2%。分析該現(xiàn)象的原因發(fā)現(xiàn)本試驗在改性脫硫石膏試件攪拌澆筑過程中，過高摻量PVA纖維無法在改性脫硫石膏拌和物中均勻散開，反而互相成團地拉結(jié)在一起，而石膏漿液也無法很好地進入其中，在受到壓荷載時試件內(nèi)部出現(xiàn)了應(yīng)力集中破壞點，使得試件強度不但沒有升高，反而降低了。此外高摻量纖維與改性脫硫石膏之間形成大量薄弱界面，因而在纖維黏結(jié)區(qū)域改性脫硫石膏壓實度降低，且隨著纖維摻入量的提高，對其表面包裹所需的改性脫硫石膏需求也更多導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不夠致密，增加了試件破壞的概率，最終導(dǎo)致試件抗壓強度顯著降低。

圖2 PVA纖維摻量對改性脫硫石膏抗壓強度影響

2.1.2 抗拉強度

圖3反映了PVA纖維質(zhì)量分數(shù)對改性脫硫石膏抗拉強度的影響，PVA纖維質(zhì)量分數(shù)越大，抗拉強度增長越明顯，質(zhì)量分數(shù)為0.5%、1%PVA纖維改性脫硫石膏抗拉強度比未加纖維試件分別增加了0.51倍、1.12倍，最高抗拉強度達到1.56MPa，由此可以看出本試驗加入的PVA纖維摻量均處于提高試件抗拉強度的合理范圍內(nèi)。由于摻加PVA纖維的改性脫硫石膏在承受拉力時，亂向分布的PVA纖維發(fā)揮橋接作用，纖維越多，發(fā)揮的作用越大，故試件的劈裂抗拉強度隨著PVA纖維摻量增加呈現(xiàn)明顯的增長趨勢。由于改性脫硫石膏與PVA纖維之間形成了較為致密的結(jié)構(gòu)，降低了改性脫硫石膏硬化階段的裂縫誘發(fā)率，顯著降低摻纖維試件破壞前形成的裂縫數(shù)量，當纖維受到極限劈拉荷載時，該種致密結(jié)構(gòu)又在試件破壞之際對裂縫的大程度擴張起到了抑制作用，增強了改性脫硫石膏延性，使其最終獲得更優(yōu)的劈裂抗拉強度。此外PVA纖維自身抗拉強度高，加入改性脫硫石膏中進一步提高了試件整體抗拉強度。

圖3 PVA纖維摻量對改性脫硫石膏抗拉強度影響

2.1.3 抗折強度

從圖4可以看出隨著PVA纖維摻量的增加，改性脫硫石膏的抗折強度出現(xiàn)先增加后降低現(xiàn)象，在PVA纖維質(zhì)量分數(shù)為0.5%時抗折強度達到最大值4.90MPa，但當質(zhì)量分數(shù)為1%時，改性脫硫石膏抗折強度迅速下降，只有2.7MPa，甚至小于未摻纖維時試件抗折強度(4.50MPa)。由此可以看出，對于提高改性脫硫石膏抗折強度的最佳PVA纖維摻量在0.5%～1%之間。對此分析在改性脫硫石膏中摻入適量的PVA纖維，在試件產(chǎn)生一定裂縫時纖維可與其產(chǎn)生橋接作用，在裂縫擴張過程中PVA纖維承受一定的拉應(yīng)力，抗折荷載不斷增加，最終纖維由于發(fā)生拉破壞被拔出或出現(xiàn)拉斷的情況時可以有效吸收能量，由此增強了改性脫硫石膏的塑性，顯著提升了試件抗折破壞強度。而當改性脫硫石膏內(nèi)部含有過高比例的纖維時，纖維分散不均勻發(fā)生結(jié)團現(xiàn)象導(dǎo)致纖維難以發(fā)揮橋接作用反而使試件產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷，最終使抗折強度降低。

圖4 PVA纖維摻量對改性脫硫石膏抗折強度影響

2.2 變形破壞特征

2.2.1 軸心抗壓

圖5是對不同質(zhì)量分數(shù)PVA纖維改性脫硫石膏進行單軸抗壓測試得到的力學性能曲線，可以看出未摻纖維的改性脫硫石膏試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線明顯區(qū)別于摻纖維試件，具體表現(xiàn)為未摻纖維試件峰前曲線上升迅速且斜率大于摻纖維試件，峰后曲線驟然下降，表現(xiàn)出很大的脆性，這點在抗壓破壞形態(tài)中很好的體現(xiàn)，未摻纖維的改性脫硫石膏試件受壓破壞過程中一旦出現(xiàn)裂縫便迅速擴展并失去承載力，破壞時整體呈崩塌型破壞，整個破壞過程為典型脆性破壞。此外由于PVA纖維促使改性脫硫石膏內(nèi)形成較多孔隙，引起試件密實度降低，故不摻纖維試件曲線峰前斜率大于摻纖維曲線斜率。而摻纖維改性脫硫石膏試件由于纖維對改性脫硫石膏的約束作用在應(yīng)力-應(yīng)變曲線達到峰值應(yīng)力后，曲線下降緩慢，表現(xiàn)出很好的延性，具體表現(xiàn)在摻PVA纖維改性脫硫石膏初裂后，試件不會馬上破壞，而是隨著荷載的繼續(xù)增加，撓度逐漸加大，裂縫也逐漸加寬，直到荷載開始下降時，試件的撓度迅速增大，試件被破壞，這樣的破壞屬于延性破壞。此外破壞后的試件周身僅出現(xiàn)部分裂紋，纖維摻量越多，裂紋越細越小，形態(tài)相比破壞前變化不大整體良好。

