陽知乾，李長風(fēng)，劉建忠

(江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210008)

塑性收縮開裂是混凝土結(jié)構(gòu)中常見的問題，三維隨機(jī)分散的合成纖維，可有效控制水泥基復(fù)合材料(Fiber Reinforced Cementitious Composites，F(xiàn)RCC)的塑性收縮開裂，這些纖維產(chǎn)生橫跨裂縫的橋接力，并阻止裂縫的發(fā)展［1］.而纖維抗裂效果的充分發(fā)揮，在很大程度上與纖維－基體的界面性能密切相關(guān).

纖維剝離和滑動等界面黏結(jié)性能對水泥基復(fù)合材料的承載和變形能力有顯著的影響.因此，研究纖維與基體之間的界面黏結(jié)性能，有利于獲得綜合性能更好的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料.許多研究人員研究和模擬界面黏結(jié)性能對抗裂［2］及耐久性［3］的影響.單纖維拉出試驗(yàn)是界面黏結(jié)性能最常用的評價方法，已有單絲拔出試驗(yàn)的研究基本集中在使用高強(qiáng)度纖維、非微細(xì)合成纖維及硬化基體中［4－6］.對微細(xì)合成纖維而言，還存在難以固定、拔出載荷非常小而難以測定、纖維被拉斷而不能獲得相應(yīng)的載荷－位移全曲線等問題，相關(guān)報(bào)道甚少.

筆者利用自行改造的設(shè)備，評估微細(xì)合成纖維從塑性狀態(tài)的水泥基體中的單絲拔出行為，重點(diǎn)考察齡期、埋入深度、基體特征、纖維種類及是否改性之間的差異對界面性能的影響規(guī)律，相應(yīng)的研究結(jié)果可以更好地了解合成纖維在早齡期水泥基復(fù)合材料中的界面性能及抗裂作用機(jī)理.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料與配合比

P·Ⅱ 52.5普通硅酸鹽水泥，江南小野田有限公司生產(chǎn);PCA－IV聚羧酸系高性能減水劑，江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)，固含量30%;普通及改性聚丙烯與聚乙烯醇纖維，江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)，其基本性能參數(shù)見表1，單絲拔出試驗(yàn)用漿配合比見表2.

表1 纖維的基本性能

表2 配合比

1.2 測試與表征

在自行改造的測試裝置［7］上開展單絲纖維拔出試驗(yàn)，用以評價纖維與基體的界面黏結(jié)性能.該測試裝置如圖1所示，采用計(jì)算機(jī)程序控制傳動系統(tǒng)，帶動合成纖維從水泥基體中拔出;通過測試傳感器實(shí)時感應(yīng)纖維拔出端的力，獲得完整的合成纖維拔出荷載－位移曲線，整個過程由計(jì)算機(jī)操作完成，保證了測試結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性.將材料按相應(yīng)比例混合攪拌后，測定容重，然后在固定好纖維的塑料模具中裝入相應(yīng)重量的漿體，振動使之密實(shí)，從加水起開始計(jì)算齡期，然后置于溫度為20℃ ±2℃，濕度為65%±5%的試驗(yàn)條件下，到相應(yīng)的齡期時進(jìn)行測試，單絲拔出速度為0.5 mm/min，纖維埋入長度(Embedment Length，EL)為3～9 mm，為保證纖維從塑性基體中拔出而不被拉斷，每組試樣數(shù)為6個，測試的6個結(jié)果數(shù)據(jù)中，去掉偏差最大的2個結(jié)果，然后通過origin軟件將剩下的4條曲線進(jìn)行平均，以獲得最終的曲線.載荷峰值可以從拔出載荷－位移曲線中獲得，界面黏結(jié)強(qiáng)度的計(jì)算參考文獻(xiàn)［8］.

圖1 單根纖維拔出測試裝置

掃描電鏡(SEM)附帶X射線能譜儀(EDS)功能，JSM－5900，用來確認(rèn)二氧化硅的存在、表征纖維的表面形貌.

2 結(jié)果與討論

2.1 齡期的影響

圖2給出了齡期對纖維－水泥基體界面的影響，從圖2可以看出，不論是聚丙烯(Polypropylene，PP)纖維還是聚乙烯醇(Polyvingl Alcohol，PVA)纖維，隨著齡期的增加，纖維與基體之間的界面黏結(jié)強(qiáng)度逐漸增加.存在差異的是，PP纖維在5～9 h的早齡期階段，界面黏結(jié)強(qiáng)度增加相對平穩(wěn)、緩慢;在齡期為7 h以前，PVA纖維與基體的黏結(jié)強(qiáng)度與PP纖維相差無幾;當(dāng)齡期達(dá)到8 h以上，PVA纖維和基體界面黏結(jié)強(qiáng)度迅速增加，遠(yuǎn)大于相應(yīng)齡期的PP纖維.出現(xiàn)前述情況，其主要原因可能是隨著齡期的增加，PVA纖維表面的親水性羥基能更好地改善界面性能.

