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粗合成纤维表面处理对水泥砂浆强度的影响

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-11-16  来源:中国无纺布网  浏览次数:1016

  水泥混凝土是一种非均质、多相的脆性材料,具有弹性模量高、刚度大等特点,旦其抗拉强度较低,易开裂,韧性较差,并且随着混凝土标号的增大,脆性问题更加突出。混凝土的脆性问题限制了其进一步的发展,而掺入纤维形成纤维混凝土可在一定程度上改善这一状况M.聚丙烯粗合成纤维(直径大于0.1mm称为粗合成纤维3)具有耐腐蚀、密度小、造价低等优点,且在施工中较钢纤维易分散,其不但可以提高混凝土的早期抗裂性,还能改善硬化混凝土的韧性和抗裂基金项目:“十二五”国家科技支撑计划项目(2011BAE27B04)性,因而在工程领域有着广泛的应用前景M.但由于以聚丙烯为主要成分的粗合成纤维表面能低,分子链上不含活性基团而表面疏水,表面虽经过压痕处理增大了与水泥的物理粘结,但其与水泥基体的化学粘结仍较弱,以致其与水泥基体界面粘结强度相对较差,从而影响了其在水泥混凝土中的应用效果。

  目前,国内对粗合成纤维的研究多集中在其对水泥混凝土力学、抗裂和抗冲击等性能的影响M,而对其表面的改性处理却关注的相对较少。本文采用NaOH溶液和硅烷偶联剂处理纤维,通过纤维拔出试验和水泥砂浆力学性能试验,并结合微观观测分析,对聚丙烯粗合成纤维表面处理及改性效果进行了探讨。

  1试验方案1.1原材料5普通硅酸盐水泥(C);粉煤灰(F)为I级;洁净河砂(S),细度模数为2.3;减水剂(SP)为大连西卡公司产聚羧酸类高效减水剂(SP),固含量为18%,减水率为25%;氢氧化钠(N),分析纯;硅烷偶联剂(K),采用KH570;聚丙烯粗合成纤维(CPP)长度28mm,直径0.8mm,密度2试验方法1.2.1纤维表面处理配制浓度为2ml/L的NaOH溶液,然后将纤维放入碱溶液中分别浸泡2、和6d.浸泡完成后取出纤维,用清水反复清洗,取出纤维表面多余的碱溶液,在60°C烘箱内烘干即得改性纤维,分别记作将硅烷偶联剂KH570用无水乙醇配成浓度为1%的稀释液,把纤维浸泡其中1、和3d后,自然晾干得改性纤维,分别记作K1、K2和K3. 1.2.2试件制备与测试纤维砂浆力学性能试验基准配合比见表1,纤维分别用原状纤维(记为Y)、Ni和Ki(i=1,2,3),体积掺量均为1.2%,试件编号分别记作YC、NiC和KiC(i=1,2,3)。表1中各参数均为与胶凝材料(水泥+粉煤灰)的质量比。纤维拔出试验试件基体采用纤维砂浆力学性能试验基准配合比。

  纤维拔出试验采用“8”字形试件(见),试件中部用塑料板隔开,将单根纤维穿过塑料板中心预埋在试件中,每组成型6个试件,拆模后放入标准养护室养生28d,然后通过SANS万能试验机测定纤维与基体的界面粘结强度,并绘制出荷载一拔出位移曲线。界面粘结强度按下式计算:F丁维埋入长度(mm)。

  纤维砂浆力学性能试验采用40 40mmX160mm棱柱体试件,每组成型3个试件,放入标准养护室养生28d.在SANS万能试验机上进行抗折试验,由计算机自动采集数据并绘制荷载一挠度曲线,将折断的试件依据GB/T 17671-1999水泥胶砂强度检验方法(ISO法)进行抗压强度试验。

  2结果与分析1界面粘结强度纤维拔出试验过程中的拔出荷载一位移全曲线如所示,纤维拔出试验结果见表2.加载初始阶段,拉力一位移基本成直线上升,纤维处于弹性拉伸阶段;在达到极限荷载之前,拉拔曲线上升段斜率变小,纤维开始脱黏,极限荷载之后,位移增加,拉力逐渐减小,直到纤维被完全拔出。原状纤维Y的极限拉力与峰值位移最小,曲线具有滑移软化的特征;而纤维经强碱或硅烷偶联剂溶液处理后,极限拉力与峰值位移均明显增大,其中N1的提高程度最为明显,且纤维在拔出过程中曲线表现的更为平滑饱满,脱黏现象延后。

