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粗合成纖維表面處理對水泥砂漿強度的影響

2017年11月16日 13:25  來源:中國化纖網  人氣:2067

  水泥混凝土是一種非均質、多相的脆性材料,具有彈性模量高、剛度大等特點,旦其抗拉強度較低,易開裂,韌性較差,并且隨著混凝土標號的增大,脆性問題更加突出。混凝土的脆性問題限制了其進一步的發展,而摻入纖維形成纖維混凝土可在一定程度上改善這一狀況M.聚丙烯粗合成纖維(直徑大于0.1mm稱為粗合成纖維3)具有耐腐蝕、密度小、造價低等優點,且在施工中較鋼纖維易分散,其不但可以提高混凝土的早期抗裂性,還能改善硬化混凝土的韌性和抗裂基金項目:“十二五”國家科技支撐計劃項目(2011BAE27B04)性,因而在工程領域有著廣泛的應用前景M.但由于以聚丙烯為主要成分的粗合成纖維表面能低,分子鏈上不含活性基團而表面疏水,表面雖經過壓痕處理增大了與水泥的物理粘結,但其與水泥基體的化學粘結仍較弱,以致其與水泥基體界面粘結強度相對較差,從而影響了其在水泥混凝土中的應用效果。

  目前,國內對粗合成纖維的研究多集中在其對水泥混凝土力學、抗裂和抗沖擊等性能的影響M,而對其表面的改性處理卻關注的相對較少。本文采用NaOH溶液和硅烷偶聯劑處理纖維,通過纖維拔出試驗和水泥砂漿力學性能試驗,并結合微觀觀測分析,對聚丙烯粗合成纖維表面處理及改性效果進行了探討。

  1試驗方案1.1原材料5普通硅酸鹽水泥(C);粉煤灰(F)為I級;潔凈河砂(S),細度模數為2.3;減水劑(SP)為大連西卡公司產聚羧酸類高效減水劑(SP),固含量為18%,減水率為25%;氫氧化鈉(N),分析純;硅烷偶聯劑(K),采用KH570;聚丙烯粗合成纖維(CPP)長度28mm,直徑0.8mm,密度2試驗方法1.2.1纖維表面處理配制濃度為2ml/L的NaOH溶液,然后將纖維放入堿溶液中分別浸泡2、和6d.浸泡完成后取出纖維,用清水反復清洗,取出纖維表面多余的堿溶液,在60°C烘箱內烘干即得改性纖維,分別記作將硅烷偶聯劑KH570用無水乙醇配成濃度為1%的稀釋液,把纖維浸泡其中1、和3d后,自然晾干得改性纖維,分別記作K1、K2和K3. 1.2.2試件制備與測試纖維砂漿力學性能試驗基準配合比見表1,纖維分別用原狀纖維(記為Y)、Ni和Ki(i=1,2,3),體積摻量均為1.2%,試件編號分別記作YC、NiC和KiC(i=1,2,3)。表1中各參數均為與膠凝材料(水泥+粉煤灰)的質量比。纖維拔出試驗試件基體采用纖維砂漿力學性能試驗基準配合比。

  纖維拔出試驗采用“8”字形試件(見),試件中部用塑料板隔開,將單根纖維穿過塑料板中心預埋在試件中,每組成型6個試件,拆模后放入標準養護室養生28d,然后通過SANS萬能試驗機測定纖維與基體的界面粘結強度,并繪制出荷載一拔出位移曲線。界面粘結強度按下式計算:F丁維埋入長度(mm)。

  纖維砂漿力學性能試驗采用40 40mmX160mm棱柱體試件,每組成型3個試件,放入標準養護室養生28d.在SANS萬能試驗機上進行抗折試驗,由計算機自動采集數據并繪制荷載一撓度曲線,將折斷的試件依據GB/T 17671-1999水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)進行抗壓強度試驗。

  2結果與分析1界面粘結強度纖維拔出試驗過程中的拔出荷載一位移全曲線如所示,纖維拔出試驗結果見表2.加載初始階段,拉力一位移基本成直線上升,纖維處于彈性拉伸階段;在達到極限荷載之前,拉拔曲線上升段斜率變小,纖維開始脫黏,極限荷載之后,位移增加,拉力逐漸減小,直到纖維被完全拔出。原狀纖維Y的極限拉力與峰值位移最小,曲線具有滑移軟化的特征;而纖維經強堿或硅烷偶聯劑溶液處理后,極限拉力與峰值位移均明顯增大,其中N1的提高程度最為明顯,且纖維在拔出過程中曲線表現的更為平滑飽滿,脫黏現象延后。