圖2 齡期對纖維－水泥基體界面性能的影響

2.2 基體特征的影響

研究基體性能(水膠比分別為 0.30，0.25，0.20)對纖維(PVA－1)與水泥基體界面黏結(jié)性能的影響，測試結(jié)果如圖3所示.從圖3可以看出，隨著水膠比的降低，不僅表現(xiàn)為界面黏結(jié)強(qiáng)度的提高，纖維的拔出荷載－位移曲線也存在著很大的差異，主要表現(xiàn)為2方面:①物理摩擦力的增加.一般情況下，纖維在很小的位移下就完成了化學(xué)脫黏，之后主要靠物理摩擦力起作用.水膠比為0.30的條件下，纖維的拔出荷載較快達(dá)到峰值后一直保持平穩(wěn)變化的特征.而隨著水膠比的降低，拔出荷載隨拔出位移的增加而增加的趨勢愈加明顯，這主要?dú)w功于物理摩擦力的增加.②拔出位移的降低.水膠比為0.30時拔出位移最大，由于水膠比降低，纖維－基體界面處的水分減少，不利于水化產(chǎn)物的形成及物理摩擦力的保持，導(dǎo)致拔出位移降低.

圖3 水膠比對PVA纖維與基體界面黏結(jié)性能的影響

2.3 埋入深度的影響

埋入深度對早齡期界面性能也有影響.圖4—5給出了纖維(PVA－1)埋入深度(3，6，9 mm)對拔出荷載－位移及黏結(jié)強(qiáng)度的影響.纖維拔出荷載－位移曲線存在如下特征:①相同之處是隨著埋入深度的增加，物理摩擦力逐漸增加，在纖維拔斷之前到達(dá)峰值，然后力全部卸載，這主要?dú)w功于相同的水膠比.②不同之處是拔出位移與埋入深度的比例.隨著纖維埋深的增加，雖然拔出位移略有增加，但幅度有限，拔出位移與埋入深度的比值逐漸減小，這說明埋入深度增加，并沒有帶來明顯的正效應(yīng).而拔出力也較為相近，因此，隨著埋入深度的增加，纖維－基體的界面黏結(jié)強(qiáng)度降低.

圖4 纖維埋入深度對PVA纖維拔出荷載－位移曲線的影響

圖5 纖維埋入深度對PVA纖維－基體界面黏結(jié)強(qiáng)度的影響

2.4 纖維截面形狀

考察了2種纖維(PP－1，PP－3)的截面形狀對纖維與水泥基體界面黏結(jié)性能的影響.圖6為水泥基材料成型后，纖維與基體界面黏結(jié)強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律.

圖6 纖維截面形狀對基體界面黏結(jié)強(qiáng)度的影響

與截面形狀為圓形的PP纖維相比，截面形狀為三角形的PP纖維與水泥基體的界面黏結(jié)性能略有優(yōu)勢.這可能主要?dú)w功于2方面:①三角形截面的纖維具有更大的比表面積;②通過抗彎剛度的計(jì)算，三角形截面的纖維剛度要大于等效直徑的圓形截面纖維.

2.5 纖維種類及改性

通過對常規(guī)纖維進(jìn)行了化學(xué)沉積改性，并采用掃描電鏡對其表面進(jìn)行表征，其改性后纖維表面微觀形貌如圖7所示.從圖中可以看出，纖維表面附著大量納米級別的二氧化硅.二氧化硅具有水化活性，具備改善纖維與基體界面性能的潛在作用.為了確定纖維表面的顆粒為二氧化硅，選擇了圖7中的微區(qū)進(jìn)行了X射線能譜 (EDS)測試，結(jié)果如圖8所示.從圖8可見，非顆粒區(qū)域只顯示出碳元素圖8(a);而纖維表面的顆粒中含有較高濃度的氧元素與硅元素圖8(b)，這從側(cè)面確定了納米二氧化硅在改性纖維表面上的存在.

