聚合物改性鋼纖維再生混凝土抗沖擊性能研究

夏冬桃,任康寧,吳方紅,李 彪,何國章

(1.湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430068;2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院交通與土木建筑學(xué)院,廣東 佛山 528225)

再生混凝土(RAC)能降低能耗和CO2排放,是破解當(dāng)前建筑垃圾治理困境的有效途徑,在“雙碳”戰(zhàn)略背景下其發(fā)展前景廣闊。但由于再生粗骨料自身的缺陷,限制了RAC廣泛應(yīng)用。研究表明摻加纖維可改善RAC的力學(xué)性能[1],常見的是摻加亂向分布的鋼纖維,鋼纖維的橋接及微加筋作用起到增強(qiáng)增韌阻裂的效果[2-3]。而混凝土結(jié)構(gòu)在服役過程中不僅會承受靜態(tài)荷載作用,也可能會遭受爆炸、沖擊等具有突發(fā)性和破壞性的動態(tài)荷載作用,這些動態(tài)荷載會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大的破壞影響。F.Omidinasab等[4]研究發(fā)現(xiàn)摻入鋼纖維可抵消再生骨料對混凝土的力學(xué)性能及抗沖擊性能的負(fù)面影響。孔祥清等[5]研究發(fā)現(xiàn)單摻適量的鋼纖維及鋼纖維與聚丙烯纖維混摻均可提高RAC的抗沖擊性能。而大量的試驗研究發(fā)現(xiàn)鋼纖維再生混凝土(SFRAC)破壞的主要特征是鋼纖維從斷裂面中拔出而未被拉斷,這說明SFRAC中鋼纖維與基體界面間的黏結(jié)力不足,因此需要對SFRAC的界面進(jìn)行改性研究[6]。目前常見的改性方法是往混凝土中摻入聚合物乳液,有學(xué)者研究表明水性環(huán)氧樹脂是應(yīng)用于混凝土中最有效的聚合物之一,其在混凝土中形成的具有互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的連續(xù)相,可增強(qiáng)混凝土基體的黏結(jié)力[7]。錢慧麗等[8]研究了水性環(huán)氧樹脂乳液對天然混凝土(Natural Concrete,NC)抗沖擊性能的影響,結(jié)果表明水性環(huán)氧樹脂乳液可阻礙混凝土內(nèi)部裂縫的拓展,從而提升其抗沖擊性能。目前關(guān)于水性環(huán)氧樹脂與鋼纖維復(fù)摻對RAC抗沖擊性能的影響及其界面改性機(jī)理的研究尚不多見。

因此,筆者通過設(shè)計正交試驗,探究水性環(huán)氧樹脂與鋼纖維對RAC抗沖擊性能的影響及其改性機(jī)理,并采用雙參數(shù)Weibull分布模型對RAC的沖擊壽命進(jìn)行統(tǒng)計分析,研究如何延長RAC的沖擊壽命,為RAC的配合比設(shè)計提供參考。

1 試 驗

1.1 試驗原材料

水泥選用華新牌P·O 42.5級水泥;砂選用本地級配良好的河砂;天然粗骨料采用粒徑5～16 mm連續(xù)級配的碎石;再生粗骨料采用本地的廢棄混凝土,經(jīng)處理后得到粒徑5～16 mm的骨料,其性能指標(biāo)見表1。礦渣粉為武漢華神智能科技有限公司生產(chǎn)的S95級礦渣粉;水性環(huán)氧樹脂及水性環(huán)氧固化劑由上海漢中化工有限公司生產(chǎn),水性環(huán)氧樹脂環(huán)氧當(dāng)量為185～195,水性環(huán)氧固化劑胺氫當(dāng)量為280～290,配制乳液時兩者的質(zhì)量比為1∶1.3;超短微絲鋼纖維為武漢新途工程纖維制造有限公司生產(chǎn),其性能參數(shù)見表2;減水劑采用聚羧酸高性能減水劑,減水率為15%～20%。