圖5 不同質(zhì)量分數(shù)PVA纖維改性脫硫石膏單軸抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6 不同質(zhì)量分數(shù)PVA纖維改性脫硫石膏單軸抗壓破壞形態(tài)

2.2.2 劈裂抗拉圖7分別為不同質(zhì)量分數(shù)PVA纖維改性脫硫石膏劈裂抗拉的破壞形態(tài)。從圖中破壞特征可以看出，不摻纖維改性脫硫石膏試件受到劈裂破壞時，在劈裂面處形成一條較為整齊的貫穿裂縫，且裂縫一旦展開整個試件立即失去承載力，最終試件沿斷口裂成兩塊。而質(zhì)量分數(shù)為0.5%纖維改性脫硫石膏在受到劈裂破壞時僅沿著劈裂面形成一些非貫穿裂縫，且試件在開裂后仍能承受一定的荷載，這是因為PVA纖維特有的抗拉性能，在改性脫硫石膏產(chǎn)生裂縫時橫跨在裂縫之間起到連接作用，因此使試件達到峰值時仍沒有劈裂斷開，且纖維含量越大，越易與改性脫硫石膏之間形成緊密結(jié)合，在發(fā)生劈拉破壞時對裂縫擴展過程約束作用越大，試件破壞時劈裂面裂縫越小，改性脫硫石膏試件延性越好。

圖7 同質(zhì)量分數(shù)PVA纖維改性脫硫石膏劈裂抗拉破壞形態(tài)

2.2.3 三點抗折

由圖8可見不同質(zhì)量分數(shù)PVA纖維改性脫硫石膏三點抗折破壞時形態(tài)，不摻纖維的改性脫硫石膏試件受到抗折荷載時，試件下端受拉，上端受壓，所以試件首先在底部出現(xiàn)裂縫隨即擴展到試件頂部后失去承載力，試件開始沿中線破壞，破壞后的試件直接折斷為兩部分，表現(xiàn)出極明顯的脆性特征。而摻纖維的改性脫硫石膏試件開裂后，分布于中底部的PVA纖維層與改性脫硫石膏之間的黏結(jié)力將承擔一部分彎拉應(yīng)力，因此PVA纖維改性脫硫石膏試件不會在出現(xiàn)裂紋初始時就發(fā)生破壞，試件在底部先出現(xiàn)細微裂縫后隨荷載不斷增加，纖維層與改性脫硫石膏之間的黏結(jié)力達到臨界值時改性脫硫石膏試件完全破壞，破壞后的試件依然保持整體性，屬于典型的延性破壞。由圖中可以看出纖維摻量越多，試件破壞時出現(xiàn)在底部的裂縫越小、越短，說明PVA纖維增強改性脫硫石膏延性效果十分明顯。

圖8 不同質(zhì)量分數(shù)PVA纖維改性脫硫石膏抗折破壞形態(tài)

3 結(jié)論

本試驗對不同質(zhì)量分數(shù)PVA纖維改性脫硫石膏試樣開展各類力學性能測試，詳細分析了改性脫硫石膏摻纖維后受力變形特征，得到如下結(jié)論。

①由于加入PVA纖維后產(chǎn)生大量成團黏結(jié)現(xiàn)象導(dǎo)致改性脫硫石膏試件抗壓強度的顯著降低；改性脫硫石膏的抗拉強度隨PVA纖維質(zhì)量分數(shù)的增加而增加，表明本實驗所摻纖維含量提高抗拉性能的合理性；隨著PVA摻量的增加，抗折強度呈現(xiàn)先增加后降低趨勢，當纖維質(zhì)量分數(shù)為0.5%時，抗折強度最大值為4.9MPa。

②PVA纖維質(zhì)量分數(shù)為0%時試件單軸抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線明顯區(qū)別于摻纖維試件，具體表現(xiàn)為前者曲線峰前上升迅速，斜率大于后者，峰后曲線驟然下降較后者無明顯延性變形段；此外PVA纖維的摻入可改變改性脫硫石膏破壞形態(tài)，由原狀脫硫石膏的脆裂到摻纖維試件的裂而不散，且纖維含量越多，試件延性提高的越明顯。