圖7 改性纖維的表面微觀形貌

圖8 纖維表面微區(qū)EDS能譜圖

采用掃描電鏡表征了納米二氧化硅在纖維表面的分布形態(tài)，具體如圖9所示.從圖中可以看出，未改性的PP纖維(PP－1)的表面相對光滑，而化學(xué)沉積改性的PP－2纖維表面可以看到較多的粒徑為數(shù)百納米尺寸的不均勻二氧化硅顆粒.納米二氧化硅在PVA－2的表面幾乎無空隙地非單層密實(shí)沉積，其原因可能是納米二氧化硅含有羥基，從而更容易沉積到極性親水的PVA纖維表面.

未改性及改性纖維的拔出荷載－位移曲線如圖10所示.從圖10可以看出，改性纖維的載荷峰值均大于未改性纖維的性能.PP纖維不論是否改性，其拔出－載荷峰值均在位移較小時出現(xiàn)，且以相對較快的速度下降.與PP纖維不同的是，PVA纖維的拔出行為特征存在顯著差異.當(dāng)齡期為9 h時，未改性PVA纖維的拔出載荷在脫黏后迅速下降，而改性PVA纖維的拔出載荷在達(dá)到第一個峰值后，后續(xù)能再次出現(xiàn)多個峰值，其原因可能是脫黏時形成首個峰值，由于化學(xué)鍵與滑移摩擦導(dǎo)致更多的峰值出現(xiàn).由此可見，化學(xué)沉積方法能有效地增加纖維－基體的界面黏結(jié)強(qiáng)度，且對PVA纖維的作用更為明顯.

圖9 未改性及改性纖維的表面形貌

圖10 未改性及改性纖維的拔出荷載－位移曲線

3 結(jié)語

在自行改造的設(shè)備上，獲得了微細(xì)合成纖維與水泥基體的單絲拔出載荷－位移曲線，并計(jì)算了相應(yīng)的界面黏結(jié)強(qiáng)度，獲知了多種因素對界面性能的影響規(guī)律.

1)隨著齡期的增加，各種纖維與基體之間界面黏結(jié)強(qiáng)度逐漸增加，且當(dāng)齡期達(dá)到8 h以上，聚乙烯醇纖維的界面黏結(jié)強(qiáng)度迅速增加，遠(yuǎn)大于相應(yīng)齡期的聚丙烯纖維.

2)降低基體的水膠比，使基體的密實(shí)程度增加，從而提高了界面黏結(jié)強(qiáng)度.

3)隨著埋入深度的增加，物理摩擦力逐漸增加，拔出位移略有增加，但拔出位移與埋入深度的比值逐漸減小.因此，隨著埋入深度的增加，界面黏結(jié)強(qiáng)度降低.

4)三角形截面纖維具有更大的比表面積與硬挺性，表現(xiàn)出更高的界面黏結(jié)強(qiáng)度.

5)改性纖維的載荷峰值均大于未改性樣品的性能，化學(xué)沉積方法能有效地提高纖維－基體的界面黏結(jié)強(qiáng)度，且對PVA纖維的作用更為有效.

［1］ Kanda T，Li V C .Interface property and apparent strength of high-strength hydrophilic fiber in cement matrix［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，1998，10(1):5 －13.

［2］ Mobasher B，Li C Y.Effect of interfacial properties on the crack propagation in cementitious composites［J］.Advanced Cement Based Materials，1996，4(3 －4):93 －105.

［3］ Bentur A.Role of interfaces in controlling the durability of fiber-reinforced cements［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2000，12(1):2 －7.

［4］ Sehaj Singh，Arun Shukla，Richard Brown.Pullout behavior of polypropylene fibers from cementitious matrix［J］.Cement and Concrete Research，2004，34(10):1919 －1925.

［5］Abulebdeh T，Hamoush S，Heard W.Effect of matrix strength on pullout behavior of steel fiber reinforced veryhigh strength concrete composites［J］.Construction and Building Materials，2011，25(1):39 －46.

［6］ Baran E，Akis T，Yesilmen S.Pull-out behavior of prestressing strands in steel fiber reinforced concrete［J］.Construction and Building Materials，2012，28(1):362 －371.

［7］劉加平，李長風(fēng)，劉建忠，等.合成纖維與水泥基材料塑性階段界面粘結(jié)性能測試裝置［P］.中國專利，201110404137.X.2012 －06 －27.

［8］ Chan Yin Wen，Chu Shu Hsien.Effect of silica fume on steel fiber bond characteristics in reactive powder concrete［J］.Cement and Concrete Research，2004，34(7):1167－1172.