表1 再生粗骨料物理性能Table 1 Physical properties of the recycled coarse aggregate

表2 鋼纖維參數(shù)Table 2 Steel fiber parameters

1.2 正交試驗設(shè)計

試驗采用L16(45)的正交表,不考慮各因素間的交互作用,剩余兩個空白列用于估計試驗誤差。試驗的各因素及水平設(shè)置如下:水性環(huán)氧樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)(A)分別為0、2%、4%、6%,再生粗骨料取代率(B)分別為0、30%、45%、60%,鋼纖維體積分?jǐn)?shù)(C)分別為0、0.6%、0.8%、1.0%。水性環(huán)氧樹脂乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為聚合物乳液與膠凝材料總量的質(zhì)量比;鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為鋼纖維與混凝土的體積比。RAC的配合比設(shè)計依據(jù)《再生骨料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 240—2011)[9],各組混凝土的配合比見表3。實際試驗中加入處理再生粗骨料的附加用水,由于水性環(huán)氧固化劑中約含50%的水分,因此用水量須相應(yīng)減少。

表3 水性環(huán)氧樹脂與鋼纖維復(fù)摻的RAC配合比 Table 3 The proportions of RAC mixed with waterborne epoxy resin and steel fiber

1.3 試件制備與養(yǎng)護(hù)

RAC的攪拌方法參照文獻(xiàn)[9]執(zhí)行,采用兩階段攪拌工藝澆筑成型。抗壓試驗采用邊長為100 mm的立方體試件,每組制備3塊?？箾_擊試驗采用直徑為150 mm,厚度為63 mm的圓餅形試件,每組制備6塊。摻加水性環(huán)氧樹脂的混凝土其養(yǎng)護(hù)方式不同于普通混凝土,由于在干燥環(huán)境下可促進(jìn)聚合物顆粒形成連續(xù)的膜結(jié)構(gòu),因此摻加水性環(huán)氧樹脂的試件的養(yǎng)護(hù)制度為先在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)6 d,再置于干燥環(huán)境中養(yǎng)護(hù)22 d,其余試件則在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d。

1.4 試驗方法

各項試驗按照《纖維混凝土試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 13:2009)[10]進(jìn)行。此外筆者對沖擊試驗裝置進(jìn)行了改進(jìn)(見圖1),該裝置中將落錘的端部打磨成半球形,并增設(shè)了電磁開關(guān),有效避免了手動定位及釋放落錘產(chǎn)生的試驗誤差。試件的初裂沖擊次數(shù)N1和破壞沖擊次數(shù)N2的判定方法以及每一組試件的初裂沖擊耗能W1和破壞沖擊耗能W2的計算方法參照《纖維混凝土試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 13:2009)[10],其計算式如下。

圖1 改進(jìn)的落錘沖擊試驗裝置 Fig.1 Improved drop weight test device

W1=N1mgh.

(1)

W2=N2mgh.

(2)

式中:W1為初裂沖擊耗能,J;W2為破壞沖擊耗能,J;m為沖擊錘的質(zhì)量,取4.5 kg;g為重力加速度,取9.81(m·s-2);h為沖擊錘下落高度,取1 m 。

2 試驗結(jié)果及分析

各組的立方體抗壓強(qiáng)度均滿足C40等級混凝土的強(qiáng)度要求,其中RC-0-60-1.0試件的抗壓強(qiáng)度最高,為65.6 MPa。

2.1 試驗結(jié)果

落錘沖擊試驗結(jié)果見表4,由表4可知,除RC-0-60-1.0試件外各組的N1差別不大,但各組的N2差異明顯。RC-0-60-1.0的N1和N2均最高。RC-2-45-1.0的N2也相對很高,RC-0-60-1.0和RC-2-45-1.0的N1分別為基準(zhǔn)組的4.6倍,2.9倍,N2分別較基準(zhǔn)組提升了16.8倍和11.9倍。

表4 抗沖擊試驗結(jié)果Table 4 The test results of impact resistance

基于中心質(zhì)假說[11]的觀點,水性環(huán)氧樹脂膠乳顆粒的粒徑為0.4～5 600 nm,在混凝土內(nèi)部原位形成改性的微中心質(zhì)[8,12],在其界面效應(yīng)圈內(nèi)可改善孔隙結(jié)構(gòu),鋼纖維是大中心質(zhì),在大中心質(zhì)效應(yīng)圈內(nèi)改善了混凝土的結(jié)構(gòu)與性質(zhì),分別在微觀和宏觀的尺度上對混凝土體系中對應(yīng)的各層次的組分進(jìn)行增強(qiáng),從而表現(xiàn)為抗沖擊韌性的提升。