  纤维拔出荷载-位移曲线编号极限拉力/N峰值位移/mm粘结强度/MPa从表2可以看出,随处理时间的延长,碱处理CPP的粘结强度逐渐降低,硅烷偶联剂处理CPP与之相反,呈增大趋势,但无论经碱处理或是硅烷偶联剂处理的纤维与水泥基体粘结强度较原状纤维均明显增大,且碱对纤维的改性效果要优于硅烷偶联剂,Ni(i= =1,2,3)粘结强度较Y分别提高了(88.0%,55.6%,43.7%)和(23.2%,49.3%,69.0%)。这是因为粗合成纤维是由C3H6单体聚合而成,且在生产过程中对其表面进行了涂油处理,使纤维在常温下比较稳定,外形规则,表面具有疏水性和平滑性0(见(a))。这使得水泥浆不易浸湿纤维,纤维与基体粘结效果变差,从而纤维拔出强度降低。强碱溶液可去除纤维表面的油剂,蚀刻纤维并在纤维规则链上引入H,使纤维表面产生不规则的凹坑、凸起或者裂纹,降低纤维表面平整度(见(b)),从而有效改善了纤维与水泥基体界面粘结强度性能。但碱处理时间过长会损伤纤维,将部分抵消对纤维/基体粘结性能的增强效应,从而使界面强化效应减弱。硅烷偶联剂既具有亲水基团又有可与烯烃(纤维)产生化学结合的有机基团,使纤维表面产生不规则突起(见(c)),增大纤维/基体物理粘结,并增大纤维表面的极性,使其易于润湿,提高纤维的亲水性,且其中的易水解基团可与砂浆的水化产物反应形成Si-O-Si键,使纤维与砂浆的界面结合力增加,提高纤维与水泥基体的粘结强度M.由于硅烷偶联剂不会损伤纤维,因此适当延长a)原状纤维(b)NaOH处理的纤维(c)KH570处理的纤维纤维处理前后微观形貌(1000x)处理时间,可使硅烷偶联剂进一步发挥其改性作用,从而使纤维/基体的粘结强度进一步增强。

  2.2抗压强度纤维砂浆抗压强度试验结果见。由可知,纤维经处理后,纤维砂浆的抗压强度较原状纤维砂浆稍有提高,但变化幅度不大。NiC(i=1,2,3)和KiC(i=1,2,3)的抗压强度较YC分别提高了(12.8%,4.5%,1.3%)和(2. 2%,6.2%,7.9%)。这是因为经强碱或硅烷偶联剂处理纤维后,纤维表面发生物理或化学的变化,如对纤维刻蚀或引入亲水基团,可增大纤维与水泥的物理粘结或化学结合,并减少界面区缺陷的产生,从而使纤维/基体界面粘结性能改善,在宏观性能上即表现为抗压强度增大,但纤维本身模量较低,故不会使抗压强度大幅提高。

  2.3抗折强度荷载一挠度曲线见。从中可以看出,纤维砂浆在初裂前,荷载挠度曲线呈直线上升,当基体开裂后,荷载迅速下降,随后由于纤维的桥接作用,荷载随挠度的增大又继续回升,但处理纤维与未处理纤维在开裂后的曲线趋势不再相同。纤维经处理后,荷载在开裂后迅速增大并随着挠度增大保持稳定,在挠度达到3mm时仍具有峰值荷载一半以上的残存强度,尤以N1C的趋势最为明显,而原状纤维砂浆的残余强度仅能维持在峰值荷载四分之一左右。这说明表面处理纤维与基体间的界面粘结性能改善,纤维桥接作用得以进步发挥,从而具有更好的增强增韧效果;而原状纤维与基体间的界面粘结相对较弱,在纤维拔出过程中较早发生粘结破坏,导致纤维较早脱黏而失效。

  荷载一挠度全曲线纤维砂浆的抗折强度试验结果见。从可以看出」尤=1,2,3)和1(疋=1,2,3)的抗折强度较YC有明显提高,增幅分别为(21.5%,12. 7%,7.6%)和(5.6%,11.2%,15.8%),与粘结强度变化规律相似。这是因为强碱或硅烷偶联剂处理纤维后,纤维/基体粘结强度增大,根据11,纤维抗拉强度利用率p=2W/(xdf)(其中t为界面粘结强度,。为纤维最大拉应力,If为纤维长度,df为纤维等效直径),将表2数据代入可得,Y、Ni和Ki(i=1,2,3)的纤维抗拉强度利用率分别为18.8%、(35.之后纤维强度利用率提高,桥接作用得以进一步发挥,即纤维在受力拔出过程中承载能力增大,可以耗散更多的破坏能量,最大程度做功,起到增强水泥砂浆的作用,在宏观性能上即表现为水泥砂浆抗折强度增大。

  3结论CPP纤维经过NaOH溶液或硅烷偶联剂处理后,纤维/基体粘结强度较原状纤维明显增大。但随着处理时间的延长,NaOH溶液处理的纤维/基体粘结强度呈下降趋势,硅烷偶联剂处理的纤维则与之相反。

  经过NaOH溶液处理后,纤维表面相比原状纤维更加粗糙,但是处理时间延长会使纤维表面产生过多裂纹而损坏纤维;经过硅烷偶联剂处理后,纤维表面出现明显的不规则突起,随着处理时间的延长,纤维表面未产生破坏且亲水性变强,因此,延长处理时间有利于提高硅烷偶联剂的改性效果。

  纤维砂浆抗压强度稍有提高而抗折强度明显增大,且在初裂后仍具有较高的残余强度。由于NaOH溶液或硅烷偶联剂处理引起纤维表面形貌与极性的改变有利于提高纤维与水泥基体界面的物理粘结或化学结合,使界面区缺陷减少,延缓纤维脱黏,纤维增强增韧作用得以有效发挥。

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