  纖維拔出荷載-位移曲線編號極限拉力/N峰值位移/mm粘結強度/MPa從表2可以看出,隨處理時間的延長,堿處理CPP的粘結強度逐漸降低,硅烷偶聯劑處理CPP與之相反,呈增大趨勢,但無論經堿處理或是硅烷偶聯劑處理的纖維與水泥基體粘結強度較原狀纖維均明顯增大,且堿對纖維的改性效果要優于硅烷偶聯劑,Ni(i= =1,2,3)粘結強度較Y分別提高了(88.0%,55.6%,43.7%)和(23.2%,49.3%,69.0%)。這是因為粗合成纖維是由C3H6單體聚合而成,且在生產過程中對其表面進行了涂油處理,使纖維在常溫下比較穩定,外形規則,表面具有疏水性和平滑性0(見(a))。這使得水泥漿不易浸濕纖維,纖維與基體粘結效果變差,從而纖維拔出強度降低。強堿溶液可去除纖維表面的油劑,蝕刻纖維并在纖維規則鏈上引入H,使纖維表面產生不規則的凹坑、凸起或者裂紋,降低纖維表面平整度(見(b)),從而有效改善了纖維與水泥基體界面粘結強度性能。但堿處理時間過長會損傷纖維,將部分抵消對纖維/基體粘結性能的增強效應,從而使界面強化效應減弱。硅烷偶聯劑既具有親水基團又有可與烯烴(纖維)產生化學結合的有機基團,使纖維表面產生不規則突起(見(c)),增大纖維/基體物理粘結,并增大纖維表面的極性,使其易于潤濕,提高纖維的親水性,且其中的易水解基團可與砂漿的水化產物反應形成Si-O-Si鍵,使纖維與砂漿的界面結合力增加,提高纖維與水泥基體的粘結強度M.由于硅烷偶聯劑不會損傷纖維,因此適當延長a)原狀纖維(b)NaOH處理的纖維(c)KH570處理的纖維纖維處理前后微觀形貌(1000x)處理時間,可使硅烷偶聯劑進一步發揮其改性作用,從而使纖維/基體的粘結強度進一步增強。

  2.2抗壓強度纖維砂漿抗壓強度試驗結果見。由可知,纖維經處理后,纖維砂漿的抗壓強度較原狀纖維砂漿稍有提高,但變化幅度不大。NiC(i=1,2,3)和KiC(i=1,2,3)的抗壓強度較YC分別提高了(12.8%,4.5%,1.3%)和(2. 2%,6.2%,7.9%)。這是因為經強堿或硅烷偶聯劑處理纖維后,纖維表面發生物理或化學的變化,如對纖維刻蝕或引入親水基團,可增大纖維與水泥的物理粘結或化學結合,并減少界面區缺陷的產生,從而使纖維/基體界面粘結性能改善,在宏觀性能上即表現為抗壓強度增大,但纖維本身模量較低,故不會使抗壓強度大幅提高。

  2.3抗折強度荷載一撓度曲線見。從中可以看出,纖維砂漿在初裂前,荷載撓度曲線呈直線上升,當基體開裂后,荷載迅速下降,隨后由于纖維的橋接作用,荷載隨撓度的增大又繼續回升,但處理纖維與未處理纖維在開裂后的曲線趨勢不再相同。纖維經處理后,荷載在開裂后迅速增大并隨著撓度增大保持穩定,在撓度達到3mm時仍具有峰值荷載一半以上的殘存強度,尤以N1C的趨勢最為明顯,而原狀纖維砂漿的殘余強度僅能維持在峰值荷載四分之一左右。這說明表面處理纖維與基體間的界面粘結性能改善,纖維橋接作用得以進步發揮,從而具有更好的增強增韌效果;而原狀纖維與基體間的界面粘結相對較弱,在纖維拔出過程中較早發生粘結破壞,導致纖維較早脫黏而失效。

  荷載一撓度全曲線纖維砂漿的抗折強度試驗結果見。從可以看出」尤=1,2,3)和1(疋=1,2,3)的抗折強度較YC有明顯提高,增幅分別為(21.5%,12. 7%,7.6%)和(5.6%,11.2%,15.8%),與粘結強度變化規律相似。這是因為強堿或硅烷偶聯劑處理纖維后,纖維/基體粘結強度增大,根據11,纖維抗拉強度利用率p=2W/(xdf)(其中t為界面粘結強度,。為纖維最大拉應力,If為纖維長度,df為纖維等效直徑),將表2數據代入可得,Y、Ni和Ki(i=1,2,3)的纖維抗拉強度利用率分別為18.8%、(35.之后纖維強度利用率提高,橋接作用得以進一步發揮,即纖維在受力拔出過程中承載能力增大,可以耗散更多的破壞能量,最大程度做功,起到增強水泥砂漿的作用,在宏觀性能上即表現為水泥砂漿抗折強度增大。

  3結論CPP纖維經過NaOH溶液或硅烷偶聯劑處理后,纖維/基體粘結強度較原狀纖維明顯增大。但隨著處理時間的延長,NaOH溶液處理的纖維/基體粘結強度呈下降趨勢,硅烷偶聯劑處理的纖維則與之相反。

  經過NaOH溶液處理后,纖維表面相比原狀纖維更加粗糙,但是處理時間延長會使纖維表面產生過多裂紋而損壞纖維;經過硅烷偶聯劑處理后,纖維表面出現明顯的不規則突起,隨著處理時間的延長,纖維表面未產生破壞且親水性變強,因此,延長處理時間有利于提高硅烷偶聯劑的改性效果。

  纖維砂漿抗壓強度稍有提高而抗折強度明顯增大,且在初裂后仍具有較高的殘余強度。由于NaOH溶液或硅烷偶聯劑處理引起纖維表面形貌與極性的改變有利于提高纖維與水泥基體界面的物理粘結或化學結合,使界面區缺陷減少,延緩纖維脫黏,纖維增強增韌作用得以有效發揮。

(完)

 
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