對于僅摻水性環(huán)氧樹脂的RAC,其抗沖擊次數(shù)相較于基準(zhǔn)組有不同程度的提升,其中提升幅度最大的試件是RC-4-45-0,N1和N2的增幅分別為37.5%和62.5%。這是因為水性環(huán)氧樹脂膠乳顆粒可以填充混凝土中的細(xì)微孔隙,改善混凝土的密實性,從而提升了RAC的抗沖擊性能。

2.2 沖擊耗能極差分析

根據(jù)表4的沖擊試驗結(jié)果計算出W1和W2,并對這兩個關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行極差分析,結(jié)果見表5。由表5可知,極差值最大的因素C為影響W1和W2的主要因素,各因素對W1和W2的影響從大到小依次為鋼纖維體積分?jǐn)?shù)、水性環(huán)氧樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)、再生粗骨料取代率。

表5 極差分析結(jié)果Table 5 The range analysis results

2.2.1 水性環(huán)氧樹脂對沖擊耗能的影響

筆者將已有文獻(xiàn)中關(guān)于水性環(huán)氧樹脂改善NC抗沖擊性能的研究成果與試驗分析的結(jié)果進(jìn)行對比(見圖2)[8]。

圖2 水性環(huán)氧樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)對NC和RAC的W2的影響Fig.2 Effect of the mass fraction of waterborne epoxy resin on the W2 of NC and RAC

結(jié)合表5和圖2可知,水性環(huán)氧樹脂對NC和RACW2的改善效果有所不同。當(dāng)水性環(huán)氧樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增至4%時,RAC的W1和W2逐漸下降,而對于NC而言,當(dāng)水性環(huán)氧樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0 增至5%時,其W2總體為上升的趨勢[8]。根據(jù)表4計算的結(jié)果,繪制出在不同的水性環(huán)氧樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的條件下再生粗骨料取代率與W1和W2指標(biāo)的關(guān)系圖(見圖3)。從圖3可看出,當(dāng)再生粗骨料取代率從0增至60%時,在每一取代率下使混凝土的W1和W2相對最佳的水性環(huán)氧樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)由6%減小至0,說明水性環(huán)氧樹脂對RAC抗沖擊性能的改善效果受再生粗骨料取代率的影響較大。

圖3 不同水性環(huán)氧樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)與W1和W2的關(guān)系Fig.3 Relationship between the different mass fraction of waterborne epoxy resin and W1 and W2

這是因為干燥環(huán)境有利于水性環(huán)氧樹脂顆粒形成聚合物膜,而再生粗骨料吸水率高,其吸收的水分會在養(yǎng)護(hù)過程中緩慢釋放,水性環(huán)氧樹脂成膜所需的干燥環(huán)境與再生粗骨料釋水產(chǎn)生的濕潤環(huán)境之間構(gòu)成一種競爭關(guān)系,因此這對水性環(huán)氧樹脂的改性效果起到了削弱的作用。同時當(dāng)水性環(huán)氧樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時,在攪拌階段會引入一定量的空氣至混凝土中,使得其孔隙率增大[12],因此在再生粗骨料釋水和孔隙率的綜合作用下,使得當(dāng)再生粗骨料取代率為60%時,RAC的沖擊耗能隨著水性環(huán)氧樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而下降。圖2中水性環(huán)氧樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)從4%增至6%時,RAC的W2略有增大,這種現(xiàn)象有待于進(jìn)一步研究。

2.2.2 再生粗骨料取代率對沖擊耗能的影響

由表5可知,當(dāng)再生粗骨料取代率從0增至60%時,混凝土的W1和W2呈不斷增大的趨勢,增幅分別為53.2%和8.4%。這一方面是由于再生粗骨料的表面與新水泥砂漿形成的黏結(jié)力較大,另一方面是因為再生粗骨料起到了“內(nèi)養(yǎng)護(hù)”的作用。

2.2.3 鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對沖擊耗能的影響

由表5可知,RAC的W1和W2與鋼纖維體積分?jǐn)?shù)呈正相關(guān),當(dāng)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)從0增至1.0%時,RAC的W1和W2的增幅分別接近150%和900%。這是因為鋼纖維起到了增韌的作用,減緩了混凝土塑性變形的發(fā)展[13],同時每根橋接于裂縫處的鋼纖維起到了阻礙裂縫拓展延伸的作用。

筆者將已有文獻(xiàn)中關(guān)于鋼纖維改善NC抗沖擊性能的研究成果與試驗分析的結(jié)果進(jìn)行對比(見圖4)[13-14]。由圖4可知,隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加,NC和RAC的W2均有不同程度的提升,即鋼纖維對NC和RAC抗沖擊性能的改善效果是一致的。

圖4 鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對NC和RACW2的影響Fig.4 Effect of the volume fraction of steel fiber on the W2 of NC and RAC

根據(jù)各因素最優(yōu)水平的選取原則,同時考慮到試驗誤差的影響和水性環(huán)氧樹脂的改性作用,RAC抗沖擊性能的各因素最優(yōu)水平組合為A2B3C4。

2.3 水性環(huán)氧樹脂對水化產(chǎn)物的改性機(jī)理

圖5和圖6為NC-0-0-0和RC-4-45-0試樣中水化產(chǎn)物放大10 000倍后的微觀形貌。由圖5可知,未摻水性環(huán)氧樹脂的NC-0-0-0中有層布排列的CH晶體、無序團(tuán)聚的C-S-H凝膠體和針棒狀的鈣礬石,水化產(chǎn)物的表面有較多細(xì)小的孔洞,整體結(jié)構(gòu)較為疏松。

圖5 NC-0-0-0中水化產(chǎn)物的微觀形貌Fig.5 The micro morphologies of hydration products of NC-0-0-0

圖6 RC-4-45-0中水化產(chǎn)物的微觀形貌Fig.6 The micro morphologies of hydration products of RC-4-45-0

而由圖6可知,摻入水性環(huán)氧樹脂后,整體結(jié)構(gòu)未見明顯的細(xì)小孔洞和裂紋,各組分間黏結(jié)緊密,聚合物膜與水化產(chǎn)物形成了相互交織的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在沖擊荷載作用下可起到緩沖作用,分散和轉(zhuǎn)移了混凝土中的內(nèi)應(yīng)力,減少了微裂紋的產(chǎn)生。

2.4 水性環(huán)氧樹脂對界面過渡區(qū)的改性機(jī)理

圖7為RC-0-60-1.0和RC-2-45-1.0的試樣中鋼纖維與水泥水化產(chǎn)物間界面過渡區(qū)(ITZ)放大500倍的微觀形貌。未摻水性環(huán)氧樹脂的RC-0-60-1.0中鋼纖維與水泥水化產(chǎn)物間ITZ的縫隙較寬,水化產(chǎn)物中有數(shù)條較寬的微裂縫。這是因為鋼纖維表面的質(zhì)點具有吸附其他物質(zhì)的傾向[6],這種極性的特點使它具有親水性[15],從而使得附近的水灰比增大,導(dǎo)致ITZ的力學(xué)性能較弱,結(jié)構(gòu)較疏松。此時鋼纖維與水泥水化產(chǎn)物間主要依靠物理作用黏結(jié)在一起[6]。在荷載作用下,裂紋首先會沿著ITZ開展并逐漸延伸,當(dāng)裂紋由微觀尺度發(fā)展到宏觀尺度時,使得界面處的水泥基體發(fā)生斷裂,從而形成微裂縫。

圖7 RC-0-60-1.0與 RC-2-45-1.0的鋼纖維與水化產(chǎn)物間ITZ的微觀形貌Fig.7 The micro morphologies of the ITZ between steel fiber and hydration products of RC-0-60-1.0 and RC-2-45-1.0

而摻入水性環(huán)氧樹脂的RC-2-45-1.0中鋼纖維與水泥水化產(chǎn)物間的ITZ黏結(jié)緊密,水化產(chǎn)物中微裂縫的寬度明顯變小(見圖7(b))。水性環(huán)氧樹脂起到了阻裂劑和粘結(jié)劑的作用,一方面環(huán)氧樹脂乳液中的-COOR和-OH會以離子鍵的形式與部分水泥水化產(chǎn)物中的Ca2+結(jié)合,形成含鈣絡(luò)合聚合物,改善了水泥石的抗裂性能;另一方面起到了“架橋”的作用,乳液中含有的極性基團(tuán)會與鋼纖維表面產(chǎn)生物理化學(xué)吸附效應(yīng)[6],從而改善鋼纖維與水泥水化產(chǎn)物間ITZ的密實性。

3 基于Weibull分布的擬合分析

3.1 抗沖擊次數(shù)分布的擬合檢驗

已有研究結(jié)果表明,SFRAC的沖擊壽命服從Weibull分布[3],因此筆者采用Weibull分布理論對各組試件的抗沖擊次數(shù)進(jìn)行概率統(tǒng)計分析。將試件的抗沖擊次數(shù)N視作隨機(jī)變量,則關(guān)于N的概率密度函數(shù)f(N)和累計分布函數(shù)F(N)可表示為

(3)

式中:γ為形狀參數(shù);Nx為尺度參數(shù)即特征壽命參數(shù);N0為位置參數(shù)即最小壽命參數(shù)。

(4)

式中:Pf(N)為失效概率函數(shù)。

基于安全性、可靠性及適用性的角度考慮,可認(rèn)為N0無限趨近于0,因此得出基于雙參數(shù)Weibull分布的存活概率函數(shù)Ps(N)如下[16]:

(5)

對式(5)等式兩邊先取倒數(shù)再取兩次自然對數(shù),得到:

(6)

令X=lnN;Y=ln[ln(1/Ps(N))];B=γlnNx,則(6)可化簡為式(7),如下:

Y=γX-B.

(7)

(8)

式中:t為各組進(jìn)行抗沖擊試驗的試件總數(shù),取值6;m為各組的沖擊試驗結(jié)果按遞增的順序排列后得到的秩序數(shù)。

由式(7)可知,Y與X應(yīng)滿足線性關(guān)系,根據(jù)式(8)求出Ps(N)[3,16],進(jìn)而得到每個試件的Y與X,采用線性擬合的方法,得出各組試件對應(yīng)的參數(shù)γ和B以及相關(guān)系數(shù)R2,如表6所示。

表6 基于Weibull分布的沖擊壽命線性擬合結(jié)果Table 6 The linear regression results of impact life based on the Weibull distribution

由表6可知,各組基于Weibull分布的擬合相關(guān)系數(shù)R2最小值為0.904,大多數(shù)在0.95以上,說明ln[ln(1/Ps(N))]與lnN之間存在顯著的線性相關(guān)性,即各組試件的抗沖擊次數(shù)均服從雙參數(shù)Weibull分布。

3.2 不同失效概率下RAC的沖擊壽命預(yù)測

根據(jù)式(5)～(7)推導(dǎo)出在不同失效概率下(Pf(N)=0.1,0.15,0.3)各組試件沖擊壽命的表達(dá)式:

(9)

由式(9)及表6可得出各組配合比的混凝土在不同失效概率下的破壞沖擊壽命N2(見圖8)。由圖8可知,各組試件在不同失效概率下N2的增長趨勢與實測值保持一致。摻入水性環(huán)氧樹脂后,混凝土試件的沖擊壽命較基準(zhǔn)組有一定程度的改善;摻入鋼纖維后,混凝土的沖擊壽命有明顯的改善。各組試件的N2與失效概率呈正相關(guān),這與混凝土材料的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)相契合。

圖8 不同失效概率下各組試件的沖擊壽命Fig.8 The impact life of specimens under different probabilities of failure

4 結(jié) 論

(1)各因素對RAC抗沖擊性能影響的從大到小順序是鋼纖維體積分?jǐn)?shù)、水性環(huán)氧樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)、再生粗骨料取代率。摻入鋼纖維可顯著改善RAC的韌性和延性;當(dāng)再生粗骨料取代率較低時,由于聚合物膜與水化產(chǎn)物形成了空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使得摻入水性環(huán)氧樹脂的RAC較基準(zhǔn)組N2的最大增幅達(dá)到62.5%;當(dāng)再生粗骨料取代率較高時,由于再生粗骨料釋水和孔隙率的綜合作用,使得RAC的抗沖擊性能有所下降。

(2)水性環(huán)氧樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)取2%,再生粗骨料取代率取45%,鋼纖維體積分?jǐn)?shù)取1.0%,為RAC抗沖擊性能的最優(yōu)配合比。該配合比下試件的W1和W2較基準(zhǔn)組分別提升了187.4%和1187.3%。

(3)水性環(huán)氧樹脂一方面起到了阻裂劑和粘結(jié)劑的作用,另一方面起到了“架橋”的作用,改善了鋼纖維和水化產(chǎn)物間ITZ的密實性。

(4)采用雙參數(shù)Weibull分布對各組配合比混凝土的N1和N2進(jìn)行擬合,得到的相關(guān)系數(shù)R2均在0.9以上。